李輝+周忠凱+陶建平

摘要：針對(duì)我國(guó)高效、精細(xì)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，為滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)需求，設(shè)計(jì)1種可用于溫室大棚的多點(diǎn)光照度采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)以基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103C8T6單片機(jī)為核心，以BH1750為光照度采集單元，用RS-485模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使用VB.NET進(jìn)行上位機(jī)的開發(fā)，以SQL Server為后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，用ASP.NET進(jìn)行網(wǎng)頁(yè)開發(fā)，對(duì)采集系統(tǒng)進(jìn)行全封閉處理，以適應(yīng)不同的監(jiān)測(cè)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同點(diǎn)光照度的采集、無線傳輸、自動(dòng)存儲(chǔ)以及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，用戶可以在任何有網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方通過瀏覽器查看并獲取數(shù)據(jù)。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，該系統(tǒng)測(cè)量誤差在±6%以內(nèi)，且測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值間差異不顯著，滿足使用要求。該系統(tǒng)為在不同光照條件下的合理選種與密植提供了設(shè)施基礎(chǔ)，并在一定程度上推動(dòng)了設(shè)施農(nóng)業(yè)和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；溫室大棚；多點(diǎn)；光照度；無線通信；精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)

中圖分類號(hào)： S126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）11-0388-04

隨著我國(guó)精細(xì)農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展[1-7]，要求農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能夠高效產(chǎn)出，因此對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)[8-11]的要求不斷提高；同時(shí)，隨著科技水平的提高，農(nóng)業(yè)設(shè)施的科技含量也得到很大提升。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，光照是重要的環(huán)境因素之一[12-15]，應(yīng)該因地制宜、充分利用光照以提高產(chǎn)出，根據(jù)光照情況進(jìn)行合理選種與密植是實(shí)現(xiàn)精細(xì)與高效農(nóng)業(yè)的重要手段，為此需要對(duì)光照進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，了解光照情況變化。由于光照監(jiān)測(cè)是長(zhǎng)期、高耗時(shí)的工作，因此本研究設(shè)計(jì)適合不同監(jiān)測(cè)環(huán)境的多點(diǎn)光照度采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對(duì)大棚中不同點(diǎn)的光照情況進(jìn)行采集，能夠?qū)Σ杉男畔⑦M(jìn)行無線傳輸、自動(dòng)存儲(chǔ)，并可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由采集系統(tǒng)、無線傳輸模塊、上位機(jī)、服務(wù)器、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與管理系統(tǒng)等組成[16]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 工作原理

在進(jìn)行光照度采集前需要對(duì)上位機(jī)進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置，主要設(shè)置進(jìn)行光照度采集的時(shí)間間隔以及正確輸入上位機(jī)與采集系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的校對(duì)碼，然后通過無線傳輸裝置將校對(duì)碼發(fā)送到下位機(jī)，下位機(jī)將校對(duì)碼與預(yù)設(shè)校對(duì)碼進(jìn)行比對(duì)，如果輸入的校對(duì)碼錯(cuò)誤，系統(tǒng)將提示，如果輸入校對(duì)碼正確，下位機(jī)采集系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在界面上并存儲(chǔ)到該P(yáng)C機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中，打開網(wǎng)絡(luò)頁(yè)面并正確輸入用戶名、密碼將可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和查詢、下載歷史數(shù)據(jù)。

2 采集系統(tǒng)

2.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

下位機(jī)采集系統(tǒng)[17-20]采用32位STM32F103C8T6 MCU為處理器，為節(jié)省系統(tǒng)資源，通過上位機(jī)設(shè)置信息采集間隔，上位機(jī)定時(shí)向下位機(jī)發(fā)送校對(duì)碼，下位機(jī)比對(duì)校對(duì)碼，正確則進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并將采集的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到上位機(jī)，循環(huán)作業(yè)。系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

2.2 光照度采集單元

光照度采集單元由濾光器、光電元件以及接口電路等組成（圖3）。光照度采集單元濾光器采用菲涅耳透鏡進(jìn)行光照余弦補(bǔ)償，將一定角度內(nèi)的光照集中到光電元件上，提高接收靈敏度，光照度采集檢測(cè)單元工作流程如圖4所示，該系統(tǒng)采用的菲涅爾透鏡（圖5）是由聚烯烴材料注壓而成的薄片，鏡片表面一面為光面，另一面刻錄了由小到大的同心圓，菲涅爾透鏡在很多時(shí)候相當(dāng)于紅外線及可見光的凸透鏡。

光照度采集單元中光電元件為BH1750傳感器[21]，BH1750環(huán)境光傳感器內(nèi)置16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它能夠直接輸出數(shù)字信號(hào)，不需要再進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算。該傳感器使用方便，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。

3 信息采集管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

信息采集管理系統(tǒng)主要完成信息的實(shí)時(shí)顯示、存儲(chǔ)、歷史相關(guān)數(shù)據(jù)的查詢以及向下位機(jī)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)、利用網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器等，采集到的數(shù)據(jù)將保存到上位機(jī)的電腦上，其工作界面見圖6。同時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)備份，保證數(shù)據(jù)的安全，提高了系統(tǒng)工作的可靠性。

3.1 信息管理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

信息管理系統(tǒng)軟件采用VB.NET進(jìn)行程序開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)顯示、查詢以及數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收等功能；在數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)表中存儲(chǔ)了數(shù)據(jù)采集時(shí)間與16個(gè)采集點(diǎn)數(shù)據(jù)的17個(gè)表項(xiàng)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)查詢數(shù)據(jù)的導(dǎo)出功能，為數(shù)據(jù)利用和處理提供了方便。通過服務(wù)器IP、數(shù)據(jù)庫(kù)名稱、用戶名和密碼對(duì)服務(wù)器進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程保存與備份：conn.ConnectionString=“Server=199.182.x.x；DataBase=RecordDB；User=JAAS；Pwd=ABC；”。

3.2 計(jì)算機(jī)與單片機(jī)通訊

計(jì)算機(jī)通過串口與無線發(fā)送裝置（圖7）相連，通訊協(xié)議為采用異步方式傳送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸速率為9 600 b/s，無校驗(yàn)位，8位數(shù)據(jù)位，1位結(jié)束位，無線發(fā)送裝置采用RFD5800多通道微功率嵌入式無線數(shù)傳模塊，傳輸距離為1 000 m；由于現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)基本不配備串口功能，為此使用CP2102芯片實(shí)現(xiàn)USB與串口的轉(zhuǎn)換（圖8），采用Max3485實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS-485電平的轉(zhuǎn)換（圖9）。電平轉(zhuǎn)換代碼：

4 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)

如圖10所示，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)采用ASP.NET進(jìn)行開發(fā)，通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、歷史數(shù)據(jù)的管理和下載，避免了數(shù)據(jù)管理和處理的不便；根據(jù)系統(tǒng)分配的不同角色，不同的用戶名具有不同的操作權(quán)限，有效避免了對(duì)系統(tǒng)的誤操作，保證了系統(tǒng)的安全。

5 安裝與測(cè)試

該系統(tǒng)自2013年12月13日至今在江蘇省淮安市淮陰區(qū)光伏電站試用，自安裝調(diào)試完成后無故障出現(xiàn)，系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠；該系統(tǒng)以泰仕電子工業(yè)股份有限公司的手持式照度計(jì)（型號(hào)TES-1332A，量程范圍0.1～200 000.0 lx，分辨率0.1 lx）為測(cè)量參考（即標(biāo)準(zhǔn)值）。由表1可知：該系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)值相比測(cè)量誤差為±6%，滿足使用要求。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值與測(cè)量值進(jìn)行方差分析（顯著性水平α=0.05），由表2可知：F值=0.005 4980.05，測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)值間差異不顯著。