顧金花

摘要：對(duì)給予物聯(lián)網(wǎng)以及無(wú)線通信技術(shù)的智能溫室控制系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，重點(diǎn)解決了傳統(tǒng)溫室控制系統(tǒng)在固定終端訪問(wèn)以及管理方面存在的局限性，實(shí)現(xiàn)了就要移動(dòng)客戶端對(duì)溫室的圖像 、環(huán)境因子等變量的遠(yuǎn)程訪問(wèn)，達(dá)到了對(duì)溫室控制指令的超時(shí)間與空間的控制。結(jié)論表明，充分利用現(xiàn)代的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室的移動(dòng)式控制對(duì)于降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，降低企業(yè)的成本，提升溫室管理的科學(xué)性與有效性具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：溫室;移動(dòng)控制;物聯(lián)網(wǎng);系統(tǒng);研究

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? 文章編號(hào)：1009-3044（2018）35-0254-02

溫室的溫度對(duì)于植物的生長(zhǎng)效率具有重要的影響。溫室環(huán)境控制是基于自然環(huán)境，通過(guò)溫度控制設(shè)備對(duì)溫室的環(huán)境變量進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，保證溫室的環(huán)境變量都在作物生產(chǎn)的良好區(qū)間，通過(guò)這樣的方式可以有效提升作物的生產(chǎn)效率，提升農(nóng)業(yè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。

目前在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展過(guò)程中，各種新的技術(shù)都獲得了廣泛的應(yīng)用并有力推進(jìn)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對(duì)溫度控制提出了更高的要求，傳統(tǒng)的溫室控制方案存在著諸多亟待解決的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題.如基于PLC開(kāi)發(fā)的基于按鈕的控制系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制，基于單片機(jī)的系統(tǒng)無(wú)法應(yīng)對(duì)復(fù)雜大量數(shù)據(jù)的運(yùn)算，同時(shí)對(duì)工作環(huán)境的適應(yīng)性也較差.目前IoT技術(shù)和 WIFI技術(shù)由于其在性能方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的新技術(shù)開(kāi)發(fā)成為可能。基于以上原因設(shè)計(jì)一種綜合了IoT技術(shù)和 WIFI技術(shù)以及工控機(jī)于一體的溫室控制系統(tǒng)能夠有效降低溫室控制系統(tǒng)的成本，并有效提升系統(tǒng)的控制性能與環(huán)境的適應(yīng)性。

1 硬件系統(tǒng)

1.1 硬件構(gòu)成

溫室控制系統(tǒng)采用了SIEMENS S7 -200作為下位機(jī)的控制器， SIEMENS S7 -200集成了48位的數(shù)字量輸入與輸出，包含了具有16個(gè)IO口的EM223模塊，具有兩路模擬信號(hào)駛?cè)胼敵龅腅M232CN模塊，同時(shí)還具有CP243工業(yè)以太網(wǎng)通信模塊，本模塊可以實(shí)現(xiàn)溫度環(huán)境的數(shù)據(jù)粗函數(shù)、控制算法的編寫(xiě)、信號(hào)的采集以及控制信號(hào)的輸出等方面的功能。系統(tǒng)的上位機(jī)則使用了WINCC 進(jìn)行了組態(tài)開(kāi)發(fā)，WINCC 具有良好的延續(xù)性與可擴(kuò)展性，同時(shí)軟件不受行業(yè)的限制，具有較強(qiáng)的通用性，同時(shí)系統(tǒng)的可靠性強(qiáng)。溫室控制系統(tǒng)采用JAVA開(kāi)發(fā)，因此系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可移植性能，可以提供分布式、多線程、動(dòng)態(tài)化的支持。

1.2 系統(tǒng)構(gòu)建

本系統(tǒng)的系統(tǒng)框架構(gòu)建如圖1所示。系統(tǒng)的感知層通過(guò)傳感器對(duì)溫室的環(huán)境變量進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)轉(zhuǎn)換電路形成無(wú)線信號(hào)，通過(guò)ZigBee無(wú)線通信方式實(shí)現(xiàn)感知信息的傳輸與匯集，在此基礎(chǔ)上由以太網(wǎng)模塊進(jìn)行自由通信協(xié)議數(shù)據(jù)的傳輸，工控機(jī)接收到對(duì)應(yīng)的環(huán)境變量后再通過(guò)WiFi將數(shù)據(jù)傳遞到遠(yuǎn)程服務(wù)器。溫室控制系統(tǒng)能夠?qū)φ麄€(gè)溫室系統(tǒng)進(jìn)行有效的監(jiān)控管理，并可以根據(jù)實(shí)際的使用場(chǎng)景配置不同的傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度、光照、二氧化碳等不同變量的檢測(cè)。

圖1中控制層主要包含以下機(jī)構(gòu)，首先是具有限位開(kāi)光的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其次就是變頻器，用來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)速的控制，最后是開(kāi)光量執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用來(lái)控制加熱器、補(bǔ)光燈等設(shè)備的工作。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 下位機(jī)程序

溫室控制系統(tǒng)的程序采用了三種控制方式，控制邏輯遵循以下的優(yōu)先級(jí)，即手機(jī)控制模式、遠(yuǎn)程終端控制模式以及智能控制模式。在程序運(yùn)行的過(guò)程中，首先是通過(guò)串行接口將匯集點(diǎn)的信息傳輸?shù)脚R時(shí)分配的內(nèi)存空間，同時(shí)按照約定的算法將數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并進(jìn)行上傳與存儲(chǔ)，最后，以此作為依據(jù)判斷系統(tǒng)的工作模式，在對(duì)應(yīng)的工作模式下系統(tǒng)調(diào)用例子程序?qū)Νh(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并給出操作意見(jiàn)或者對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出相應(yīng)的指令。

2.2 上位機(jī)程序

上位機(jī)控制有首頁(yè)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制界面以及視頻采集界面等。其中首頁(yè)主要是電源控制、模式的選擇以及用戶的設(shè)置管理等方面的功能。用戶管理是對(duì)用戶的級(jí)別、權(quán)限進(jìn)行設(shè)置，其中管理用戶可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全部的控制，而用戶只能對(duì)功能模塊進(jìn)行操作，不能對(duì)信息進(jìn)行刪改。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的界面則包含了與各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)的案例以及工作狀態(tài)的指示燈;視頻采集界面包含了對(duì)溫室內(nèi)部情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù);最后就是環(huán)境信息的顯示，本系統(tǒng)中采用了數(shù)據(jù)曲線的顯示方案，可以對(duì)數(shù)據(jù)形成直觀的了解，根據(jù)使用的需要還可設(shè)置報(bào)警記錄對(duì)室內(nèi)環(huán)境參數(shù)不在作物生長(zhǎng)最優(yōu)范圍的記錄和預(yù)警。

3 控制方式

3.1 移動(dòng)終端控制

系統(tǒng)用戶可以通過(guò)手機(jī)對(duì)服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)訪問(wèn)，根據(jù)環(huán)境數(shù)據(jù)決定控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及機(jī)構(gòu)的工作參數(shù)。最終通過(guò)移動(dòng)終端的界面對(duì)服務(wù)器發(fā)出指令，并通過(guò)工控機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境的遠(yuǎn)程控制。同時(shí)移動(dòng)終端可以對(duì)緊急的事情進(jìn)行報(bào)警并按照預(yù)警機(jī)制讓用戶進(jìn)行回應(yīng)。

3.2 固定終端控制

溫室控制系統(tǒng)工作在固定終端模式的情況下，用戶可以通過(guò)控制現(xiàn)場(chǎng)的工控機(jī)對(duì)溫室內(nèi)部的環(huán)境變量以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)進(jìn)行讀取，根據(jù)作物的實(shí)際需求與控制要求對(duì)環(huán)境變量做出控制決策。下一步就是通過(guò)觸摸屏的按鈕給下位機(jī)的控制器發(fā)送執(zhí)行指令，實(shí)現(xiàn)加熱器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)溫室的環(huán)境變量進(jìn)行實(shí)時(shí)的調(diào)控。在操作中無(wú)法進(jìn)行辨識(shí)的用戶，系統(tǒng)提供了智能控制模式，可以通過(guò)軟件的分析自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境因子的調(diào)整，保證最佳的工作狀態(tài)。

3.3 智能控制

針對(duì)部分的確季節(jié)不明顯的情況，工作模式的選擇不適應(yīng)實(shí)際控制的需求。本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了智能控制模式，此模式采用定時(shí)控制和模糊自適應(yīng)控制相結(jié)合的控制模型，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的自動(dòng)調(diào)節(jié)。感知層能對(duì)外界的光照、土壤、溫度等都進(jìn)行模糊化處理，通過(guò)解析模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理，保證溫室的環(huán)境因子處于最優(yōu)化狀態(tài)，保證作物能夠有最優(yōu)的生長(zhǎng)狀態(tài)。

4 結(jié)論

智能溫室控制和系統(tǒng)綜合采用IoT技術(shù)、 WiFi通信技術(shù)，通過(guò)上位機(jī)以及下位機(jī)控制實(shí)現(xiàn)了能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)，成本低、可移植性強(qiáng)、穩(wěn)定可靠的溫度控制系統(tǒng)，滿足了目前農(nóng)業(yè)溫室控制的基本需求。同時(shí)系統(tǒng)具有不同的控制方式，用戶可以根據(jù)需求進(jìn)行移動(dòng)終端控制、智能化控制以及工控機(jī)控制等不同的方案，滿足了不同的應(yīng)用需求。最后就是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能化控制，降低了人力的成本，系統(tǒng)中的變頻方案也節(jié)約了溫室運(yùn)行成本，同時(shí)，也使整個(gè)系統(tǒng)的使用壽命得到延長(zhǎng)。集群化管理方式的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了不同地區(qū)的多個(gè)溫室得以統(tǒng)一管理。不同作物對(duì)不同環(huán)境的需求不盡相同，因此，在智能控制系統(tǒng)中，針對(duì)作物的特性建立自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控、移動(dòng)監(jiān)控模型都將是未來(lái)溫度發(fā)展的新趨勢(shì)。

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[通聯(lián)編輯：朱寶貴]