劉艷昌　左現(xiàn)剛　李國厚

摘要：為解決農(nóng)業(yè)蔬菜大棚種植企業(yè)對大棚環(huán)境參數(shù)較難控制問題，設計了一種以FPGA、傳感器、無線模塊、GPRS模塊和執(zhí)行機構為硬件核心，以Kingview 6.55為軟件平臺的實時環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過無線模塊將FPGA采集到的大棚內(nèi)參數(shù)值傳到上位機，并對其采集數(shù)據(jù)進行分析和處理，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、存儲及執(zhí)行機構控制等功能。同時，農(nóng)場主也可以通過GPRS模塊以短信方式與手機終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)查詢和設備控制等功能。試驗測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠為農(nóng)作物提供更佳的生長環(huán)境，且操作界面簡單、成本低廉，有利于減輕農(nóng)民負擔、提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，在農(nóng)業(yè)和牧業(yè)領域有良好的的推廣價值和應用前景。

關鍵詞：蔬菜大棚；FPGA；GPRS；組態(tài)技術

中圖分類號：S126 ；TP277.2文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2015）11-0533-04

收稿日期：2014-11-13

基金項目：國家級大學生創(chuàng)新訓練計劃（編號：201310467043）；河南省科技攻關計劃（編號：132102310030）；河南科技學院高層次人才科研啟動項目（編號：209010611001）。

作者簡介：劉艷昌（1979—），男，河南鶴壁人，碩士，講師，主要從事智能控制與信息檢測技術研究。E-mail：523401923@qq.com。

通信作者：李國厚，博士，教授，主要從事計算機控制、無損檢測、信號處理技術研究。E-mail：liguohou6@163.com在我國各地使用蔬菜大棚種植蔬菜的技術已經(jīng)普及，尤其在北方地區(qū)蔬菜大棚種植已成為農(nóng)民增加收入的主要途徑之一[1-2]。蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測和控制對大棚內(nèi)作物的長勢好壞、產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的高低起著關鍵作用，它主要受外界氣候條件和大棚內(nèi)生活環(huán)境影響較大，因此，在生產(chǎn)過程中如何及時將大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)控制在適合蔬菜生長的范圍內(nèi)是大棚種植的關鍵。目前我國蔬菜大棚種植環(huán)境參數(shù)監(jiān)控多數(shù)情況下仍采用人工值守主觀判斷和人工控制來調(diào)整各參數(shù)的機械設備，存在調(diào)節(jié)滯后、誤判率高、生產(chǎn)效率低、占用人力資源多等缺點，且不能滿足當前蔬菜大棚種植智能化、信息化的需求，除此之外，目前這類監(jiān)控系統(tǒng)仍采用專門的通信線路來實現(xiàn)，成本高[3]，不適合廣大農(nóng)民的需求，因此本研究提出了一種基于FPGA的蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以實時采集與分析大棚環(huán)境參數(shù)（溫度、濕度、二氧化碳濃度和光照度）的測量值，而且還可以根據(jù)測量值與設定值的分析結(jié)果，將控制指令以無線傳輸?shù)姆绞絺鬏斀oFPGA來控制驅(qū)動各機械設備對大棚環(huán)境參數(shù)迅速作出調(diào)整，另外，該系統(tǒng)還可以通過GPRS模塊，采用定時發(fā)送和手機查詢方式將報警信息和大棚環(huán)境參數(shù)以短信形式發(fā)送至農(nóng)場主手機上，農(nóng)場主可以在任何時間任何地點及時掌握大棚內(nèi)農(nóng)作物的生長環(huán)境情況，也可以以短息指令形式對現(xiàn)場設備的啟停進行遠程操作控制，從而實現(xiàn)大棚種植的智能化、信息化的現(xiàn)場管理，進一步提高生產(chǎn)效率。

1系統(tǒng)總體方案

該蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構如圖1所示，系統(tǒng)硬件主要由上位機、FPGA控制器、傳感器、現(xiàn)場控制設備、無線收發(fā)模塊、GPRS模塊等組成。

本系統(tǒng)有手動和自動2種工作模式，在手動工作模式下工作人員可以在現(xiàn)場通過控制面板上的開關按鈕強制對各控制設備進行控制，也可以在監(jiān)控室通過點擊上位機組屏幕手動控制畫面中的升溫設備啟/停、加濕系統(tǒng)啟/停、循環(huán)風機啟/停等模擬開關，從而控制現(xiàn)場各執(zhí)行部件來改變大棚環(huán)境參數(shù)，達到滿足作物適宜生長的條件；在自動模式下將空氣溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光照度傳感器采集到的信息傳送給FPGA控制器進行數(shù)據(jù)處理后，通過RS232串口將數(shù)據(jù)傳給無線收發(fā)模塊，然后無線收發(fā)模塊通過天線以無線方式將采集到的數(shù)據(jù)傳給上位機，上位機通過Kingview 6.55軟件編制的數(shù)據(jù)處理程序與用戶設定的上限下限值進行比較，確定是否啟動現(xiàn)場控制設備，若某傳感器采集到的實際值在用戶設定上下限參數(shù)范圍之外，則產(chǎn)生對應報警信息指示，同時將相關啟?？刂圃O備指令通過天線以無線方式傳給現(xiàn)場FPGA控制器來實現(xiàn)這些部件的啟停，最終實現(xiàn)蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)的自動控制。

2系統(tǒng)硬件結(jié)構

2.1FPGA控制器

為了節(jié)省開發(fā)時間，保證硬件系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、快速采集和控制蔬菜大棚內(nèi)各環(huán)境參數(shù)，較好地滿足大棚每個監(jiān)控點的需求，該系統(tǒng)下位機控制器采用KX2C5F+型FPGA開發(fā)板作為研發(fā)平臺，其核心芯片為EP2C5T144。該系統(tǒng)采用FPGA作為主控制芯片，具有內(nèi)部各功能模塊相互獨立、引腳豐富、編程靈活等特點，且便于電路的功能擴展。比如某站點原來沒有土壤濕度檢測模塊，設計人員只需將設計好的土壤濕度檢測模塊添加進來即可，不用考慮該模塊對其他檢測模塊的影響，設計處理十分靈活。

2.2溫濕度傳感器

系統(tǒng)溫濕度傳感器采用數(shù)字信號輸出的溫濕度一體式傳感器DHT11。它采用1-Wire總線接口，測量溫度范圍為 0～50 ℃，精度為±2 ℃，測量濕度范圍為20%～90%RH，精度為±5%RH，信號傳輸距離可達20 m以上，能夠滿足蔬菜大棚的溫濕度測量要求。該系統(tǒng)溫濕度檢測點與FPGA控制器端口PIN_28連接距離小于20 m，則接上5.1 kΩ的上拉電阻即可。溫濕度傳感器的硬件連接如圖2所示。

2.3二氧化碳濃度傳感器

系統(tǒng)二氧化碳傳感器采用紅外CO2濃度傳感器 MH-Z14 。它提供UART、模擬電壓信號、PWM波形等多種輸出方式，具有選擇性好、響應時間快、壽命長、功耗低、精度高和抗水汽干擾能力強等特點。其測量范圍為 0～5 000 mg/L ，精度為±50 mg/L，工作環(huán)境：溫度范圍為 0～60 ℃ ，濕度范圍為0～95%RH，能夠滿足蔬菜大棚的CO2濃度測量要求。為了使發(fā)送和接收采集數(shù)據(jù)線閑置時其狀態(tài)為高電頻，要求各外接1個5.1 kΩ的上拉電阻，其二氧化碳傳感器的硬件連接如圖3所示。