喬曉輝，杜尚豐，徐 丹

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，北京100083)

0 引言

中國是一個農(nóng)業(yè)大國，隨著科技的發(fā)展及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟和普及，作為溫室生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)之一的溫室環(huán)境監(jiān)測與調(diào)控也向著與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的方向發(fā)展[1-4]。國內(nèi)實際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的傳統(tǒng)溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)大多采用PC機為上位機，單片機、PLC為下位機的上—下位機控制模式，這類下位機系統(tǒng)由于其處理器資源和性能有限，實時性不高，且系統(tǒng)穩(wěn)定性難以滿足用戶生產(chǎn)需求[4-5]。此外，溫室環(huán)境執(zhí)行機構(gòu)的控制大多采用開關(guān)控制，且控制方法單一。雖然國外溫室環(huán)境遠程測控技術(shù)比較成熟，自動化智能程度較高，但直接引進造價高、不適合我國溫室，難以普及[6-8]。本文擬設(shè)計開發(fā)溫室環(huán)境連續(xù)型調(diào)控系統(tǒng)，實現(xiàn)溫室執(zhí)行機構(gòu)的連續(xù)型控制，可通過互聯(lián)網(wǎng)將遠程計算機計算控制輸入傳給服務(wù)器，節(jié)約系統(tǒng)成本，還可為用戶開展遠程試驗研究提供平臺。

1 基本設(shè)計方案

該系統(tǒng)包括溫室環(huán)境現(xiàn)場測控、嵌入式服務(wù)器和遠程計算機監(jiān)控3個部分。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1工作原理

遠程計算機通過互聯(lián)網(wǎng)讀取存儲在服務(wù)器動態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)Wi_data.txt文件中的溫室內(nèi)外環(huán)境數(shù)據(jù)，經(jīng)過計算后將得出加熱量、通風(fēng)量、二氧化碳補給量和補光量，通過互聯(lián)網(wǎng)傳送給服務(wù)器。自動測控程序?qū)⒆x取數(shù)據(jù)區(qū)Ei_data.txt文件中的加熱量、通風(fēng)量、CO2補給量和補光量值，并將其發(fā)送給溫室現(xiàn)場測控部分的控制節(jié)點來控制溫室執(zhí)行機構(gòu)。

溫室現(xiàn)場測控部分完成溫室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度的采集并且累計存儲到服務(wù)器動態(tài)數(shù)據(jù)區(qū)中的Sensor_data.txt文件，將環(huán)境參數(shù)當(dāng)前值記錄到Wi_data.txt文件中。至此，遠程計算機通過服務(wù)器與溫室現(xiàn)場測控部分形成閉環(huán)完成遠程溫室測控。

1.2組成部分

溫室現(xiàn)場測控部分是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，主要包括溫室環(huán)境采集模塊、服務(wù)器和溫室執(zhí)行機構(gòu)控制模塊。嵌入式服務(wù)器是系統(tǒng)的重要組成部分，是連接遠程計算機和溫室現(xiàn)場的橋梁，選擇常用的ARM+Linux嵌入式操作系統(tǒng)[9-12]。遠程計算機完成控制算法的計算，充分利用溫室環(huán)境信息、溫室執(zhí)行機構(gòu)和作物的定量科學(xué)知識，將它們描述在動態(tài)模型中，計算出符合種植者目標(biāo)(通常是最大化經(jīng)濟效益)的控制量。

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)以NanoPC-T3嵌入式ARM開發(fā)板為核心，外加溫室環(huán)境信息采集節(jié)點、控制節(jié)點和電氣電路，系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖2所示。

2.1電氣電路設(shè)計

電氣電路是溫室現(xiàn)場控制的重要組成部分，其主要結(jié)構(gòu)如圖3所示。控制節(jié)點從服務(wù)器獲取控制輸入量傳入調(diào)壓器的信號輸入端，進而控制溫室的執(zhí)行機構(gòu)，即風(fēng)機、加熱爐、LED燈和二氧化碳發(fā)生器。

2.2環(huán)境采集節(jié)點

溫室環(huán)境采集節(jié)點可以實現(xiàn)溫室內(nèi)外環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，包括溫度、相對濕度、光照強度和二氧化碳濃度。電路板以單片機C8051F020為核心，集各種傳感器敏感元件于一體，實現(xiàn)溫室環(huán)境信息采集的功能。節(jié)點結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。

2.3控制節(jié)點

控制節(jié)點實現(xiàn)溫室執(zhí)行機構(gòu)的控制?？刂乒?jié)點接收由服務(wù)器傳來的經(jīng)遠程計算機計算得到的控制輸入，然后將控制輸入量經(jīng)由控制節(jié)點的2路DA輸出轉(zhuǎn)換為電壓信號傳送給電氣柜中的調(diào)壓器，經(jīng)調(diào)壓器輸出控制執(zhí)行機構(gòu)。

電路板以單片機C8051F020為核心，包含有兩路DA輸出來控制執(zhí)行機構(gòu)。控制節(jié)點結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5所示。

3 軟件設(shè)計

3.1傳感器節(jié)點

溫室傳感器節(jié)點的主要功能是進行室內(nèi)外環(huán)境數(shù)據(jù)的采集，當(dāng)收到服務(wù)器傳來的環(huán)境獲取指令后，以串口查詢的方式，將室內(nèi)外環(huán)境數(shù)值返回給服務(wù)器。系統(tǒng)軟件設(shè)計如圖6所示。主程序主要進行一些初始化工作；定時器中斷程序?qū)崿F(xiàn)看門狗復(fù)位、環(huán)境采集等功能；串口發(fā)送和接收子程序?qū)崿F(xiàn)單片機與服務(wù)器的通信功能。

3.2控制節(jié)點

控制節(jié)點的主要功能是不斷查詢串口，檢查是否收到服務(wù)器傳來的指令并判斷是哪種指令，若為執(zhí)行機構(gòu)狀態(tài)控制指令，則對相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)進行控制。控制節(jié)點軟件設(shè)計如圖7所示。

3.3嵌入式Web服務(wù)器設(shè)計

Web服務(wù)器由串口通信模塊和Web服務(wù)器守護模塊組成[13-16]。其中，串口通信模塊由溫室環(huán)境自動測控程序和遠程人工控制程序組成[17-18]。溫室環(huán)境采集程序每隔1 min采集溫室內(nèi)外環(huán)境信息，并將獲取到的有效數(shù)據(jù)以特定格式存儲到服務(wù)器的動態(tài)數(shù)據(jù)交換區(qū)的txt文件中。執(zhí)行機構(gòu)控制程序每隔1 min讀取服務(wù)器中Ei_data.txt，即遠程計算機計算得出的控制輸入對執(zhí)行機構(gòu)進行控制。遠程人工控制程序用于應(yīng)對用戶需要按照自身意愿進行遠程手動控制操作。

服務(wù)器守護模塊主要包含了嵌入式Web服務(wù)器、CGI腳本和信息可視化的HTML網(wǎng)頁3部分，實現(xiàn)了溫室環(huán)境信息實時瀏覽、視頻監(jiān)控、溫室執(zhí)行機構(gòu)控制方法選擇和遠程人工控制功能[19-22]。動態(tài)網(wǎng)頁的效果如圖8所示。

4 系統(tǒng)調(diào)試與運行

4.1測試環(huán)境

為測試系統(tǒng)的有效性和可靠性，將系統(tǒng)部署在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院環(huán)發(fā)所6樓溫室中，進行生菜生長的溫室調(diào)控試驗。試驗過程中選擇溫室內(nèi)外溫度、濕度、光照度和二氧化碳濃度為測量因子。

4.2試驗結(jié)果

選取2019年5月3—7日的試驗數(shù)據(jù)以10 min為時間間隔選取數(shù)據(jù)點，繪制溫室環(huán)境因子變化曲線，如圖9～12所示。

在試驗期間系統(tǒng)運行連續(xù)穩(wěn)定且能夠獲取準(zhǔn)確可靠溫室內(nèi)外環(huán)境信息數(shù)據(jù)，但未來還需長期測試檢驗運行狀況。另在試驗過程中記錄了生菜的生長狀況，也可以根據(jù)其生長狀況科學(xué)有效地調(diào)整控制策略以滿足用戶的需求。生菜生長狀況如圖13、14所示。

5 結(jié)論

(1)遠程監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)溫室的實際情況選擇合適的控制方法，并且能夠設(shè)定溫室環(huán)境因子的給定值等。

(2)系統(tǒng)的功能豐富，在實現(xiàn)溫室環(huán)境因子的檢測外，還可以通過網(wǎng)絡(luò)攝像頭實時觀察生菜長勢和溫室運作狀態(tài)。

(3)由于本系統(tǒng)的信息是基于嵌入式Web服務(wù)器發(fā)布的，因而用戶只需要通過PC、平板或手機等可以接入互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備，即可訪問此服務(wù)器，實現(xiàn)對溫室的監(jiān)控。