胡傳干

隨著農(nóng)村城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)規(guī)?；同F(xiàn)代化水平的不斷提高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化的要求越來(lái)越高。設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化管控是實(shí)現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、高效化最為重要的環(huán)節(jié)之一，一直受到各國(guó)農(nóng)業(yè)專(zhuān)家和研究人員的高度重視。

為全面提升農(nóng)機(jī)化公共服務(wù)能力，江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備科技示范中心跟蹤國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，整合全省設(shè)施農(nóng)業(yè)優(yōu)勢(shì)資源，緊緊圍繞江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)、三農(nóng)科教基地建設(shè)，在江蘇現(xiàn)代農(nóng)機(jī)科技示范園建設(shè)智能溫室示范點(diǎn)控制系統(tǒng)，打造智能農(nóng)業(yè)管控中心和生態(tài)低碳、標(biāo)準(zhǔn)化的溫室示范點(diǎn)。

1 系統(tǒng)整體實(shí)施方案

該控制系統(tǒng)劃分為三個(gè)控制單元，是集室內(nèi)環(huán)境信息采集、視頻監(jiān)控、手動(dòng)控制、自動(dòng)控制、本地生產(chǎn)管理、WEB遠(yuǎn)程訪問(wèn)、手機(jī)移動(dòng)訪問(wèn)于一體的綜合管控平臺(tái)。可實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）通過(guò)風(fēng)機(jī)、補(bǔ)光燈、濕簾等基礎(chǔ)設(shè)施以及用于本地控制的PLC控制柜，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室中溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度的調(diào)控。

（2）通過(guò)溫室內(nèi)環(huán)境傳感裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。通過(guò)無(wú)線傳感器對(duì)溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)（光照、二氧化碳、溫濕度等）進(jìn)行采集，并由網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器，進(jìn)行后期分析處理。

（3）實(shí)現(xiàn)了水肥一體化和節(jié)水灌溉系統(tǒng)自動(dòng)化控制。通過(guò)輪灌，達(dá)到精細(xì)化、集約化灌溉的目的。

（4）實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室內(nèi)作物生長(zhǎng)狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控。每個(gè)溫室單元分別配備一臺(tái)高清云臺(tái)，通過(guò)監(jiān)控室服務(wù)器界面可以對(duì)溫室內(nèi)作物的生長(zhǎng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（5）實(shí)現(xiàn)對(duì)示范點(diǎn)溫室環(huán)境的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。管理人員通過(guò)遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)布的Web網(wǎng)頁(yè)向無(wú)線網(wǎng)關(guān)發(fā)送控制指令，再由網(wǎng)關(guān)將指令發(fā)送至控制節(jié)點(diǎn)，從而控制風(fēng)機(jī)、濕簾、內(nèi)外遮陽(yáng)等環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備。系統(tǒng)能夠在智能決策算法的驅(qū)動(dòng)下智能調(diào)控溫室環(huán)境參數(shù)。

（6）通過(guò)本地生產(chǎn)管理軟件平臺(tái)，用戶可在本地對(duì)基地中農(nóng)產(chǎn)品的溫室環(huán)境參數(shù)、溫室機(jī)構(gòu)控制、視頻回放等進(jìn)行全方位、多角度的控制。另外，用戶也能夠通過(guò)手機(jī)App、Web網(wǎng)頁(yè)等實(shí)現(xiàn)異地遠(yuǎn)程的溫室信息采集、分析以及設(shè)備控制等日常溫室管理工作。

2 系統(tǒng)硬件建設(shè)

系統(tǒng)的硬件主要由PC上位機(jī)、無(wú)線傳輸裝置和嵌入式下位機(jī)3部分構(gòu)成。

PC上位機(jī)主要由PC機(jī)、顯示器、蜂鳴器組成，主要完成各種功能控制。

下位機(jī)在本系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)環(huán)境參數(shù)的采集，由嵌入式系統(tǒng)、顯示裝置、采集裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。嵌入式系統(tǒng)由STM32F103RCT6型ARM微控制器構(gòu)成核心運(yùn)算單元，主要用來(lái)對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、顯示,并控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的動(dòng)作。此外，它還要對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，并發(fā)給無(wú)線發(fā)送模塊進(jìn)行發(fā)送。采集裝置由溫濕度傳感器DHT81、光強(qiáng)傳感器TSL2561、二氧化碳傳感器MG811組成，用于對(duì)各種環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和測(cè)量。下位機(jī)的處理器會(huì)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)對(duì)采集來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、優(yōu)化，最后輸出能使農(nóng)作物生長(zhǎng)達(dá)到最佳狀態(tài)的控制信號(hào)，從而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)光照、溫度、土壤濕度和二氧化碳濃度，使農(nóng)作物處于最佳的生長(zhǎng)環(huán)境中。

無(wú)線傳輸裝置由無(wú)線信號(hào)發(fā)送模塊、中央處理器和PC機(jī)“智能溫室控制中心”軟件中的數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊組成。無(wú)線發(fā)送模塊先將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，然后基于ZIGBEE協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至互聯(lián)網(wǎng)上。通過(guò)SMA擴(kuò)展接口外接SMA天線，可放大信號(hào)增加無(wú)線通訊距離。圖1為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要由上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件兩大部分組成。

上位機(jī)各種功能通過(guò)“智能溫室控制中心”軟件控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。該軟件由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理顯示模塊、圖形界面模塊、控制參數(shù)更新模塊、SQL數(shù)據(jù)庫(kù)等組成，主要用于數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制參數(shù)更新和自動(dòng)檢測(cè)報(bào)警。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

下位機(jī)軟件由應(yīng)用程序、驅(qū)動(dòng)程序和Linux操作系統(tǒng)3部分組成。當(dāng)整個(gè)下位機(jī)初始化后，運(yùn)行在Linux操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用程序首先會(huì)調(diào)入標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，接著會(huì)采集當(dāng)前的光強(qiáng)、二氧化碳濃度、濕度和溫度信號(hào)，然后會(huì)把當(dāng)前值和標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)一起加載到各自對(duì)應(yīng)的控制模塊中，最后處理器會(huì)對(duì)不同的采集模塊采取不同的控制方法。該系統(tǒng)特別引用預(yù)測(cè)控制方法，根據(jù)對(duì)象的歷史信息和未來(lái)輸入來(lái)預(yù)測(cè)其未來(lái)輸出。預(yù)測(cè)控制常用的控制算法有動(dòng)態(tài)矩陣控制(DMC)、模型算法控制(MAC)和模型預(yù)測(cè)啟發(fā)控制(MPHC)，各種算法都是建立在預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)優(yōu)化、反饋校正三項(xiàng)基本原理基礎(chǔ)上。系統(tǒng)選擇動(dòng)態(tài)矩陣控制算法，首先依據(jù)剛剛采集到的一系列數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，依據(jù)數(shù)學(xué)模型和輸出差值，通過(guò)反饋對(duì)輸入進(jìn)行反復(fù)滾動(dòng)修正，直至滿足精度要求。簡(jiǎn)言之，就是根據(jù)輸入的溫度和濕度量，通過(guò)最優(yōu)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的動(dòng)作，從而使農(nóng)作物所處環(huán)境的溫度和濕度達(dá)到農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的參數(shù)指標(biāo)要求。總的來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)會(huì)針對(duì)不同的環(huán)境參數(shù)采取不同的控制方法，從而使環(huán)境參數(shù)達(dá)到農(nóng)作物生長(zhǎng)所需的最好的參數(shù)指標(biāo)。

4 結(jié)論

該智能溫室示范點(diǎn)控制系統(tǒng)是針對(duì)目前我國(guó)溫室系統(tǒng)智能化現(xiàn)狀設(shè)計(jì)的一種基于嵌入式下位機(jī)、PC上位機(jī)、無(wú)線傳輸模式以及分散控制方法的智能溫室控制系統(tǒng)。由于采用了分散控制的方法，單個(gè)下位機(jī)依照PC機(jī)傳來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)就能夠獨(dú)立完成環(huán)境參數(shù)的采集和調(diào)控。PC上位機(jī)除了可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)嵌入式下位機(jī)的工作狀態(tài)外，還可以直接更新下位機(jī)工作所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，間接控制下位機(jī)的工作。此外，系統(tǒng)采用了基于ZIGBEE協(xié)議的無(wú)線傳輸方式，方便對(duì)下位機(jī)的監(jiān)控，提高了系統(tǒng)的靈活性，擴(kuò)大了適用范圍。