摘 要： 為了能夠?qū)崿F(xiàn)對溫室集群的智能控制，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于RS 485總線搭配Modbus協(xié)議的溫室集群監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集及控制部分、遠程監(jiān)控中心監(jiān)控軟件部分和通信協(xié)議部分組成。利用在RS 485總線上搭配Modbus協(xié)議實現(xiàn)監(jiān)控中心主機與各個溫室的微控制器通信。結(jié)合溫室環(huán)境控制的特點，利用ZigBee技術(shù)組成無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)，使用S3C6410處理器實現(xiàn)對繼電器的控制，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制算法，從而達到溫室環(huán)境的智能控制。使用Qt軟件設(shè)計人機交互界面，實現(xiàn)對溫室集群的遠程控制。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠正確采集溫室環(huán)境的溫度、濕度和光照強度等參數(shù)，并且能夠通過控制繼電器的動作對各個溫室的環(huán)境參數(shù)進行有效的控制。

關(guān)鍵詞： 溫室集群； ZigBee網(wǎng)絡(luò)； Modbus協(xié)議； RS 485總線； 智能控制； Qt軟件

中圖分類號： TN926?34； TP273 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）14?0049?04

Design of greenhouse environment monitoring system based on Internet of Things technology

ZHANG Ziqian1， ZHONG Weisheng1， LIANG Kai1， WANG Na2

（1. School of Information Engineering， Nanchang University， Nanchang 330031， China； 2. Shanxi Branch of China Telecom Co.， Ltd.， Lüliang 033000， China）

Abstract： In order to realize the intelligent control of the greenhouse cluster， a greenhouse cluster monitoring system based on RS 485 bus and Modbus protocol was designed and implemented. The system is composed of the field data acquisition and control part， monitoring software of remote monitoring center， and communication protocol. The communication between the monitoring center and the individual greenhouse is realized by collocation of RS 485 bus with Modbus protocol. Combined with the characteristics of greenhouse environment control， the ZigBee technology is adopted to constitute a wireless data acquisition network， S3C6410 processor is used to control the relay， and BP neutral network PID control algorithm is utilized to achieve the intelligent control of greenhouse environment. The Qt software is used to design the man?machine interface to realize the remote control of the greenhouse cluster. The experimental results show that the system can correctly collect the temperature， humidity and light intensity in the greenhouse， and can effectively control the environmental parameters of the greenhouse by controlling the action of the relay.

Keywords： greenhouse cluster； ZigBee network； Modbus protocol； RS 485 bus； intelligent control； Qt software

隨著人們生活水平的提高，人們希望在一年里的每個時候都能夠品嘗到綠色新鮮的水果蔬菜，以日光溫室為主體的設(shè)施農(nóng)業(yè)應(yīng)運而生。而溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)是提高溫室作物產(chǎn)量、減少勞動力成本的關(guān)鍵技術(shù)，代表了溫室生產(chǎn)的核心競爭力。隨著傳感器技術(shù)、計算機控制、網(wǎng)絡(luò)通信以及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展，融合了上述高新技術(shù)的智能監(jiān)控系統(tǒng)逐漸被應(yīng)用到溫室監(jiān)控領(lǐng)域[1?2]。傳統(tǒng)的大規(guī)模溫室集群的管理大多是對溫室環(huán)境單因素進行監(jiān)測控制，且由人工管理，不能精準(zhǔn)地做到溫室環(huán)境的綜合監(jiān)測和遠程控制[3]。為了能夠?qū)厥壹褐忻總€溫室的生態(tài)環(huán)境參數(shù)實時采集、顯示及智能控制，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開發(fā)了針對溫室集群環(huán)境參數(shù)的智能監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

溫室集群監(jiān)控系統(tǒng)主要由各個溫室的環(huán)境數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、環(huán)境控制子系統(tǒng)和遠程監(jiān)控子系統(tǒng)組成。將各個溫室的微控制器掛在已經(jīng)布置好的RS 485總線上作為系統(tǒng)從機，然后微控制器將傳感器采集的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee協(xié)調(diào)器傳過來，并將該數(shù)據(jù)經(jīng)RS 485總線通過Modbus協(xié)議上傳到作為系統(tǒng)主機的監(jiān)控中心PC機上并保存到數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)需要打開鼓風(fēng)機、遮陽網(wǎng)或者噴灌來控制溫室環(huán)境參數(shù)時，監(jiān)控中心會給指定的溫室微控制器發(fā)送指令，控制該溫室的繼電器動作，以達到溫室環(huán)境參數(shù)的智能控制。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件組成部分主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、現(xiàn)場控制模塊和繼電器模塊。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊包括傳感器和無線傳感網(wǎng)絡(luò)兩部分。

2.1.1 傳感器部分

傳感器作為信息獲取的重要手段， 與通信技術(shù)和計算機技術(shù)共同構(gòu)成信息技術(shù)的三大支柱，是現(xiàn)代信息系統(tǒng)和各種監(jiān)測系統(tǒng)不可缺少的信息采集手段[4]。將這幾種技術(shù)融合，能夠?qū)崿F(xiàn)對溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的采集、處理和傳輸。

系統(tǒng)中的溫濕度數(shù)據(jù)采集使用的是STH10傳感器模塊，具有數(shù)字信號輸出、低功耗、響應(yīng)迅速的優(yōu)點。內(nèi)部包含一個電容式測濕元件和一個能隙式測溫元件，集成了溫度和相對濕度的采集。測濕范圍為0～100%RH，測溫范圍為-40～123.8 ℃。其與CC2530的連接電路圖如圖2所示。

光照傳感器采用的是HA2003型，采用了先進的光電轉(zhuǎn)換模塊，將光照強度轉(zhuǎn)化為電壓值，通過A/D轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸出。其測量范圍為0～200 000 lux。

2.1.2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立

該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式采用的是由各個ZigBee節(jié)點組成的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。相對于其他無線傳輸方式，ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有成本低、功耗低、高傳輸率、安全可靠的特點。使它非常適合在物聯(lián)網(wǎng)感知層的傳感器網(wǎng)絡(luò)傳遞信息。ZigBee節(jié)點的處理器采用的是TI公司的CC2530芯片，它由增強型的 8051 單片機和高性能的 RF無線收發(fā)器組成。將傳感器和CC2530芯片集成在一起形成ZigBee節(jié)點，并放置在各個溫室的合適位置，然后與ZigBee協(xié)調(diào)器連接組成ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，ZigBee協(xié)調(diào)器通過串口與各溫室的微控制器連接，完成數(shù)據(jù)采集和傳輸功能（溫度采集、濕度采集和光照采集）。通過程序設(shè)置，使得ZigBee節(jié)點能夠每10 s采集一次環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳至協(xié)調(diào)器。ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的拓撲圖通常有三種即星型、網(wǎng)型和樹型。由于單個溫室數(shù)據(jù)采集子相對簡單，本設(shè)計采用的是星型設(shè)計，如圖3所示。

溫室內(nèi)各個ZigBee節(jié)點將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)匯聚到ZigBee協(xié)調(diào)器中，然后協(xié)調(diào)器與溫室內(nèi)的S3C6410通過串口連接進行通信，這樣微處理器就能夠得到傳感器采集到的環(huán)境參數(shù)信息。

2.2 現(xiàn)場控制模塊

現(xiàn)場控制的核心是微控制器，該系統(tǒng)采用的是S3C6410開發(fā)板。它是基于SAMSUNG16/32位RISC微處理器S3C6410X的一款開發(fā)平臺，該微處理器具有高性價比、低功耗和低價格等優(yōu)點。其功能如圖4所示。

每個溫室都會配備一個微處理器，由傳感器采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絊3C6410開發(fā)板，然后將采集的數(shù)據(jù)通過RS 485總線傳送到監(jiān)控中心的PC機并保存在數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)監(jiān)控中心向指定溫室發(fā)出各種指令時，微處理器就會控制繼電器動作。當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)超過設(shè)定的數(shù)值時將會觸發(fā)S3C6410開發(fā)板上的GPRS報警模塊，并向用戶發(fā)送警報短信。

報警模塊采用的是TELIT公司的G30模塊，它支持語音和數(shù)據(jù)通信，并且內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議棧，簡化了開發(fā)過程和開發(fā)周期。將它和S3C6410的UART串口相連，向G30模塊發(fā)送相關(guān)的AT 指令，用戶插入SIM卡，并且開通GPRS業(yè)務(wù)后，然后綁定需要接收報警短信的號碼，當(dāng)參數(shù)超出預(yù)警值時就可以向用戶發(fā)送報警短信。

2.3 繼電器模塊

當(dāng)監(jiān)控中心向某個溫室發(fā)出打開鼓風(fēng)機、遮陽網(wǎng)或者噴灌命令時，由于微處理器輸出的開關(guān)量大多為TTL電平，不能直接驅(qū)動這些裝置的開啟或關(guān)閉，需要一個環(huán)節(jié)作為之間的橋梁。繼電器是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關(guān)”，在電路中具有安全保護、自動調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換電路的作用。常用的繼電器有電磁繼電器、固體繼電器、時間繼電器等。

根據(jù)系統(tǒng)需要，這里選擇歐姆龍公司的MY4N?J型繼電器，主要參數(shù)為負載電流：3 A；最大開關(guān)電壓：AC 250 V，DC 125 V；動作時間：20 ms以下。

由于微處理器輸出的開關(guān)量為TTL電平不能直接驅(qū)動繼電器，所以需要在兩者之間加一個三極管，起到放大電壓的作用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 Modbus通信協(xié)議

Modbus協(xié)議是一種工業(yè)上的通用現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，通過此協(xié)議，各設(shè)備相互之間，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)和其他設(shè)備之間可以通信，此協(xié)議可支持 RS 232，RS 422，RS 485和以太網(wǎng)設(shè)備[5]。

掛載在RS 485總線上的各個微控制器通過Modbus協(xié)議與監(jiān)控中心的主機通信，該協(xié)議采用主/從的方式進行通信，為從機分配惟一的一個地址，地址范圍為1～247，主機首先發(fā)出命令幀，同一網(wǎng)絡(luò)的從機都會接收到該命令幀，如果命令幀中的地址信息與本機地址相同，則向主機返回所需要的信息，如果不同則會忽略。系統(tǒng)工作時，監(jiān)控中心主機周期性的通過不同線程向所有從機發(fā)送命令幀，將每個溫室的環(huán)境參數(shù)返回到主機。當(dāng)需要改變某個溫室的環(huán)境時，主機通過從機地址找到該溫室發(fā)送命令幀，其他從機不予理睬，以達到智能控制特定溫室環(huán)境參數(shù)的目的。

Modbus協(xié)議有2種通信方式即ASCII模式和RTU模式，為了保證較快的傳輸速率，本設(shè)計采用RTU通信模式。不管是ASCII模式還是RTU模式，信息傳輸方式都是以數(shù)據(jù)幀的形式，每幀數(shù)據(jù)都有確定的起始點和結(jié)束點，數(shù)據(jù)幀要傳送的設(shè)備在數(shù)據(jù)幀的起始點開始讀地址，并檢測要尋址的設(shè)備和信息傳輸?shù)慕Y(jié)束時間[6]。典型的RTU模式的命令幀格式如表1所示。

3.2 控制算法設(shè)計

為了使溫室內(nèi)的溫濕度不受室外溫濕度的影響，且始終讓溫室內(nèi)的溫濕度維持在當(dāng)前作物生長的最佳溫濕度下，由于常規(guī)的PID控制很難滿足快速、有效、穩(wěn)定的要求，應(yīng)用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制算法，使控制系統(tǒng)更加迅速、高效?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)圖如圖5所示。通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力和非線性逼近能力調(diào)整PID控制器的參數(shù)KP，KI，KD，使它的輸出對應(yīng)于最優(yōu)控制下的PID參數(shù)。

通過分析，采用反轉(zhuǎn)算法并按照梯度下降法修正網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)，得到網(wǎng)絡(luò)輸出層的權(quán)值學(xué)習(xí)算法：

[?Wli3k=α?Wli3k-1+ηδ3lO2i（k）]

其中：[δ3l=eksgn?yk?uk?lg′net3l（k）]；[g′x=][gx1-gx。]

以溫室溫度控制為例，溫室是一個非線性、 時變、 大滯后與多變量耦合的復(fù)雜對象， 根據(jù)多變量的解耦、 園藝經(jīng)驗及實際的測量結(jié)果， 可以把溫室對象簡化為一個具有純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)[7] ，其傳遞函數(shù)為：

[Gs=Ke-τsTs+1]

式中：K為靜態(tài)增益；T為時間常數(shù)；[τ]為純滯后時間。

為了驗證基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制算法的效果，分別用常規(guī)PID控制器和基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器對溫室溫度控制的效果進行了仿真，其對比仿真曲線如圖6所示，其中BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)采用4?5?3，學(xué)習(xí)速率[η=0.2，]慣性系數(shù)[α=0.02，]加權(quán)系數(shù)初始值取區(qū)間[-0.3，0.3]上的隨機數(shù)。

由圖6中曲線變化可知，相比常規(guī)PID控制，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制在整個控制過程中更加的快速、平穩(wěn)。

3.3 監(jiān)控界面設(shè)計

為了建立一個良好的交互界面，使用戶能夠清晰明了地對各個溫室環(huán)境參數(shù)進行控制，對比了組態(tài)王、LabVIEW、Qt等幾種界面設(shè)計軟件，本系統(tǒng)采用奇趣科技開發(fā)的Qt作為圖形界面開發(fā)軟件。Qt是一個跨平臺的用戶圖形界面應(yīng)用程序，提供多達250個以上的API接口，并包含支持Modbus協(xié)議的函數(shù)庫。對于一個溫室集群來說每時每刻都會產(chǎn)生大量的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲是該系統(tǒng)的核心部分，所以為了能實時顯示各個溫室的環(huán)境參數(shù)、方便用戶查詢歷史數(shù)據(jù)采用了瑞典 MySQL AB 公司開發(fā)MySQL數(shù)據(jù)庫。具有體積小、速度快、成本低的特點，其代碼是開放的，并且Qt提供了操作MySQL數(shù)據(jù)庫的函數(shù)，方便用戶開發(fā)。

由于Qt提供了Modbus庫函數(shù)，將該庫加載到工程中就可以通過Qt實現(xiàn)監(jiān)控中心PC機的主機功能。通過選擇溫室集群的某個溫室可以知道該溫室的實時環(huán)境參數(shù)如溫度、濕度、光照強度等，還有控制鼓風(fēng)機、噴灌或遮陽網(wǎng)開關(guān)的按鈕，并且提示當(dāng)時的環(huán)境參數(shù)是否超出正常范圍，如果超出則會提示用戶，并且可以在日志欄中查詢以往不正常情況下的溫室環(huán)境參數(shù)情況。該軟件還提供根據(jù)日期查詢歷史數(shù)據(jù)的功能，實驗結(jié)果如圖7所示。整個系統(tǒng)的控制都可以在遠程控制中心進行，根據(jù)用戶設(shè)定的各種溫室環(huán)境參數(shù)進行自動調(diào)節(jié)。當(dāng)某個溫室溫度高于40 ℃時，系統(tǒng)就會發(fā)出警告，控制中心會通過Modbus協(xié)議給特定溫室的微控制器發(fā)送打開鼓風(fēng)機的命令，然后繼電器動作，實現(xiàn)對溫室溫度的控制。同理，當(dāng)溫室濕度或者光照強度超過或低于設(shè)定值時，通過控制繼電器打開或關(guān)閉遮陽網(wǎng)和噴灌，使溫室各個環(huán)境參數(shù)在設(shè)定范圍內(nèi)。

4 結(jié) 語

該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)溫室集群的環(huán)境數(shù)據(jù)采集、實時顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢，還能夠通過控制繼電器的動作，實現(xiàn)各個溫室環(huán)境的智能控制。將監(jiān)控中心計算機作為Modbus協(xié)議的主機，分布在各個溫室的微控制器作為從機，主機通過RS 485總線搭配Modbus協(xié)議發(fā)送命令幀給從機，從機產(chǎn)生相應(yīng)動作以達到遠程監(jiān)控，降低勞動成本的目的。

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