許鵬，賈民政，張鵬，王艷紅

（北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，北京，100042）

0 引言

目前設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境調(diào)控智能化研究已成為當(dāng)今世界各國展示農(nóng)業(yè)科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志。通過計(jì)算機(jī)控制與管理系統(tǒng)可以根據(jù)作物的特點(diǎn)和要求,對溫室內(nèi)光照、溫度、水、氣、肥等諸多因子進(jìn)行自動(dòng)調(diào)控,還可利用差溫管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)對花卉、果蔬等產(chǎn)品的開花和成熟期進(jìn)行控制, 以滿足生產(chǎn)和市場的需要。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，發(fā)達(dá)國家、地區(qū)的農(nóng)業(yè)智能化已具備了技術(shù)成套、設(shè)施設(shè)備完善、生產(chǎn)比較規(guī)范、產(chǎn)量穩(wěn)定、質(zhì)量保證性強(qiáng)等特點(diǎn), 形成了設(shè)施制造、環(huán)境調(diào)節(jié)、生產(chǎn)資材為一體的產(chǎn)業(yè)體系, 能根據(jù)動(dòng)植物生長的最適生態(tài)條件在現(xiàn)代化設(shè)施內(nèi)進(jìn)行四季恒定的環(huán)境自動(dòng)控制,使得不受氣候條件影響,實(shí)現(xiàn)了周年生產(chǎn)、均衡上市。

相對于發(fā)達(dá)國家我國在這些方面雖然也取得了不小的進(jìn)步，但是大多還處于簡單的機(jī)械化程度甚至較為原始的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。對其的環(huán)境管理還基本處于完全依賴于農(nóng)民個(gè)體的栽培經(jīng)驗(yàn)、學(xué)術(shù)水平和知識(shí)水平。由于我國以往長期處于粗放作業(yè)經(jīng)營模式，農(nóng)業(yè)精細(xì)化、標(biāo)注化、高效化與綠色化，保障農(nóng)產(chǎn)品安全、農(nóng)業(yè)競爭力提升和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展方面的經(jīng)驗(yàn)還不足。現(xiàn)有的溫室監(jiān)控系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用一般都采取PLC作為主控制器，與相應(yīng)傳感器組成監(jiān)控系統(tǒng)，來對溫室大棚的溫度、濕度、氣體濃度等參數(shù)進(jìn)行檢測。這些硬件設(shè)備一般均無開源擴(kuò)展多媒體應(yīng)用功能。如果后期想要對整個(gè)監(jiān)測、監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展或者增加新功能，增加新的開發(fā)需求，往往需要對整個(gè)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)進(jìn)行從新規(guī)劃、實(shí)施。操控界面往往都需要進(jìn)行組態(tài)軟件開發(fā)、配置。項(xiàng)目開發(fā)應(yīng)用的軟硬件成本都較高，廣大的中小型農(nóng)場、農(nóng)戶根本無法普遍采用。

綜上，開發(fā)一套成本低廉、使用簡易且又能滿足數(shù)字化、智能化控制要求的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)，從而真正能讓技術(shù)嵌入到普通溫室種植用戶中去，是有其非凡意義的。本發(fā)明著眼于較低成本的開源控制卡片式電腦，該控制器本身帶有豐富的I/O控制接口，既能滿足普通單片機(jī)控制器的所有控制要求，又兼顧了多媒體電腦的諸多處理能力。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)模塊化調(diào)用，功能升級(jí)方便，可操控性強(qiáng)。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)完全可滿足對作物生長環(huán)境的智能化控制和作物的科學(xué)管理,實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置,以達(dá)到作物穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)、高效的現(xiàn)代精細(xì)化農(nóng)業(yè)要求。

1 總體設(shè)計(jì)方案

針對以上現(xiàn)有技術(shù)開發(fā)的缺點(diǎn)與不足，本文提出的系統(tǒng)利用開源設(shè)計(jì)控制器RspberryPi4B作為核心控制單元,硬件單元成本低，功能多，產(chǎn)品成熟。控制單元已經(jīng)不單單是傳統(tǒng)控制單元那樣僅僅是一個(gè)控制器件，而是一臺(tái)具有豐富I/O接口的，名副其實(shí)的開源型控制電腦。系統(tǒng)基于Linux系統(tǒng)，具有代碼完全開源，工具鏈完整，簡單操作就可以配置出合適的開發(fā)環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，可以大大簡化開發(fā)過程，減少開發(fā)中仿真工具的障礙，而且使得開發(fā)的系統(tǒng)具有較強(qiáng)的移植性，便于系統(tǒng)后期一系列擴(kuò)展需求；軟件編程采用人工智能語言Python。它作為一種開源、高級(jí)解釋型語言，覆蓋語言理解各類需求解決方案，可快速調(diào)用接口，從而大大降低開發(fā)成本。同時(shí)具備嵌入式可移植性，支持面向?qū)ο?，有?qiáng)大的第三方支持庫。具有跨平臺(tái)操作性，支持常見所有平臺(tái)。界面開發(fā)采用Python自帶GUI（圖形用戶接口）工具tkinter，不用再專門應(yīng)用一類語言或者硬件進(jìn)行專門的圖形界面開發(fā)，在開發(fā)控制程序中就可以輕松完成人機(jī)交互圖形界面的開發(fā)，大大減少了圖形界面開發(fā)工作量。圖形界面簡單直觀，更適合農(nóng)業(yè)監(jiān)控應(yīng)用場合。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案框圖

該系統(tǒng)分為控制核心、傳感單元電路、控制電路三部分?？刂坪诵牟捎瞄_源電腦控制平臺(tái)，平臺(tái)自帶GPIO控制接口。傳感單元包括通過485有線連接和無線Lora通信兩種方式。無線通信需要通過智能采集器進(jìn)行485-lora-485的協(xié)議轉(zhuǎn)換?？刂破鲗?shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，采用模糊融合決策機(jī)制向相應(yīng)的控制電路發(fā)出控制命令，及時(shí)調(diào)節(jié)溫室內(nèi)各種環(huán)境因子以達(dá)到精細(xì)化種植需要的各種設(shè)定條件。

具體工作過程可以描述為：通過采集各點(diǎn)土壤溫濕度參數(shù)，決策是否該對作物進(jìn)行節(jié)水灌溉作業(yè)。灌溉溫濕度條件滿足冗余查詢條件時(shí)，停止灌溉作業(yè)；溫室空氣溫濕度環(huán)境監(jiān)測參數(shù)作為對通風(fēng)設(shè)備、空氣加溫加濕設(shè)備等是否啟動(dòng)以及排風(fēng)機(jī)組工作轉(zhuǎn)速狀態(tài)進(jìn)行控制判別條件；光照傳感器單元作為卷簾步進(jìn)電機(jī)工作狀態(tài)以及補(bǔ)光燈設(shè)備是否投入運(yùn)行的判別條件，進(jìn)行控制作業(yè)；氣體傳感器可根據(jù)所種作物光合作用最佳需求CO2及特殊需求氣體條件進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)參數(shù)超標(biāo)后即啟動(dòng)排風(fēng)電機(jī)組工作來進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2 傳感探測、顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

■2.1 傳感檢測單元設(shè)計(jì)

（1）光照傳感器

圖2 光照強(qiáng)度傳感變送器（Lora型）

該變送器是一款光精度感光變送器，感光元件：對弱光有較高反應(yīng)的感光元件；直流供電：10-30VDC；準(zhǔn)確度：±7%（25℃）；光照度傳感器是將光照度大小轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器，輸出數(shù)值計(jì)量單位為Lux。光是光合作用不可缺少的條件；在一定的條件下，當(dāng)光照強(qiáng)度增強(qiáng)后，光合作用的強(qiáng)度也會(huì)增強(qiáng)，但當(dāng)光照強(qiáng)度超過限度后，植物葉面的氣孔會(huì)關(guān)閉，光合作用的強(qiáng)度就會(huì)降低。因此，使用光照度傳感器控制光照度也就成為影響作物產(chǎn)量的重要因素。

從工作原理上講，照度傳感器是一種采用熱點(diǎn)效應(yīng)原理，這種傳感器最主要是使用了對弱光性有較高反應(yīng)的探測部件，這些感應(yīng)原件其實(shí)就像相機(jī)的感光矩陣一樣，內(nèi)部有繞線電鍍式多接點(diǎn)熱電堆，其表面涂有高吸收率的黑色涂層，熱接點(diǎn)在感應(yīng)面上，而冷結(jié)點(diǎn)則位于機(jī)體內(nèi)，冷熱接點(diǎn)產(chǎn)生溫差電勢。在線性范圍內(nèi)，輸出信號(hào)與太陽輻照度成正比。透過濾光片的可見光照射到進(jìn)口光敏二極管，光敏二極管根據(jù)可見光照度大小轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后電信號(hào)會(huì)進(jìn)入傳感器的處理器系統(tǒng)，從而輸出需要得到的二進(jìn)制信號(hào)。本傳感單元為了減小溫度的影響光照度傳感器還應(yīng)用了溫度補(bǔ)償線路，這樣很大程度上提高了光照度傳感器的靈敏度和探測能力。

圖3 二氧化碳、空氣溫濕度傳感器

（2）二氧化碳、空氣溫濕度一體傳感器

該設(shè)備采用新型紅外檢定技術(shù)進(jìn)行CO2濃度測量，具有測量準(zhǔn)確度高，漂移小，壽命長等優(yōu)點(diǎn)。默認(rèn)測量范圍達(dá)400-5000ppm，自帶溫度補(bǔ)償，受溫度影響小。10-30V寬壓供電，這里一般接入12V開關(guān)電源即可。工作溫度：-10℃～+50℃，工作濕度：0%RH～80%RH。外殼防護(hù)等級(jí)高，能適應(yīng)現(xiàn)場各種惡劣條件。

CO2測量范圍：400～5000ppm， 測量精度：±(40ppm+ 3%F·S) (25℃) 。溫度測量范圍：-40℃～80℃，溫度測量精度：±0.5℃。濕度測量范圍：0～100%RH，濕度測量精度：±3%RH。

當(dāng)溫室中需要多個(gè)測量點(diǎn)位時(shí)，多個(gè)485傳感單元可如圖4所示結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接配置。

圖4 多個(gè)設(shè)備接入485總線

（3）土壤溫溫濕度傳感器

圖5 土壤溫濕度傳感器（Lora型）

該溫濕度傳感器是土壤型專用傳感器。它體積微小，功耗極低。它把傳感元件和信號(hào)處理集成起來，輸出全標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)。該傳感器具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容性聚合體測濕敏感元件、一個(gè)用能隙材料制成的測溫元件，并在同一芯片上，與14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實(shí)現(xiàn)無縫連接。每個(gè)傳感器芯片都在極為精確的濕度腔室中進(jìn)行標(biāo)定，校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，在標(biāo)定的過程中使用。傳感器在檢測信號(hào)的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。兩線制的串行接口與內(nèi)部的電壓調(diào)整，使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡單。

該傳感單元在實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)掩埋于大棚土地表層下20cm處，一個(gè)大棚預(yù)設(shè)2個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)埋設(shè)2-3個(gè)設(shè)備便可精確監(jiān)測土地溫濕度數(shù)據(jù)。

■2.2 數(shù)據(jù)采集/轉(zhuǎn)換裝置

它的主要作用就是將無線Lora協(xié)議轉(zhuǎn)換為485總線傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)modbus協(xié)議輸出到客戶端的協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置。它可以采集多路無線傳感器數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的RTU協(xié)議從而連接到RspberryPi4B串行通信接口，完成主機(jī)對系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、傳輸功能。

系統(tǒng)各傳感單元modbus協(xié)議中各寄存器地址和內(nèi)容分配如表1所示。

圖6 數(shù)據(jù)采集器

表1 寄存器地址分配

■2.3 GUI設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)圖形用戶接口（GUI）使用的是Python3內(nèi)嵌的tkinter模塊設(shè)計(jì)相關(guān)程序。它提供了許多圖形接口，比如各種標(biāo)簽，菜單，按鈕等圖形化工具。應(yīng)用開發(fā)簡便，在使用前需要導(dǎo)入此模塊即可應(yīng)用。如下所示從tkinter庫中引入相關(guān)模塊。

系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)步驟及簡單的初始代碼可描述如下：

（1）建立窗口和標(biāo)簽

（2）設(shè)置相關(guān)功能按鈕

Button(父對象,options)

（3）設(shè)置不同監(jiān)測數(shù)據(jù)變量類別

系統(tǒng)監(jiān)測各環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定不同類別。tkinter模塊變量類別(Variable Classes)有4個(gè)子類別，通過這4個(gè)子類別的數(shù)據(jù)于模塊內(nèi)的Widget控制的相關(guān)參數(shù)結(jié)合已完全可滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)需要。4個(gè)數(shù)據(jù)類型設(shè)置如下：

a=IntVar #整型變量，默認(rèn)值為0

b=DoubleVar #浮點(diǎn)型變量，默認(rèn)值為0.0

c=StringVar #字符型變量，默認(rèn)為" "

d=BooleanVar #布爾型變量，True為1，F(xiàn)alse為0

（4）建立框架標(biāo)簽

LableFrame(父對象,options)

除了上面的基本步驟外還可以通過Tkinter建立多個(gè)事件進(jìn)行綁定，插入多個(gè)容器子控件以及進(jìn)一步編輯Menu和Toolbars來不斷完善交互界面設(shè)置。本系統(tǒng)GUI界面設(shè)置示意圖如圖7所示。

圖7 GUI界面示意圖

3 系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的控制方法采用一種融合粗糙集與證據(jù)理論的溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境控制決策方法，首先應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建溫室環(huán)境控制設(shè)施，采集溫室環(huán)境信息與控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行;然后采用模糊C均值聚類方法實(shí)現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)離散化，利用基于信息熵的屬性約簡算法對專家決策表進(jìn)行約簡，采用均值劃分的基本可信度分配函數(shù)獲得樣本在各焦元的基本可信度分配值:最后對各約簡屬性集進(jìn)行證據(jù)合成，依據(jù)最大基本可信度分配函數(shù)法，判定應(yīng)采取控制方法。具體數(shù)據(jù)處理步驟框圖如圖8所示。

圖8 數(shù)據(jù)處理及決策步驟

首先，依據(jù)具體的溫室環(huán)境信息，根據(jù)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)提供的溫室環(huán)境控制專家知識(shí)表中的數(shù)據(jù)，得到樣本數(shù)據(jù)。將每組樣本有6個(gè)條件屬性和1個(gè)決策屬性，其中6個(gè)條件屬性集包括溫度、濕度、光照度、土壤溫度、土壤濕度、二氧化碳濃度；決策屬性集包括1、2、3、4等四類，分別表示開卷簾、開卷簾并啟動(dòng)風(fēng)機(jī)、啟動(dòng)風(fēng)機(jī)并啟動(dòng)濕、無任何動(dòng)作。表2的數(shù)據(jù)蘊(yùn)含了溫室環(huán)境指標(biāo)和與之相對應(yīng)的控制決策之間的依賴關(guān)系，但這種依賴關(guān)系不經(jīng)過專業(yè)分析與計(jì)算，無法被系統(tǒng)和用戶理解與使用，也就難以用于控制決策的實(shí)施。

表2 專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)表

接下來，根據(jù)表2，對其數(shù)據(jù)逐步進(jìn)行分析與計(jì)算，來一步步地實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)組合情況下，保證正確、合理的決策措施的實(shí)施。第一步，要將連續(xù)的專家知識(shí)環(huán)境指標(biāo)離散化。采用模糊C均值聚類方法對連續(xù)屬性離散化，以滿足離散屬性的粗糙集學(xué)習(xí)方法。具體方法是按決策表的條件屬性逐個(gè)進(jìn)行聚類分析，對各屬性下的聚類結(jié)果按升序排序，將相應(yīng)的聚類類別作為其離散值。

這里的聚類數(shù)取4，與決策性集的類別數(shù)相等，算法返回值為4類的聚類中心和各樣本分別屬于4個(gè)聚類中心的隸屬度函數(shù)值，并根據(jù)以上兩個(gè)迭代公式，可求出各個(gè)溫室環(huán)境指標(biāo)的聚類中心值見表3（均保留4位有效數(shù)字）。

表3 各環(huán)境指標(biāo)的聚類中心值

再根據(jù)計(jì)算分別得到上述6個(gè)條件屬性的12個(gè)樣本連續(xù)屬性值分別屬于4個(gè)聚類中心的隸屬度函數(shù)值。分別得到六個(gè)隸屬度函數(shù)值表。

第二步，取樣本隸屬度值最大的類別作為樣本在該條件屬性上的取值，這樣就使得原始的連續(xù)變量空間被映射到離散的特征空間，從而獲得相應(yīng)的決策表。

第三步，再利用求核和利用信息熵的屬性約簡方法來對數(shù)據(jù)進(jìn)行約簡，再利用證據(jù)組合理論的推理方法分別得到基本可信度分配值和證據(jù)組合與決策表，見表4、表5。

表4 基本可信度分配值

表5 證據(jù)組合與決策

表中a～f、D分別表示前述的6個(gè)屬性條件以及決策類別，這里已經(jīng)經(jīng)過約簡只出現(xiàn)了a、c、f。m（1）～m（4）分別表示四種決策的基本可信度分配，m（Θ）表示不確定的基本可信度分配。

最后，從表5中系統(tǒng)可根據(jù)決策來確定聯(lián)動(dòng)策略，從而完成科學(xué)、精準(zhǔn)的控制工作。

4 結(jié)論

本論文中設(shè)計(jì)的溫室環(huán)境因素監(jiān)測系統(tǒng)采用了既是控制器，又是一臺(tái)便于工業(yè)應(yīng)用的卡片式開源電腦Raspi-4作為硬件控制核心，通過有線的485通信和無線Lora-485通信的各個(gè)傳感單元，對CO2濃度、光照強(qiáng)度、空氣溫濕度、土壤水分和濕度等溫室環(huán)境關(guān)鍵因子進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。軟件設(shè)計(jì)編程采用目前最受歡迎也是數(shù)據(jù)處理中常用的Python3，并對眾多監(jiān)測數(shù)據(jù)采用模糊-融合性算法，從而驅(qū)動(dòng)各種通風(fēng)機(jī)、卷簾機(jī)、加熱裝置及灌溉設(shè)備等相應(yīng)的電氣設(shè)備，達(dá)到對溫室環(huán)境因素精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化種植的最終目的。