楊光 范志華 李愛琴 肖戟 劉洋

(吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，吉林 長春 130022)

引言

我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程發(fā)展迅速，農(nóng)業(yè)物資齊備，各地根據(jù)自己當(dāng)?shù)靥攸c普遍建設(shè)了溫室大棚，類型有日光溫室、塑料大棚，均可以為農(nóng)作物生長提供良好的生長環(huán)境。溫室設(shè)施、工程是農(nóng)業(yè)種植高效性的重要組成部分。

在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程中，溫室大棚種類較多，按類型分為薄膜單體拱冷棚，日光溫室暖棚，雙面坡溫室大棚，連棟溫室大棚，智能溫室棚；以上溫室大棚造價從幾十元每平方米至近千元每平方米不等。價格較高的是全智能溫室，根據(jù)農(nóng)戶需要建立一個適合農(nóng)作物生長的環(huán)境條件，創(chuàng)造一個人工環(huán)境，產(chǎn)生適當(dāng)?shù)臏囟取穸?，解除農(nóng)作物生長的環(huán)境限制。使不同的農(nóng)作物可以在非應(yīng)季的時節(jié)生長，以此來擺脫農(nóng)作物對自然條件的依賴，創(chuàng)造更高的價值。對于連棟大棚，這種全智能溫室一旦安裝成功，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)固定，如果再進(jìn)行變動或改動將會面臨很大難度，針對這種智能棚的高造價、靈活度差的問題，本項目研發(fā)一套可移動式的測控裝置，該裝置能夠靈活移動，其測控系統(tǒng)中的測量和控制部分均采用無線方式通訊，測量系統(tǒng)采用無線數(shù)據(jù)采集，控制系統(tǒng)可以串聯(lián)到溫室的控制箱，而數(shù)據(jù)的采集與處理通過移動車的上位工控機(jī)實現(xiàn)。工控機(jī)具有穩(wěn)定性強(qiáng)、在惡劣環(huán)境中工作，可以滿足測量和控制、數(shù)據(jù)采集與處理多種功能。在溫室環(huán)境控制方面能滿足環(huán)境要求，可以實現(xiàn)溫室環(huán)境的控制與設(shè)置。

為推動吉林省棚膜經(jīng)濟(jì)高效發(fā)展，吉林省政府出臺了《關(guān)于加快推進(jìn)全省棚膜經(jīng)濟(jì)發(fā)展的實施意見》。該意見提出要實施“百萬畝棚膜建設(shè)工程”，計劃用5～10年的時間，在2030年底實現(xiàn)吉林省棚膜經(jīng)濟(jì)總面積突破6.67萬hm2。因此，該項目的完成可加速助力吉林省棚模經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1 功能

1.1 空氣溫濕度、土壤溫濕度監(jiān)測

空氣的溫濕度和土壤的溫濕度是農(nóng)作物生長的關(guān)鍵指標(biāo)，除此以外有些輔助指標(biāo)也需要進(jìn)行測量，只有掌握了精準(zhǔn)的溫濕度等參數(shù)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，并能對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析運算、控制、存儲、發(fā)送，才能進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)確的控制，需要通過傳感器測量的參數(shù)有大棚室內(nèi)外空氣環(huán)境溫濕度、大棚內(nèi)部土壤的溫濕度等。本項目選用的高精度土壤溫濕度傳感器，產(chǎn)生4～20mA模擬信號。

1.2 光照度監(jiān)測

溫室大棚內(nèi)光線的強(qiáng)度通過光感和光敏傳感器進(jìn)行監(jiān)測記錄，通過無線傳輸技術(shù)將測量的數(shù)據(jù)傳送到移動監(jiān)測車的工控機(jī)，通過數(shù)據(jù)采集處理和分析可以控制補(bǔ)光系統(tǒng)、遮陽系統(tǒng)等設(shè)備，實現(xiàn)光度的控制，如果提前進(jìn)行過參數(shù)設(shè)置，則可以實現(xiàn)自動控制功能，在無人狀態(tài)下實現(xiàn)控制。

1.3 二氧化碳濃度監(jiān)測

在溫室大棚內(nèi)部署二氧化碳濃度傳感器，實時監(jiān)測溫室中二氧化碳的含量，當(dāng)濃度超過系統(tǒng)設(shè)定闕值范圍時，通過無線傳輸技術(shù)將相關(guān)數(shù)據(jù)傳送到移動監(jiān)測車，由相關(guān)工作人員做出相應(yīng)調(diào)整。

1.4 風(fēng)向、風(fēng)速監(jiān)測

可以根據(jù)需要進(jìn)行室外風(fēng)向、風(fēng)速監(jiān)測，實時測控數(shù)據(jù)傳入移動監(jiān)測車。

1.5 分區(qū)域檢測

為了滿足溫室實現(xiàn)不同種植作物的需求，將一個棚劃分出多個區(qū)域進(jìn)行控制管理，可實現(xiàn)測量不同區(qū)域內(nèi)每個種植區(qū)域不同的環(huán)境參數(shù)，實現(xiàn)不同環(huán)境技術(shù)指標(biāo)的控制。在采集數(shù)據(jù)后，用戶可以通過上位機(jī)來查詢、監(jiān)測、分析各區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù)。也可以根據(jù)不同需要對各個分區(qū)進(jìn)行單獨土壤環(huán)境控制。

1.6 數(shù)據(jù)保存

測量的數(shù)據(jù)可以根據(jù)客戶需要進(jìn)行保存，保存時間可以根據(jù)需要進(jìn)行提前設(shè)定。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

按照溫室大棚種植作物種類，可以將大棚地塊進(jìn)行分區(qū)，本項目進(jìn)行8塊區(qū)設(shè)置，由于測量距離沒有特殊要求，采用ZigBee無線傳輸技術(shù)即可實現(xiàn)信息傳遞的目的，由于該技術(shù)組網(wǎng)快捷，功率消耗小，能夠快速組建ZigBee測量控制網(wǎng)絡(luò)，測量的結(jié)果通過協(xié)調(diào)器與RS-485串口與上位機(jī)進(jìn)行連接通訊，采用LABVIEW軟件進(jìn)行采集分析數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果比對設(shè)置參數(shù)要求，通過無線技術(shù)遠(yuǎn)程再控制大棚中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作。由于本項目采用無線技術(shù)，需要測量4～20mA的傳感器信號，其終端傳感器和開關(guān)量采集卡需要采用蓄電池DC：12V供電。本項目需要測量參數(shù)有大氣壓力、風(fēng)向、風(fēng)速、土壤濕度、土壤溫度、空氣溫度、空氣濕度、CO2、光照。

2.1 基于zigbee技術(shù)的協(xié)議

本項采用ZigBee無線通訊模式，實現(xiàn)采集卡通過中繼與上位機(jī)進(jìn)行通訊。ZigBee技術(shù)是一種低數(shù)據(jù)傳輸速率的無線個域網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)的基本成員成為設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備按照各自作用的不同可以分為協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點和終端節(jié)點[1]。

表1 數(shù)據(jù)通信格式

圖1 集測量控制與一體的采集卡

PC發(fā)送以下數(shù)據(jù)：

0×2頭 0×30 0×36 目的ID