智能溫室示范點控制系統(tǒng)應(yīng)用分析

胡傳干

隨著農(nóng)村城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)規(guī)?；同F(xiàn)代化水平的不斷提高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對機(jī)械化、自動化和智能化的要求越來越高。設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化管控是實現(xiàn)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動化、高效化最為重要的環(huán)節(jié)之一，一直受到各國農(nóng)業(yè)專家和研究人員的高度重視。

為全面提升農(nóng)機(jī)化公共服務(wù)能力，江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備科技示范中心跟蹤國外先進(jìn)技術(shù)，整合全省設(shè)施農(nóng)業(yè)優(yōu)勢資源，緊緊圍繞江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)園區(qū)、三農(nóng)科教基地建設(shè)，在江蘇現(xiàn)代農(nóng)機(jī)科技示范園建設(shè)智能溫室示范點控制系統(tǒng)，打造智能農(nóng)業(yè)管控中心和生態(tài)低碳、標(biāo)準(zhǔn)化的溫室示范點。

1 系統(tǒng)整體實施方案

該控制系統(tǒng)劃分為三個控制單元，是集室內(nèi)環(huán)境信息采集、視頻監(jiān)控、手動控制、自動控制、本地生產(chǎn)管理、WEB遠(yuǎn)程訪問、手機(jī)移動訪問于一體的綜合管控平臺?？蓪崿F(xiàn)如下功能：

（1）通過風(fēng)機(jī)、補光燈、濕簾等基礎(chǔ)設(shè)施以及用于本地控制的PLC控制柜，實現(xiàn)對溫室中溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強(qiáng)度的調(diào)控。

（2）通過溫室內(nèi)環(huán)境傳感裝置實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的實時監(jiān)測。通過無線傳感器對溫室內(nèi)的環(huán)境參數(shù)（光照、二氧化碳、溫濕度等）進(jìn)行采集，并由網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)實時傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器，進(jìn)行后期分析處理。

（3）實現(xiàn)了水肥一體化和節(jié)水灌溉系統(tǒng)自動化控制。通過輪灌，達(dá)到精細(xì)化、集約化灌溉的目的。

（4）實現(xiàn)了對溫室內(nèi)作物生長狀況實時監(jiān)控。每個溫室單元分別配備一臺高清云臺，通過監(jiān)控室服務(wù)器界面可以對溫室內(nèi)作物的生長情況進(jìn)行實時監(jiān)控。

（5）實現(xiàn)對示范點溫室環(huán)境的遠(yuǎn)程自動控制。管理人員通過遠(yuǎn)程服務(wù)器發(fā)布的Web網(wǎng)頁向無線網(wǎng)關(guān)發(fā)送控制指令，再由網(wǎng)關(guān)將指令發(fā)送至控制節(jié)點，從而控制風(fēng)機(jī)、濕簾、內(nèi)外遮陽等環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備。系統(tǒng)能夠在智能決策算法的驅(qū)動下智能調(diào)控溫室環(huán)境參數(shù)。

（6）通過本地生產(chǎn)管理軟件平臺，用戶可在本地對基地中農(nóng)產(chǎn)品的溫室環(huán)境參數(shù)、溫室機(jī)構(gòu)控制、視頻回放等進(jìn)行全方位、多角度的控制。另外，用戶也能夠通過手機(jī)App、Web網(wǎng)頁等實現(xiàn)異地遠(yuǎn)程的溫室信息采集、分析以及設(shè)備控制等日常溫室管理工作。

2 系統(tǒng)硬件建設(shè)

系統(tǒng)的硬件主要由PC上位機(jī)、無線傳輸裝置和嵌入式下位機(jī)3部分構(gòu)成。

PC上位機(jī)主要由PC機(jī)、顯示器、蜂鳴器組成，主要完成各種功能控制。

下位機(jī)在本系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)環(huán)境參數(shù)的采集，由嵌入式系統(tǒng)、顯示裝置、采集裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。嵌入式系統(tǒng)由STM32F103RCT6型ARM微控制器構(gòu)成核心運算單元，主要用來對各個傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理、顯示,并控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的動作。此外，它還要對處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，并發(fā)給無線發(fā)送模塊進(jìn)行發(fā)送。采集裝置由溫濕度傳感器DHT81、光強(qiáng)傳感器TSL2561、二氧化碳傳感器MG811組成，用于對各種環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和測量。下位機(jī)的處理器會依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)對采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、優(yōu)化，最后輸出能使農(nóng)作物生長達(dá)到最佳狀態(tài)的控制信號，從而控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)光照、溫度、土壤濕度和二氧化碳濃度，使農(nóng)作物處于最佳的生長環(huán)境中。

無線傳輸裝置由無線信號發(fā)送模塊、中央處理器和PC機(jī)“智能溫室控制中心”軟件中的數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊組成。無線發(fā)送模塊先將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，然后基于ZIGBEE協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至互聯(lián)網(wǎng)上。通過SMA擴(kuò)展接口外接SMA天線，可放大信號增加無線通訊距離。圖1為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)主要由上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件兩大部分組成。

上位機(jī)各種功能通過“智能溫室控制中心”軟件控制來實現(xiàn)。該軟件由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理顯示模塊、圖形界面模塊、控制參數(shù)更新模塊、SQL數(shù)據(jù)庫等組成，主要用于數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制參數(shù)更新和自動檢測報警。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

下位機(jī)軟件由應(yīng)用程序、驅(qū)動程序和Linux操作系統(tǒng)3部分組成。當(dāng)整個下位機(jī)初始化后，運行在Linux操作系統(tǒng)之上的應(yīng)用程序首先會調(diào)入標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，接著會采集當(dāng)前的光強(qiáng)、二氧化碳濃度、濕度和溫度信號，然后會把當(dāng)前值和標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)一起加載到各自對應(yīng)的控制模塊中，最后處理器會對不同的采集模塊采取不同的控制方法。該系統(tǒng)特別引用預(yù)測控制方法，根據(jù)對象的歷史信息和未來輸入來預(yù)測其未來輸出。預(yù)測控制常用的控制算法有動態(tài)矩陣控制(DMC)、模型算法控制(MAC)和模型預(yù)測啟發(fā)控制(MPHC)，各種算法都是建立在預(yù)測模型、滾動優(yōu)化、反饋校正三項基本原理基礎(chǔ)上。系統(tǒng)選擇動態(tài)矩陣控制算法，首先依據(jù)剛剛采集到的一系列數(shù)據(jù)建立數(shù)學(xué)模型，依據(jù)數(shù)學(xué)模型和輸出差值，通過反饋對輸入進(jìn)行反復(fù)滾動修正，直至滿足精度要求。簡言之，就是根據(jù)輸入的溫度和濕度量，通過最優(yōu)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的動作，從而使農(nóng)作物所處環(huán)境的溫度和濕度達(dá)到農(nóng)作物生長所需的參數(shù)指標(biāo)要求?？偟膩碚f，系統(tǒng)會針對不同的環(huán)境參數(shù)采取不同的控制方法，從而使環(huán)境參數(shù)達(dá)到農(nóng)作物生長所需的最好的參數(shù)指標(biāo)。

4 結(jié)論

該智能溫室示范點控制系統(tǒng)是針對目前我國溫室系統(tǒng)智能化現(xiàn)狀設(shè)計的一種基于嵌入式下位機(jī)、PC上位機(jī)、無線傳輸模式以及分散控制方法的智能溫室控制系統(tǒng)。由于采用了分散控制的方法，單個下位機(jī)依照PC機(jī)傳來的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)就能夠獨立完成環(huán)境參數(shù)的采集和調(diào)控。PC上位機(jī)除了可以隨時監(jiān)測嵌入式下位機(jī)的工作狀態(tài)外，還可以直接更新下位機(jī)工作所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，間接控制下位機(jī)的工作。此外，系統(tǒng)采用了基于ZIGBEE協(xié)議的無線傳輸方式，方便對下位機(jī)的監(jiān)控，提高了系統(tǒng)的靈活性，擴(kuò)大了適用范圍。