李興澤，王福平

(北方民族大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，寧夏銀川 750021)

近年來，農(nóng)業(yè)大棚種植為提高人們的生活水平帶來極大的便利，得到了迅速的推廣和應(yīng)用。種植環(huán)境中的溫度、濕度、光照度、CO2濃度等環(huán)境因子對作物的生產(chǎn)有很大的影響[1]。但溫室環(huán)境系統(tǒng)是一個(gè)非線性、時(shí)變、滯后復(fù)雜的大系統(tǒng)，難以建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，采用常規(guī)的控制方法難以獲得滿意的靜、動(dòng)態(tài)性能[2]。根據(jù)溫室棚內(nèi)環(huán)境控制的特點(diǎn)，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)大棚智能管控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)主要分為3個(gè)子系統(tǒng)，包括上位機(jī)系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和下位機(jī)系統(tǒng)。上位機(jī)系統(tǒng)包括控制中心、環(huán)境數(shù)據(jù)分析、環(huán)境數(shù)據(jù)存儲和歷史數(shù)據(jù)查詢。傳輸系統(tǒng)包括GPRS遠(yuǎn)傳模塊、ZigBee節(jié)點(diǎn)無線傳輸模塊和RS485有線傳輸模塊，主要是傳輸傳感器采集到的環(huán)境信息數(shù)據(jù)[3]。下位機(jī)包括環(huán)境信息采集模塊和動(dòng)作執(zhí)行模塊，通過多種傳感器采集環(huán)境信息并實(shí)時(shí)上傳，根據(jù)上位機(jī)發(fā)出的指令，執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。3個(gè)系統(tǒng)相互聯(lián)系、相互制約，有共同的目標(biāo)和核心的控制策略，共同完成農(nóng)業(yè)大棚智能管控任務(wù)。這樣提高了農(nóng)業(yè)大棚種植的科學(xué)化，管理的智能化。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

農(nóng)業(yè)大棚智能管控系統(tǒng)主要包括控制中心模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊和動(dòng)作執(zhí)行模塊。其中控制中心模塊是系統(tǒng)的核心部分，它負(fù)責(zé)對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析、存儲和處理，供管理人員實(shí)時(shí)監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境變化及查詢歷史數(shù)據(jù)，并作出相應(yīng)的控制指令調(diào)節(jié)現(xiàn)場環(huán)境因子使其保持科學(xué)性。數(shù)據(jù)存儲模塊主要是對現(xiàn)場的視頻數(shù)據(jù)、環(huán)境因子數(shù)據(jù)和一些分析報(bào)告進(jìn)行存儲，供管理人員查詢和分析。網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊由無線ZigBee和有線RS485結(jié)合GPRS組成，其功能是傳輸現(xiàn)場各子節(jié)點(diǎn)測得的數(shù)據(jù)信息，以供控制中心分析處理?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集模塊主要是采集棚內(nèi)空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、土壤溫濕度以及視頻數(shù)據(jù)等的采集和控制。動(dòng)作執(zhí)行模塊由自動(dòng)澆灌子模塊和卷簾控制子模塊組成，根據(jù)控制中心發(fā)出的命令作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)棚內(nèi)環(huán)境的動(dòng)作。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)見圖1。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 下位機(jī)系統(tǒng)

下位機(jī)位于控制環(huán)境現(xiàn)場，主要由環(huán)境信息采集模塊和動(dòng)作執(zhí)行模塊組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。下位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理與顯示，以及對溫室環(huán)境的調(diào)節(jié)，通過RS485、ZigBee以及GPRS將測得的棚內(nèi)參數(shù)傳送到上位PC機(jī)，并根據(jù)上位機(jī)的控制決策而產(chǎn)生動(dòng)作指令，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)；具有脫機(jī)運(yùn)行功能，可在上位機(jī)關(guān)機(jī)情況下獨(dú)立工作，管理人員或?qū)＜彝ㄟ^鍵盤預(yù)設(shè)環(huán)境參數(shù)及實(shí)時(shí)采集的環(huán)境參數(shù)，自主運(yùn)行下位機(jī)決策程序，實(shí)現(xiàn)棚內(nèi)自動(dòng)控制[4]。下位機(jī)自主控制流程見圖3。

2.2 數(shù)據(jù)采集控制模塊

2.2.1 傳感器的選擇 傳感器用來對棚內(nèi)空氣的溫濕度、土壤的溫濕度、光照強(qiáng)度和二氧化碳濃度等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。根據(jù)棚內(nèi)作物生長特點(diǎn)和環(huán)境要求，選擇精度較高、運(yùn)行穩(wěn)定、性價(jià)比較高的傳感器是十分必要的。本系統(tǒng)采用的是搜博公司SM2801B型土壤水分傳感器。SM2801B為搜博自主研發(fā)產(chǎn)品，采用工業(yè)級精密核心元件使其具有優(yōu)越的準(zhǔn)確性與長期穩(wěn)定性。該傳感器體積設(shè)計(jì)小巧，方便安裝和攜帶，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理且密封良好，不銹鋼探針保證適用性和廣泛性。土壤水分檢測傳感器可長期埋設(shè)于土壤和堤壩中使用，與數(shù)據(jù)采集器配合使用，可作為水分及溫度定點(diǎn)監(jiān)測或移動(dòng)測量儀器。SM2801實(shí)物及電路如圖4所示。采用WTA-100土壤溫度傳感器，該傳感器采用精密鉑電阻探頭制成，熱響應(yīng)時(shí)間少，減小了動(dòng)態(tài)誤差，可以準(zhǔn)確地測量土壤深層、淺層、表層的溫度，并且有著多種信號輸出格式。WAH-C10溫濕度傳感器，采用的是不銹鋼外殼，前端的對流口安裝了過濾網(wǎng)，可有效地阻擋污物，測量精度高，穩(wěn)定性好。WLS-TH100光照傳感器采用硅光原理，可測量全部太陽和天空向下的輻射，接收的信號經(jīng)過余弦修正，精度更高；還在傳感器的電纜上加載了一個(gè)電阻，使得傳感器的微安級電流轉(zhuǎn)換成毫伏級電壓信號。WSD-C200風(fēng)速傳感器采用堅(jiān)硬的抗腐蝕抗老化的熱塑性塑料，不銹鋼外殼并電鍍鋁，使儀器更加簡單和輕質(zhì)量；并且輸出信號為標(biāo)準(zhǔn)格式。圖5為土壤溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件實(shí)物。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集控制模塊 系統(tǒng)采用DMG-1數(shù)據(jù)采集控制模塊，其核心為16位超低功耗單片機(jī)。它采用MODBUS規(guī)約，該規(guī)約具有開放、文本易得、協(xié)議簡單等優(yōu)點(diǎn)，是一種通用的數(shù)據(jù)采集控制模塊。具備RS485接口和RE232接口，在使用RS485接口時(shí)具有更高的通信速率和更遠(yuǎn)的通信距離。

2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)架構(gòu)

本系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括開窗系統(tǒng)、拉幕系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)-濕簾降溫系統(tǒng)、溫室加溫系統(tǒng)、溫室灌溉系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)。這些系統(tǒng)通過上位機(jī)對數(shù)據(jù)采集控制模塊下達(dá)指令，利用電磁閥控制相應(yīng)的系統(tǒng)開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)軟件開發(fā)

本系統(tǒng)采用TI公司的CC2530無線芯片作為硬件支持和IAR公司的IAR Embedded Workbench集成編譯環(huán)境作為基礎(chǔ)，采用TI Z-Stack軟件作為操作系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上添加用來監(jiān)測棚內(nèi)環(huán)境的傳感器模塊參數(shù)讀取函數(shù)，其中包括土壤溫濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器和二氧化碳濃度傳感器等。傳感器數(shù)據(jù)的采集根據(jù)各傳感器芯片的數(shù)據(jù)手冊，安裝協(xié)議規(guī)定的步驟進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取。

3.1.1 IAR集成開發(fā)環(huán)境 IAR Embedded Workbench(簡稱EW)是一套強(qiáng)大的軟件開發(fā)工具，用于對匯編、C、C++編寫的嵌入式應(yīng)用程序進(jìn)行編譯和調(diào)試。該集成開發(fā)環(huán)境包含了IAR的C/C++優(yōu)化編譯器、匯編器、鏈接器、文本編輯器、文件管理器、項(xiàng)目工程管理器和C-SPY調(diào)試器[5]。程序通過其內(nèi)置的針對不同芯片的代碼優(yōu)化器，能夠?yàn)樘幚砥餍酒上喈?dāng)可靠和高效的FLASH/PROMable代碼。圖6為IAR開發(fā)環(huán)境主界面截圖。

3.1.2 ZigBee協(xié)議棧應(yīng)用 本網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)是基于TI公司提供的Z-Stack-CC2530-2.2.2-1.3.0協(xié)議棧開發(fā)包中包含的項(xiàng)目工程模板創(chuàng)建，在工程模板的應(yīng)用層框架中添加自己編寫的程序和功能函數(shù)模塊，同時(shí)TI公司項(xiàng)目工程模板中還提供了與CC2530芯片相關(guān)的底層函數(shù)庫，如ADC操作函數(shù)庫、UART操作函數(shù)庫等，用戶可以通過簡單的API接口函數(shù)調(diào)用來實(shí)現(xiàn)自己想要的功能。這樣就極大地方便了項(xiàng)目開發(fā)，有效地縮短了項(xiàng)目開發(fā)周期。Z-Stack按照IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)以及ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，主要包括以下幾個(gè)模塊：APP應(yīng)用層、HAL硬件抽象層、MAC媒體介質(zhì)訪問層、NWK網(wǎng)絡(luò)層、OSAL操作系統(tǒng)層和Service服務(wù)、Security安全和ZDO等模塊。Z-Stack協(xié)議棧采用了具有優(yōu)先級的事件輪詢機(jī)制，在系統(tǒng)初始化完成后即進(jìn)入系統(tǒng)休眠模式，如有事件發(fā)生，則系統(tǒng)被喚醒，然后按照優(yōu)先級的順序依次對觸發(fā)事件進(jìn)行處理，待所有事件處理完成后，系統(tǒng)將再次進(jìn)入休眠模式，開始等待下一事件喚醒。通過這種運(yùn)行機(jī)制，Z-Stack協(xié)議棧能有效降低系統(tǒng)功耗。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖O(shè)計(jì)

各傳感器節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)的采集和轉(zhuǎn)換后，剩下的工作就是把數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匯總處理。這就涉及到無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信了，傳感器節(jié)點(diǎn)以什么樣的格式和順序?qū)?shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器如何對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，那么就需要設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)通信的協(xié)議，也就是確定數(shù)據(jù)包的幀格式。

3.3 控制算法設(shè)計(jì)

基于棚內(nèi)控制方式，我們最終確定用模糊控制算法來設(shè)計(jì)農(nóng)業(yè)大棚智能管控系統(tǒng)。模糊控制又稱模糊邏輯，它是一種以模糊集合、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的控制技術(shù)。最早是由美國的扎德(L.A.Zadeh)在1965年提出了模糊集合論，并在1973年他給出了模糊邏輯控制的定義和相關(guān)的定理。1974年，英國的Mamdani首次將由模糊語句組成的模糊控制器控制蒸汽機(jī)和鍋爐，獲得了實(shí)驗(yàn)室的成功。圖7為模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

本系統(tǒng)將棚內(nèi)土壤溫濕度作為模糊控制系統(tǒng)的誤差變量，通過一系列的模糊控制規(guī)則運(yùn)算，最后設(shè)計(jì)出一張模糊控制表，將其存放在控制器的內(nèi)存中，系統(tǒng)通過采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)過分析及處理，得出模糊控制表中的數(shù)據(jù)作為輸出值來控制系統(tǒng)。

4 總結(jié)

日新月異的科學(xué)技術(shù)給農(nóng)業(yè)大棚帶來了更加光明的發(fā)展前景，使得農(nóng)業(yè)種植科學(xué)利用傳感器結(jié)合環(huán)境信息作出最優(yōu)控制策略，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的科學(xué)種植。本研究介紹了基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)大棚智能管控技術(shù)，采用分布式控制結(jié)構(gòu)，集中操作管理，相對獨(dú)立的設(shè)計(jì)思想，綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信和模糊控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)農(nóng)業(yè)大棚的智能管控。

[1]彭其圣，劉松齡.單片機(jī)溫室大棚種植參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)[J].中南民族大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004，23(2)：52-53，57.

[2]解永輝.基于PLC的智能溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2008.

[3]續(xù)玲玲，楊景常，郝明剛.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的社區(qū)心電監(jiān)護(hù)系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2012，32(2)：16-17.

[4]周建民，徐冬冬，周其顯，等.現(xiàn)代溫室監(jiān)控系統(tǒng)的主要架構(gòu)方案及發(fā)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38(3)：1440-1441.

[5]欒鑫穎.清華車用集成開發(fā)環(huán)境的研究與實(shí)現(xiàn)[D].長沙：湖南大學(xué)，2005.