山地農(nóng)業(yè)大棚測控系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)試驗(yàn)

秦 中，劉彥賓，葛耿育

（遵義師范學(xué)院信息工程學(xué)院，貴州遵義563006）

在西南地區(qū)的山地發(fā)展高效生態(tài)農(nóng)業(yè)種植存在諸多影響因素[1,2]。因地制宜地搭建農(nóng)業(yè)大棚、合理利用山地的自然氣候條件和水土資源、為耕種人員和農(nóng)作物營造舒適的耕種環(huán)境從而避免季節(jié)性干旱造成的農(nóng)作物減產(chǎn)是山地發(fā)展高效農(nóng)業(yè)的有效途徑之一。

作者采用農(nóng)業(yè)大棚與現(xiàn)代信息測控技術(shù)相結(jié)合，對大棚內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制，構(gòu)建了適合于山地特點(diǎn)的農(nóng)業(yè)大棚網(wǎng)絡(luò)觀測與控制系統(tǒng)，準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地提供可調(diào)控信息服務(wù)[3,4]，進(jìn)一步改善了高效山地農(nóng)業(yè)的耕種條件。

作者針對測控裝備的應(yīng)用技術(shù)系統(tǒng)集成問題，分析了在農(nóng)業(yè)大棚種植環(huán)境設(shè)計(jì)、無線傳感器組網(wǎng)調(diào)試、服務(wù)器聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)中遇到的問題，設(shè)計(jì)了農(nóng)業(yè)大棚數(shù)據(jù)采集、聯(lián)網(wǎng)傳輸及控制方案，檢驗(yàn)了有關(guān)測控環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸處理情況，并對設(shè)計(jì)的可行性進(jìn)行了評估。

1 農(nóng)業(yè)大棚的任務(wù)

西南某山谷內(nèi)建有農(nóng)業(yè)種植大棚近百間，此前已開展了多年的蔬菜種植工作，但尚未安裝自動(dòng)測控系統(tǒng)，管網(wǎng)供水及大棚窗戶均由人工控制，面臨操作調(diào)控效率方面的困難。通過實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，影響到棚內(nèi)農(nóng)作物種植的環(huán)境因素復(fù)雜多變，包括陽光、氣溫、雨水、土壤養(yǎng)分、雜草、微生物等，特別是人工水分供應(yīng)與農(nóng)作物的水分需求過程難免出現(xiàn)偏差，土壤水分制約農(nóng)作物生長的現(xiàn)象比較突出[5,6]。有效調(diào)節(jié)水分的保障供應(yīng)能力，尤其顯得重要。

農(nóng)業(yè)大棚技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)際上是為農(nóng)作物建立更加適宜其生長的良好環(huán)境，避免自然環(huán)境條件變化的不利因素影響，進(jìn)一步提高農(nóng)作物的品質(zhì)和產(chǎn)量。由于大棚系統(tǒng)的復(fù)雜性，為了降低人工操作復(fù)雜系統(tǒng)功能的難度，利用傳感器及時(shí)獲取重要的、直觀的有效信息，有助于人工順利辦理棚內(nèi)具體的勞動(dòng)事務(wù)。

山地的高效農(nóng)作物種植事務(wù)，是一項(xiàng)比較復(fù)雜的系統(tǒng)工程。雖然高效農(nóng)業(yè)種植已在棚內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)采集及高速網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面早已提出了技術(shù)需求，但是目前山地農(nóng)業(yè)大棚種植的測控系統(tǒng)的配套建設(shè)力度，還處于相對滯后的階段。難點(diǎn)并不只是棚內(nèi)環(huán)境影響因素的數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù)復(fù)雜，還包括人力勞動(dòng)在內(nèi)有關(guān)農(nóng)作物生長過程的協(xié)調(diào)事務(wù)，諸如“播種育苗、翻地、移栽、清理雜草、供水、施肥、滅蟲、收獲、貯藏或銷售”等一系列具體勞動(dòng)。

2 系統(tǒng)功能定義

2.1 系統(tǒng)功能定義

由于農(nóng)業(yè)大棚測控系統(tǒng)是包括“耕種人員、耕地面積、光照氣溫、種子育苗、肥料水分、除草滅蟲、收獲存儲、質(zhì)量檢測、通告公告、事件預(yù)警”等一系列數(shù)據(jù)信息基礎(chǔ)上的測控功能集成，本次測控系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的原始數(shù)據(jù)類型，主要來源于溫濕度等傳感器產(chǎn)生的數(shù)字信號，以及系統(tǒng)程序根據(jù)接收數(shù)據(jù)自動(dòng)判斷發(fā)出的控制器開關(guān)指令。

測控系統(tǒng)的服務(wù)功能定義：(1)服務(wù)對象是指具有一定農(nóng)業(yè)種植經(jīng)驗(yàn)及設(shè)備操作控制能力的工作人員（要求能操作測控設(shè)施，在系統(tǒng)可能出現(xiàn)意外情況下可及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案）及棚內(nèi)環(huán)境。(2)觀測數(shù)據(jù)包括光照強(qiáng)度、溫濕度，以及土壤水分含量。(3)人員進(jìn)出應(yīng)有感應(yīng)記錄。(4)充分重視控制器及電源的安全問題，即棚內(nèi)部分的電源可使用低壓電(12V及以下)或新能源[7]，以避免任何可能因操作失誤導(dǎo)致人員傷亡。

2.2 數(shù)據(jù)服務(wù)定義

本次測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程設(shè)計(jì)是：（1）將前端傳感器獲得的數(shù)字信號為起始階段。（2）原始數(shù)據(jù)經(jīng)無線傳送到采集站點(diǎn)。（3）通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到達(dá)服務(wù)器保存。（4）由服務(wù)器內(nèi)決策程序自動(dòng)判斷產(chǎn)生控制器開關(guān)指令。（5）發(fā)送控制器開關(guān)指令到大棚附近的網(wǎng)絡(luò)終端站點(diǎn)。（6）最后以無線傳送方式傳送指令給指定位置的控制器。至此，完成一次測控工作周期（30秒以內(nèi)）。

原始數(shù)據(jù)需要經(jīng)過兩次處理之后，才會送達(dá)服務(wù)器貯存。其一是在數(shù)據(jù)采集站進(jìn)行的初步處理，在此設(shè)立處理的優(yōu)點(diǎn)是可避免無效數(shù)據(jù)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，減少網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量；其二是在服務(wù)器環(huán)節(jié)的高級處理（合理性校驗(yàn)）。

控制決策程序所需要調(diào)用的數(shù)據(jù)，一方面可從數(shù)據(jù)接收處理程序的變量中獲得，另一方面也可按自有巡查周期，從存貯的數(shù)據(jù)文件（庫）內(nèi)讀取。前者的程序調(diào)試難度較大，后者則可以獨(dú)立方式運(yùn)行。控制器的執(zhí)行情況，需要向服務(wù)器反映消息，當(dāng)然，這一點(diǎn)也可通過此后采集到的數(shù)據(jù)中觀察到控制效果。

模型的可視化使得進(jìn)度控制變得更加容易，對項(xiàng)目管理非常有利。在模型審查中，一些多專業(yè)交叉的問題會暴露出來，設(shè)計(jì)人員可以及時(shí)修改設(shè)計(jì)。儀表專業(yè)施工中發(fā)生概率較高的電纜槽板與管道碰撞等問題，通過三維建模和模型審查，完全可以在設(shè)計(jì)階段發(fā)現(xiàn)和解決，從根本上杜絕了該類問題的發(fā)生。

3 功能模塊設(shè)計(jì)

3.1模塊功能劃分

根據(jù)常規(guī)的數(shù)據(jù)觀測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[8,9]，可將農(nóng)業(yè)大棚測控系統(tǒng)劃分為以下六個(gè)模塊：

（1）農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境的圖形圖像表達(dá)。建立大棚立體透視圖，對傳感器及控制器的位置給予編碼和定位顯示。

（2）種植人員的數(shù)據(jù)信息。將參與種植的勞動(dòng)人員基本情況，預(yù)先裝入服務(wù)器數(shù)據(jù)文件（數(shù)據(jù)庫），用熱釋電人體傳感器實(shí)時(shí)記錄人員的進(jìn)出情況。

（3）播種及育苗的數(shù)據(jù)報(bào)送。各季選種的農(nóng)作物類型與大棚內(nèi)劃分的地塊編號，采取人工方式向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器填報(bào)。

（4）氣溫與通風(fēng)調(diào)節(jié)。為了適應(yīng)夏季氣溫高和冬季低溫凝凍的棚外氣候條件，可根據(jù)棚內(nèi)溫濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)窗戶啟閉幅度，以調(diào)整通風(fēng)條件發(fā)揮一定的調(diào)溫效果。

（5）水分(肥料)的調(diào)配供應(yīng)。根據(jù)土壤水分傳感器數(shù)據(jù)及管網(wǎng)控制器確定供水時(shí)間長短，這主要是依據(jù)農(nóng)作物生長期的需水過程線[5]，肥料適時(shí)溶入水內(nèi)隨管網(wǎng)配送。

3.2 程序代碼設(shè)計(jì)

編程語言的選擇。前端傳感器與單片機(jī)的連接選用C語言在大棚內(nèi)建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，自動(dòng)采集光照強(qiáng)度、氣溫、土壤水含量、人體感應(yīng)等參數(shù)，然后數(shù)據(jù)經(jīng)過中轉(zhuǎn)端 PC機(jī)連接互聯(lián)網(wǎng)（或GPRS），將其傳送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器[10]。

對比預(yù)存可供判斷處理的農(nóng)作物生長環(huán)境條件要求及可供調(diào)控比較的對應(yīng)參數(shù)閾值，在代碼編程實(shí)現(xiàn)時(shí)，按三級控制權(quán)限（服務(wù)中心、控制站，傳感器與控制器的內(nèi)聯(lián)），向控制終端發(fā)出調(diào)控指令。

服務(wù)器端的程序軟件，宜選用具有圖形圖像、數(shù)據(jù)庫處理功能的VisualC++編程環(huán)境編寫程序。在服務(wù)器端的程序設(shè)計(jì)時(shí)，是通過指定端口接收并存儲來自大棚內(nèi)的傳感器數(shù)據(jù)，另設(shè)有提供用戶查詢的數(shù)據(jù)服務(wù)通道。

用戶端的程序設(shè)計(jì)主要是接通服務(wù)器，調(diào)用數(shù)據(jù)查詢功能，也可直接接收服務(wù)器實(shí)時(shí)分發(fā)的大棚采集數(shù)據(jù)或控制指令。此外，管理員也可以通過服務(wù)器向大棚發(fā)送人工控制指令，操作棚內(nèi)可控設(shè)備開關(guān)。

采集器的程序設(shè)計(jì)是使用無線單片機(jī)(CC2530)分別連接傳感器，組成星型網(wǎng)點(diǎn)輪詢式數(shù)據(jù)采集模型，并在2.4GHz頻段上傳到協(xié)調(diào)器。控制器亦為CC2530開發(fā)板，只是內(nèi)控程序不同，是由PC機(jī)經(jīng)過串口發(fā)送指令給該控制器，實(shí)現(xiàn)對可控設(shè)施的操作。

4 統(tǒng)集成分析

本次農(nóng)業(yè)大棚測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)地集成試驗(yàn)，經(jīng)歷了反復(fù)測試其功能并不斷完善的過程。大體上是將大棚農(nóng)作物測控系統(tǒng)工程劃分為七個(gè)環(huán)節(jié)：(1)功能列舉定義。(2)模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。(3)單項(xiàng)程控測試。(4)功能器件連接。(5)程序集成測試。(6)系統(tǒng)運(yùn)行服務(wù)（模擬）。(7)系統(tǒng)功能升級等技術(shù)處理階段。前五項(xiàng)屬于系統(tǒng)的研發(fā)測試準(zhǔn)備，真正發(fā)揮實(shí)際效用的是“系統(tǒng)運(yùn)行服務(wù)”階段。若運(yùn)行期間出現(xiàn)系統(tǒng)功能方面的問題，則可通過“系統(tǒng)升級”加以改進(jìn)。

測試時(shí)主要采用周期輪詢式的數(shù)據(jù)采集方法，這對于控制時(shí)效性要求不高的大棚（數(shù)十秒內(nèi)輪詢一次）還是比較實(shí)用的。最初在測試時(shí)，是將數(shù)據(jù)采集匯總與控制指令下發(fā)共用同一頻率通道，后來經(jīng)過調(diào)整，重新優(yōu)化了PC機(jī)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)，即通過串口連接兩個(gè)協(xié)調(diào)器，分別執(zhí)行采集和控制功能，思路效果更清晰一些，可減少程序優(yōu)化集成調(diào)試的難度。

系統(tǒng)在運(yùn)行提供服務(wù)的過程中，為了確保各類數(shù)據(jù)報(bào)送、發(fā)布及時(shí)準(zhǔn)確，增強(qiáng)農(nóng)業(yè)大棚測控系統(tǒng)的正常服務(wù)功能，還需要有關(guān)農(nóng)業(yè)種植專業(yè)技術(shù)人員、種植農(nóng)戶的參與合作。

5 結(jié)論與展望

本次在西南山區(qū)某地點(diǎn)進(jìn)行的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用的聯(lián)網(wǎng)調(diào)試情況表明，在編程設(shè)計(jì)調(diào)用硬件測控功能方面，至少需要四個(gè)環(huán)節(jié)的程序需要調(diào)試，才能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能集成：（1）單片機(jī)接收傳感器數(shù)據(jù)后，通過串口轉(zhuǎn)發(fā)給互聯(lián)網(wǎng)采集站（PC機(jī)或 GPRS 模塊）。（2）服務(wù)器接收(或分發(fā))數(shù)據(jù)，同時(shí)處理數(shù)據(jù)存儲方式。（3）網(wǎng)絡(luò)客戶端(或控制端)的程序調(diào)試。（4）控制設(shè)備終端的調(diào)控程序。

此四個(gè)及以上環(huán)節(jié)的程序，由于是在不同地方的設(shè)備運(yùn)行，需要有相應(yīng)的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送。值得一提的是，為數(shù)據(jù)采集與控制指令分別建立各自的傳輸通道，在編程調(diào)試時(shí)通信協(xié)議的邏輯關(guān)系會更清晰一些，可降低程序編碼及后期系統(tǒng)集成的難度。

西南山區(qū)發(fā)展高效農(nóng)業(yè)的重要基礎(chǔ)之一是實(shí)用型農(nóng)業(yè)大棚測控系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)及應(yīng)用，這可是一項(xiàng)比較復(fù)雜的軟硬件集成技術(shù)。系統(tǒng)開發(fā)與測試需要參與人員緊密合作，分別針對有關(guān)技術(shù)環(huán)節(jié)展開多級測試；若有分工合理的專業(yè)開發(fā)隊(duì)伍，建成比較理想的測控系統(tǒng)是有可能的。

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