孫昌權(quán)，劉永華，黃 鋒

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 句容 212400）

0 引 言

草莓溫室大棚種植技術(shù)可以使草莓在不適合生長的季節(jié)里生長，減弱季節(jié)天氣變化對草莓生長的影響，使草莓部分或完全脫離對自然環(huán)境的依賴，提高產(chǎn)量，從而實現(xiàn)草莓增產(chǎn)、農(nóng)民增收。目前大多數(shù)溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，其開發(fā)過程一般是先由用戶向系統(tǒng)設(shè)計人員描述溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程，提出自己的需求，系統(tǒng)設(shè)計人員從中提取有關(guān)的信息，并建立自己的數(shù)學(xué)模型，直至編碼生成最終的監(jiān)控系統(tǒng)。這個過程一般比較漫長,需要付出大量的財力、人力和時間，而且用戶一旦提出更改要求，系統(tǒng)所進(jìn)行的完善性維護(hù)和適應(yīng)性維護(hù)，都是上述過程的重復(fù)。因此，為了減少開發(fā)時間和降低開發(fā)成本，就必須優(yōu)化開發(fā)過程。

組態(tài)軟件的應(yīng)用省去了許多中間環(huán)節(jié)，監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)過程變?yōu)橛捎脩粝蛴嬎銠C(jī)描述農(nóng)業(yè)現(xiàn)場情況，提出自己的要求，計算機(jī)根據(jù)這些內(nèi)部描述直接生成實際的面向特定溫室對象的監(jiān)控系統(tǒng)。組態(tài)系統(tǒng)通過優(yōu)化開發(fā)過程，使用戶能以盡量少的投入獲得一個比較完善的、易維護(hù)的溫室監(jiān)控系統(tǒng)，從而促進(jìn)溫室監(jiān)控系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。

本文在草莓溫室大棚生產(chǎn)中引入基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立溫室的無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)草莓溫室大棚內(nèi)溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照度等環(huán)境因素實時采集、無線傳輸以及溫室執(zhí)行機(jī)構(gòu)的遠(yuǎn)程控制，對于提高草莓高效、優(yōu)質(zhì)生產(chǎn)以及實現(xiàn)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

該項目具體實施地點為江蘇省農(nóng)博園草莓種植基地，該基地由現(xiàn)代玻璃溫室大棚和塑料薄膜連棟大棚共同組成，總占地面積5000 m2。整個大棚需要實現(xiàn)智能化控制功能和遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。根據(jù)溫、光、水、氣等環(huán)境參數(shù)的變化，可以自動或手動對風(fēng)機(jī)、濕簾、天窗等執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，營造草莓生長的最佳環(huán)境。遠(yuǎn)程監(jiān)控功能在有網(wǎng)絡(luò)的任何地方能通過手機(jī)或計算機(jī)實現(xiàn)對大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照、CO2等環(huán)境因子進(jìn)行遠(yuǎn)程智能化監(jiān)測和控制，同時通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以了解大棚內(nèi)草莓生長的具體情況，實現(xiàn)在任何地方都能掌握草莓生長的情況并進(jìn)行合理的控制。

草莓溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)主要起到的是監(jiān)視和控制的作用，通過Zigbee 無線傳感器采集系統(tǒng)將溫度、濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度的信息傳輸?shù)焦た貦C(jī)上的組態(tài)軟件，工控機(jī)根據(jù)環(huán)境參數(shù)和控制方案控制執(zhí)行部件動作，系統(tǒng)自動采集執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀況，對異常情況進(jìn)行報警。系統(tǒng)主要實現(xiàn)的功能有：實時檢測草莓大棚中的溫度、濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度參數(shù)；實時顯示溫室執(zhí)行部件的狀態(tài)；在線設(shè)定溫度、濕度等參數(shù)的上限下限值以及設(shè)備執(zhí)行的延遲時間；各參數(shù)的實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線；實時數(shù)據(jù)庫、歷史數(shù)據(jù)報表的查詢和打印功能；具有用戶管理功能，不同操作人員有各自賬號密碼，有不同操作權(quán)限；自動控制功能，PLC 輸出控制信號控制執(zhí)行部件，使環(huán)境參數(shù)在用戶所設(shè)區(qū)間內(nèi)；故障報警功能，當(dāng)數(shù)據(jù)出錯，執(zhí)行部件狀態(tài)顯示出錯時故障報警。

系統(tǒng)采用安裝ForceControl V6.1 組態(tài)軟件的工控機(jī)作為上位機(jī)，通過Modbus 通信協(xié)議與Zigbee數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通訊，采集溫室當(dāng)前環(huán)境參數(shù)，通過RS485 串行通信接口與下位機(jī)PLC 進(jìn)行通信，進(jìn)而根據(jù)控制決策通過輸出接口對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行過程控制。系統(tǒng)還具有手動/自動的切換功能，當(dāng)需要時直接通過手動開關(guān)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使系統(tǒng)具有高可靠性。通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可知，需要用到基于Zigbee 的溫度、濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度4 種無線傳感器，并設(shè)計Zigbee的智能無線網(wǎng)關(guān)，通過MODBUS 通信協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通信；上位機(jī)與PLC 通訊，通過PLC控制繼電器接觸器，進(jìn)而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)；通過三維力控軟件開發(fā)人機(jī)交互界面，對環(huán)境參數(shù)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行顯示，進(jìn)行自動控制等?？偨Y(jié)起來需要用到得技術(shù)有Zigbee傳感器節(jié)點和網(wǎng)關(guān)電路設(shè)計、三維力控組態(tài)界面的開發(fā)。系統(tǒng)方案如圖2 所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 Zigbee 無線網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計

Zigbee 無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點既充當(dāng)Zigbee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕尤朦c設(shè)備，同時又起到連接無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和外部網(wǎng)絡(luò)的作用。因此，網(wǎng)關(guān)節(jié)點主要由LPC1114 微控制器、無線通信模塊（SZ05-STD Zigbee無線串口通信模塊）、以太網(wǎng)通信模塊及外圍電路等組成。硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)框圖以太網(wǎng)接入模塊負(fù)責(zé)網(wǎng)關(guān)節(jié)點與控制中心連接通信，無線通信模塊負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)建立以及數(shù)據(jù)傳輸，JTAG 接口和USART 接口用于網(wǎng)關(guān)調(diào)試軟件。設(shè)計的Zigbee 無線網(wǎng)關(guān)實物如圖3 所示。

2.2 SZ05-STD Zigbee 無線串口通信模塊原理圖設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)硬件設(shè)計方案，設(shè)計無線傳感器網(wǎng)關(guān)模塊和各環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點的硬件，以實現(xiàn)通過射頻信號的收發(fā)來進(jìn)行各環(huán)境參數(shù)的采集、無線傳輸和匯聚于上位機(jī)的功能。

在無線傳感器系統(tǒng)中，本設(shè)計選用的是上海順舟智能科技股份有限公司的SZ05-STD Zigbee 無線串口通信模塊，如圖4 所示。該模塊采用了加強(qiáng)型的Zigbee 無線技術(shù)，集成了符合Zigbee 協(xié)議的射頻收發(fā)器和微處理器，符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的無線數(shù)據(jù)通信設(shè)備，它具有通訊距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點和特性。SZ05-STD Zigbee 無線串口通信模塊與LPC1114 微控制器連接如圖5 所示。

2.3 以太網(wǎng)通訊模塊設(shè)計

RS232/RS485 轉(zhuǎn)以太網(wǎng)模塊式使TCP 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包或UDP 數(shù)據(jù)包與RS232 或RS485 接口實現(xiàn)透明傳輸。如圖6 所示。

3 組態(tài)軟件設(shè)計

在三維力控組態(tài)軟件中完成設(shè)備通信和I/O 數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建后，根據(jù)系統(tǒng)的需求在組態(tài)軟件中進(jìn)行監(jiān)控界面的開發(fā)，組態(tài)軟件的監(jiān)控界面是人機(jī)交互的重要媒介。力控軟件為界面的開發(fā)提供了各種各樣的組件和非常豐富的圖庫，使界面的開發(fā)變得方便快捷，而且開發(fā)出的界面豐富多彩。

在組態(tài)監(jiān)控界面中，主要包括用戶管理、自動控制、手動控制、歷史參數(shù)、趨勢曲線、設(shè)備狀態(tài)、故障報警、時間監(jiān)控以及傳感器參數(shù)采集等功能。

3.1 用戶管理

在用戶管理的界面中，有登錄、注銷、修改用戶密碼、添加用戶和進(jìn)入系統(tǒng)5個按鍵，并在該界面中可以顯示用戶名和用戶等級，如圖7 所示。

用戶管理腳本語言。

3.2 環(huán)境參數(shù)顯示與設(shè)定功能

環(huán)境監(jiān)控畫面顯示通過Zigbee 無線傳感器采集的環(huán)境參數(shù)當(dāng)前值，還可以顯示執(zhí)行部件的當(dāng)前狀態(tài)，如圖8 所示。

3.3 自動控制

自動控制界面中可以觀察到各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和傳感器傳回的參數(shù)，在該界面中還放置了手/自動控制旋鈕，可實現(xiàn)手/自動的切換，界面如圖9 所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行

4.1 Zigbee 無線網(wǎng)關(guān)與傳感器通訊測試

設(shè)置虛擬串口號為COM1，工具軟件的端口號也設(shè)置成COM1。此時通過“單次”、“循環(huán)”即讀取相應(yīng)無線設(shè)備的數(shù)據(jù)。當(dāng)整個系統(tǒng)有幾個無線傳感器時，可以通過循環(huán)讀取地址的方式來查詢當(dāng)前設(shè)備地址，從而通過無線網(wǎng)關(guān)將Zigbee 無線傳感器參數(shù)采集上來，采集效果如圖10 所示。經(jīng)測試，該系統(tǒng)采集的環(huán)境參數(shù)值準(zhǔn)確，工作性能穩(wěn)定，具有較強(qiáng)的可靠性。

4.2 應(yīng)用效果測試

通過上述功能測試，本系統(tǒng)能夠?qū)τ脩暨M(jìn)行管理，提高系統(tǒng)的安全性?；竟δ苤协h(huán)境參數(shù)顯示正常，使操作人員能夠直觀的感受到環(huán)境的變化情況，在自動控制的輔助下，將溫室中溫度、濕度、CO2濃度、光照度等環(huán)境參數(shù)控制在設(shè)定的范圍內(nèi)，手動控制可以通過界面中的模擬開關(guān)對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。在歷史參數(shù)界面中可以看到環(huán)境參數(shù)的歷史變化，并且可以進(jìn)行查詢、打印和導(dǎo)出等操作，在故障報警界面中可以查詢到歷史故障，并能夠顯示故障原因。

系統(tǒng)總體運(yùn)行穩(wěn)定，人機(jī)交互界面簡潔明了，操作難度低，能夠達(dá)到用戶要求?，F(xiàn)場效果圖如圖11和圖12 所示。