温室环境监控系统

温室环境监控系统（共11篇）

温室环境监控系统 篇1

0 引言

随着我国农业温室的建筑面积日益增大, 集中建设的温室群也越来越多。对温室群环境的监控, 主要侧重解决的问题:一是多个温室环境数据的采集与处理;二是因种植不同种类作物而产生的温室间环境的差异控制;三是同一温室的不同时间段环境控制。笔者认为, 将工业化标准控制模块引入农业温室环境监控, 用PC机集中管理是一个行之有效的方法。

1 温室内影响作物生长的主要环境因子

温室内部的环境因子是植物生长的关键条件, 不仅影响到植物的生长和健壮程度, 还会影响到植株的生长状况、花期及结果等, 从而影响到植物的早熟性与丰产性。因此, 温室环境因子的测控对植物生长有着重要的意义。设施园艺环境主要包括光照、湿度、温度、气体和土壤等因素, 以光照、湿度、温度和CO2的变化比较明显, 对作物的影响也比较大。

温度是影响园艺作物生长发育的最重要的环境因子, 它影响着植物体内一切的生理变化, 是植物生命活动最基本的要素。对温室的温度调节应尽量按作物生长发育所要求的适宜温度范围来进行。植物的生长发育要求一定的昼夜温差, 即所谓温差周期。如果植物在昼夜不变的温度条件下, 其生长率都比较低。实践证明, 变温管理与恒温管理相比不仅可以增加产量, 而且可以提高产品品质, 同时可以节约能源。

空气湿度反映空气中水蒸气含量的多少, 高湿是园艺设施湿度环境的突出特点。空气湿度的调控主要有防止作物沾湿和降低空气湿度两个直接目的, 如果作物沾湿能减少2-3h以上, 可抑制大部分病害。

光照对日光温室环境及栽培作物起主导作用。光照不足, 作物制造养分少, 生命力减退, 植株长势弱, 容易发生病害, 更主要的是使温室温度下降, 不但满足作物生长发育的要求, 还容易发生冷害或冻害。

CO2是园艺作物光合作用不可缺少的原料, 具有其他任何物质都不可替代的作用。夜间温室内CO2的浓度比外界高, 但是从清晨起, 作物立即开始旺盛地进行光合作用, 吸收了大量的CO2, 造成了白天温室内CO2浓度比外界还低, 不能满足作物高产栽培的需要。据测定, 蔬菜生长发育所需要的CO2最低浓度为80～100mL/m3, 最高浓度为1 600～2 000mL/m3, 适宜浓度为800～1 200mL/m3。

2 温室环境的监控方式

2.1 单因子监控

单因子监控是相对简单的控制技术, 在控制过程中只对某一要素进行控制, 不考虑其他要素的变化和影响。例如, 在控制温度时, 控制过程只调节温度本身, 不理会其他要素的变化和影响。因此, 在保证作物获得最佳环境条件方面有一定的局限性。

2.2 多因子综合监控

实际上, 温室各因子之间对气候的影响不是孤立的, 影响作物生长的众多环境要素之间是相互制约与相互配合的, 当某一要素发生变化时, 相关的其他因素也要相应变化。如随着温室内温度的升高, 湿度将随之降低;随着光照的加强, 温室温度会随之升高;系统通风会降低湿度, 同时也降低了温度等。因此, 在调节温室环境的时候, 要对各因子综合考虑。这种控制方法复杂一些, 但能使几个主要环境因素随时处于最佳配合状态。

在对辽沈II型温室环境监控中, 采用了多因子综合监控。该温室面积较大, 传感器采取多点布置, 力求真实反映温室内的环境条件, 进一步保证了监控的精确性。在温室分布置采集室温3点、地温1点、空气湿度2点、土壤湿度1点和光照1点。由于CO2浓度的监控实现起来较难, 所以本系统只是在管理信息系统设计时为以后预留了CO2浓度一项。

3 监控系统的总体设计

温室环境监控是对室内外的各种参数进行自动监测、信息处理及实时控制等。本例是由4个辽沈II型温室构成的温室群, 每个温室由下位机 (单片机控制系统) 进行分散性控制, 放在管理室中的PC机对温室群集中管理。PC机不仅可以实现对下位机的数据采集和控制, 而且还能够根据用户的要求分析数据, 适时向下位机发送控制指令。上下位机之间采用基于RS-485的现场总线控制模式。

基于RS-485的温室控制系统是由上位机 (PC机) 、下位机 (单片机) 及执行机构组成, 如图1所示。RS-485是主从节点工作方式, 各现场控制器是由PC机统一管理。RS-485总线属于BITBUS总线, 最大传输距离为1200m, 最高传输速度为76.8kbps, 可有30个节点并行连网。RS-485总线是半双工的, 可以满足滞后性很大的温室环境监控系统的要求。

4 PC机系统功能的总体设计

按照温室群环境监控系统的功能来设计PC机管理信息系统的各个模块, 如图2所示。其主要模块及作用分述如下。

1) 实时监测模块。

查看和打印实时数据, 查看设备状态。

2) 智能决策模块。

通过模糊控制来调节温室内的温度和湿度等环境因子, 调控出适合作物生长的温室生态环境。

3) 专家知识模块。

帮助用户咨询作物的栽培技术, 了解作物的生长知识等。

4) 数据管理模块。

查询和修改数据, 并可以根据用户的要求打印数据;同时, 可以将每天的数据以图形和图表两种方式显示;对数据库进行及时的备份和恢复, 以便当系统发生故障时能够将系统恢复到发生故障之前的状态。

5) 通信管理模块。

完成本系统的所有通信功能, 包括下位机校时、控制参数的传递、历史数据和实时数据的采集等功能。

6) 参数设置模块。

各种温室农作物的生长参数、温室环境因子的控制参数以及系统的其它参数等在此模块中进行设置。

7) 帮助模块。

系统提供的帮助文档, 详细讲解本系统的使用方法与操作过程等, 帮助用户学习和掌握本系统的操作方法。

5 系统数据结构设计

PC机实时接收多个下位机传来的数据, 并将数据保存在存储器中。 同时, 还要完成数据的分析与显示等作业, 并将控制指令发送给下位机。如何设计数据格式, 有效保存监控信息, 将直接影响到监控系统的功能及使用的方便性。

5.1 下位机数据结构设计

由于下位机数量的不确定性及检测参数与检测时刻的不同, 在记录检测参数数值的同时, 还要记录检测参数类型和检测时间, 并且还要考虑数据保存、访问的灵活性, 所以科学设计数据存储结构是十分必要的。本系统的下位机采用静态存储方式设计数据结构, 用以保存采集数据。其下位机采样节点类型描述如下:

Type tnode=record

_time:tdatetime;//采样的日期及时间

_stword:word;//采样的下位机号及样本类型

_para:double;//采样的数值

end;

在下位机中设计足够长的节点, 来保存多点采集数据。如果上位机每隔ms扫描一次下位机, 而下位机最多采集n个参数, 采样时间间隔为ts s, 则下位机中至少要保存mn/ts个节点数据。为了确保在漏扫条件下不丢失数据, 可以将此数扩大到3倍。下位机中, 静态数据静态存储格式定义如下:

Type tcache=record

dtop:integer;

data:array[0..mc] of tnode

end;

其中, dtop用以记录结构中目前数据个数。当数据表为空时, dtop为0;当增加一个数据, dtop增加1;当数据表中被上位机读走时, dtop重新回到0。mc为设计的最大点数, 如果dtop数值超出mc, 则将data中数据向前移动一定节点, 以腾出空间继续进行记录数据。利用这种结构可完成下位机的数据缓冲处理。

5.2 上位机数据结构设计

上位机除了记录下位机提交的采样数据外, 还要记录决策模块所做出的控制参量的决策值, 以及发出的控制指令。因此, 上位机的数据结构就要在下位机数据结构基础上, 增加相应的描述域, 定义如下:

Type tpcnode=record

mark:byte; //节点类型标识

_time:tdatetime;//采样的日期及时间

_stword:word; //采样的下位机号及样本类型

_inst:work; //控制指令描述字

_para:double;//参数数值

end;

其中, mark为当前节点类型。如果值为0, 表示本节点数据为下位机传来的采样数据, 此情况下_inst没有意义;如果值mark为1, 表示本节点数据为决策模块的决策结果及发给下位机的控制指令。

如果仍然采用静态存储格式, 则在上位机中应定义如下结构

Type tdataf=array[0..p] of tpcnode;

具体p值大小, 可以根据下位机的数量及监控参数多少而定。由于目前微机内存空间较大, 所以p值可以设计得足够大, 以方便程序操作。

可以利用时间事件控制内存数据的保存, 当时间到时, 将tdataf中数据保存到磁盘文件中。

6 结论

1) 采用联机系统对温室群进行集中监控, 合理设计通讯系统、科学设计数据格式及控制指令格式是系统开发的关键, 也是保证系统工作稳定与操作方便的关键技术。

2) 本系统经实验室调试后, 在大连某温室进行试用, 基本达到设计要求。以温度和湿度为主要控制参数, 系统运行可靠, 控制准确, 人机界面友好, 操作方便, 成本低。

参考文献

[1]柯用兵.温室农业生产监控组态软件中的实时数据库系统[J].计算机工程, 2004 (12) :186-188.

[2]谭伟, 姜楠.基于单片机的智能温室控制系统研究与设计[J].林业机械与木工设备, 2007 (11) :52.

[3]汪永斌, 吕昂.温室群全数字式温度和湿度综合控制系统[J].农业机械学报, 2002 (9) :72-74.

[4]李芳.温室群智能环境管理系统的研究[J].农机化研究, 2007 (2) :100-102.

[5]李锡文.现代温室环境智能控制的发展现状及展望[J].农机化研究, 2008 (4) :9-11.

温室环境监控系统 篇2

关键词：温室；光照；温度；监控；温室

中图分类号： TP277.2；S127 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2014）07-0424-04

收稿日期：2013-10-30

基金项目：江苏省研究生实践创新计划项目（编号：201211068098X）。

作者简介：王鑫鑫（1989—），男，江苏沭阳人，硕士研究生，主要研究方向为自动化控制装备、嵌入式系统及其应用。 E-mail：m15105192019@163.com。

通信作者：周国平，教授。E-mail：zhougp@njfu.com.cn。温室是一种可以改变植物生长环境，为植物生长创造最佳条件，避免外界恶劣气候对植物生长影响的场所。大多数的温室控制设备只专注于温度的控制，对光照涉及较少。光照也是农作物生长发育的关键条件之一，直接影响农作物的产量和品质[1]。光照对作物生长的影响主要有两个方面：一是为农作物光合作用提供能量，二是为温室气候环境提供能量。但是过强的光照会促进水分的蒸发，灼伤叶面；过弱的光照不利于植物的光合作用，使植物不能有效地生长。因此，对温室光照进行检测和监控就变得非常重要，判断什么时候光照太强需要遮光，什么时候光照弱需要补光，结合已经发展成熟的GSM、GPS网络可以极好地实现对温室大棚的智能控制，提高劳动生产率。

1系统的组成

温室环境控制系统主要由3个部分组成：一是以MSP430F149、光照度采集探头和DS18B20为核心的光照度、温度检测与自动调节、报警系统；二是以TC35I和GSM网络为核心的短信控制系统；三是农户手机或者是PC机软件系统。系统组成见图1。

系统的主要功能：本系统以MSP430F149作为主控器件，采用DS18B20和光照度采集探头实时监测蔬菜大棚的温度、光照并与设定值比较，如果偏差超过规定值，则喇叭发出警报，并通过GSM网络以短信形式发送到农户手机。单片机控制系统自动启动加热或者制冷、补光，遮盖、喷洒设备来调节大棚的温度、光照度，并实时显示大棚的温度，光照度和时间以供管理者实时查看。显示芯片选用低功耗的LCD12864，它带有中文字库，同时该模块具有接口方式简单和指令操作灵活的优点。此外本系统设置故障报警功能，当设备发生故障时，系统会发出声光报警同时将故障信息发送到农户手机或上位机，以便于农户及时检修。

1.1硬件系统设计

微控制器是系统的核心，控制着整个系统各个模块的工作，所以微控制器的选择在本设计中至关重要。MSP430F149是一款16位的超低功耗单片机，具有12位的数模转换器（ADC12）；拥有大容量的存储空间，包括多达60 K Flash ROM和2 K RAM；两通道的串行通信接口，可以满足GPS、GSM工作的需要。

1.1.1电源转换电路由于 GSM 模块工作电压高于单片机MSP430F149及 GPS 模块所需电压值 3.3 V，故该装置需要两路电源转换电路[2-3]。这两路电路采用了可调整开关型降压稳压芯片LM2576、KA78R05、高效线性电源转换芯片ASM1117-3.3。其中，一路将12 V的电压通过芯片LM2576转换成 3.6 V 电压，供给 GSM 模块，这里C2用作对12 V输入电源滤波，因为LM2576为开关电源，需要电容和电感做储能元件，利用其进行充放电，并通过改变占空比来改变充放电时间，来实现输出电压的改变。D1、L1、C5的功能是进行充放电，并依据芯片Datasheet选择参考值，R1、R2是两个分压电阻，送回Feedback端，其分压决定了Vout的大小，C3、C4电容起滤波作用。另一路先通过 KA78R05 把12 V电压转为 5 V 电压，再经ASM1117 降压至 3.3 V电压供给主控制器及 GPS 模塊。KA78R05是一款输出5 V的低压差稳压集成芯片，最大压差为0.5 V，输出精度为（5±0.12）V，C6的作用是消减电源中的噪声，C8、C9一大一小两个电容对输出+5 V电压滤波，提供稳定的+5 V电源。该电源转换电路如图2所示，V12 为12 V电压，VTC 为 GSM 模块供给电压。

1.1.2光电传感器探头的设计常用的光照度计存在测量范围窄、精度低、成本高等缺点，而且用户需要手动调节测量范围。光照度计连续测量时需长期暴露在阳光下，会产生温

度漂移，严重影响仪器的测量精度。针对这些不足，本研究引入差分思想，结合光电检测技术设计了一种新型光照度计。

为了克服光电池的温度漂移，增大共模抑制比，提高测量精度，在光照度传感器探头的设计时采用了两只光电性能相同的光电池，组成差动结构（图3）。探头包括2个S1087光电池、滤光片、平面状余弦校正器。

光电池1作为光电传感器，接受光照；光电池2作为光电池1的补偿器，处于遮光状态，但光电池1和光电池2同时安装于同一块均温槽上，当温度发生变化时，两只光电池的温度同时变化，所产生的温度漂移也相同。光电池的光电流经过电流/电压转换电路，输出的信号进入差分放大器进行差分放大。差分电路对由于光照产生的差模信号有很强大的放大作用，而对由于温度漂移产生的共模信号有很强大抑制作用。由于本设计采用了差分结构，提高了电路的抗干扰能力，提高了共模抑制比，保证了系统的测量精度。经差分放大器放大的光照信号经过P5.5送入单片机进行数据处理，实现了光照度的自动测量。

1.1.3温度采集数字式温度传感器[4]把采集到的温度信息通过单线接口送入DS18B20或者从DS18B20送出，因此从单片机CPU到DS18B20仅需一条线（和地线），DS18B20的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。同时每一个DS18B20在出厂时都有唯一的64位的序列号，因此可以把多个DS18B20放在一条总线上，实现与单片机的I/O接口的连接。可以把精度设置为12位的分辨率，温度分辨率为 0.062 5，当采集的数据超过警戒值时，通过串口将信息从近端的GSM设备传送到远端的用户手机中。

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由于温室大棚内不同的蔬菜以及不同的生长周期需要不一样的光照度和温度，因此采用3×4行列扫描式矩阵键盘，来设置不同的光照度和温度。

1.1.4温度、光照控制电路温度、光照度控制电路[5]如图4所示，光照度低于设定值，P0.6输出高电平，反向后为低电平；固态继电器SSR交流触电接通，交流触电线圈得电，接通遮盖电机，温室大棚遮盖打开，提高大棚光照，反之亦然。温度的控制通过室内喷淋和开关窗户来实现，实现的控制电路和光照控制电路相同。

1.1.5GPS和GSM短信服务模块GSM短信模块由新版西门子工业级TC35I模块和SIM卡组成，在该装置中负责收发户主短信并通过串行口与主控制器通信。GPS模块采用了瑞士公司的NEO-6Q芯片，可以实现年、月、日、时、分，秒进行精确计时[6-7]同时可对温室大棚进行精確定位，另外添加温度、光照度报警电路（图5）。

1.2系统软件设计

软件设计采用的是模块化思想，本系统采用C程序软件开发平台IAR Embedded Workbench，这给程序的修改和调试带来了很大的方便。

3结论

本研究利用MSP430单片机内部的ADC进行采样，简化系统电路的设计并结合目前已经发展成熟的GSM、GPS网络通信技术，实现了对温室大棚的光照度、温度数据的采集和实时显示，自动调节，以及温室大棚的远程监控。结果证明，本系统可以达到当初的设计要求，具有比较高的可靠性、稳定性。此外该系统具有优良的扩展性可以增加湿度，二氧化碳等传感器来进行控制，最大程度地提高温室生产效益。

参考文献：

[1]周长吉. 现代温室工程[M]. 北京：化学工业出版社，2010：50-60.

[2]李彬，王朝阳，卜涛，等. 基于MSP430F149的最小系统设计[J]. 国外电子测量技术，2009，28（12）：74-76.

[3]Walt J. 运算放大器应用技术手册[M]. 张乐锋，张鼎，译.北京：人民邮电出版社，2009：60-68.

[4]杨久红，王小增. 基于GPRS和GPS的嵌入式蔬菜大棚温度监控系统[J]. 农机化研究，2010（6）：179-182.

[5]乔俊，汪春，王熙，等. 基于GSM无线传输的温室环境数据采集系统[J]. 农机化研究，2008（4）：174-177.

[6]徐新强，李正明，张继军，等. 基于GPRS和GPS的便携式农田信息采集器[J]. 农机化研究，2008（8）：163-166.

[7]陈大鹏，毛罕平，左志宇. 基于Android手机的温室环境远程监控系统设计[J]. 江苏农业科学，2013，41（9）：375-379.

[8]曾光宇. 现代传感器技术与应用基础[M]. 北京：北京理工大学出版社，2006：40-50.

温室环境监控系统 篇3

温室大棚技术是近年来逐步发展起来的一种资源节约型高效设施农业技术,它突破了传统农业种植受地域、季节、气候、自然环境等因素的限制,为农业提供了适宜生长的环境。而光照作为植物生长的三大要素之一,是农作物制造养分的必要条件,也是形成温室小气候的主导因素[1]。因此,使用光照度计对温室大棚的光照度进行测量是十分重要的。

1 系统组成

温室大棚数字光照度计系统分为3个部分(见图1),包括数据采集部分、微处理器控制部分和通信部分。采集部分采用两个S1087型硅光电池组成差动结构,经过前置放大电路和程控差分放大电路的调理,实现光照数据的采集。在微处理器的控制部分,以MSP430F149作为控制核心,将采集到的光照数据进行A/D转换,然后根据所得的采样值控制模拟多路开关,以达到量程自动切换的目的,并可将光照度信息存储和实时显示。同时,将测量的光照值与阈值比较,当光照度超过设定的阈值时,采取相应的遮阳和补光处理。通信部分的GSM模块,当光照度值不在设定范围内时实现短信报警。

2 硬件系统设计

微控制器是系统的核心,控制着整个系统各个模块的工作,所以微控制器的选择在本设计中至关重要。MSP430F149是一款16位的超低功耗单片机,具有12位的数模转换器(ADC12);拥有大容量的存储空间,包括多达60K Flash ROM和2K RAM;两通道的串行通信接口,可以满足GPS、GSM工作的需要。

2.1 电源转换电路

由于GSM模块工作电压高于单片机MSP430F149和GPS模块所需电压值3.3V,故该装置需要两路电源转换电路[2]。两路电路采用了可调整开关型降压稳压芯片LM2576、KA78R05及高效线性电源转换芯片ASM1117-3.3。其中,一路将12V的电压通过芯片LM2576转换成3.6 V电压,供给GSM模块。这里C2用作对12V输入电源滤波,因为LM2576为开关电源,需要电容和电感做储能元件,利用其进行充放电,并通过改变占空比来改变充放电时间,实现输出电压的改变。D1、L1、C5的功能是进行充放电,并依据芯片Datasheet选择参考值,R1、R2是两个分压电阻,送回Feedback端,其分压决定了Vout的大小;C3、C4电容起滤波作用。另一路先通过KA78R05把12V电压转为5 V电压,再经ASM1117降压至3.3 V电压供给主控制器及GPS模块。KA78R05是一款输出5V的低压差稳压集成芯片,最大压差为0.5V,输出精度为(5±0.12)V。C6的作用是消减电源中的噪声,C8、C9一大一小两个电容对输出+5V电压滤波,提供稳定的+5V电源。电源转换电路如图2所示。其中,V12为12V电压,VTC为GSM模块供给电压。

2.2 光电传感器探头的设计方法

差分式光照度计设计电路如图3所示。

2.2.1 信号的处理和转换

通常由光电探头获得的测量信号非常微弱,不能直接使用,需要对信号进行放大、滤波和数字化等工作。因为光电池的短路电流与光照度成正比,所以在本文设计电路时,选用电流放大器进行设计[3]。放大电路放大光电信号的同时也把输入端的噪声进行放大,而且放大器本身也存在噪声。因此,还需要进行滤波处理抑制噪声,通常有硬件滤波和软件滤波,从而减小误差,提高测量精度;经放大、滤波等处理后的信号仍是模拟信号,还需要A/D转换后,才能送入单片机处理。

2.2.2 差分式光照度测量

常用的光照度计是由1只光电池组成,通常因光照度的时间很短,不会引起光电池温度明显升高,光电池的温漂可以忽略。但是,本课题研究的用于温室大棚光照度的监测与控制,作为光电传感器的光电池需要长期暴露在阳光下,光电池自身温度的变化会严重影响它的光电特性,产生温漂。因此,温度漂移将成为测量误差的重要原因之一。

为了克服光电池的温漂,增大共模抑制比,提高测量精度,本文在光照度传感器探头的设计时采用了两只光电性能相同的光电池,组成差动结构,如图3的U4所示。其中,探头包括2个S1087光电池、滤光片、平面状余弦校正器。光电池1作为光电传感器,接受光照;光电池2作为光电池1的补偿器,处于遮光状态,但光电池1和光电池2同时安装于同一块均温槽上。当温度发生变化时,两只光电池的温度同时变化,所产生的温漂也相同。光电池的光电流经过电流/电压转换电路,输出的信号进入差分放大器进行差分放大。差分电路对由于光照产生的差模信号有很强大的放大作用,而对由于温漂产生的共模信号有很强大抑制作用。由于本设计采用了差分结构,提高了电路的抗干扰能力和共模抑制比,保证了系统的测量精度。经差分放大器放大的光照信号经过P5.5送入单片机进行数据处理,实现了光照度的自动控制。

2.2.3 程控增益差分放大电路的设计

本文光电传感器探头输出的电路电流信号,经前置放大后变成电压信号,一路是放大光照和噪声信号,另一路仅是放大噪声信号,将这两路电压信号相减就可提取需要的光照信号,因此设计了一个差分电路(减法器)。另外,被测光照变化范围较大,经前置放大后,模拟电压范围仍然较大,如果直接经A/D转换,小信号将得不到有效的放大,从而影响了整个系统的精度。因为,本文采用了这样的策略,对于小信号采用高放大倍数、对于大信号采用低放大倍数。实现方式:根据未知输入参数的范围,自动选择合适的放大倍数,以切换到合适的量程,及在前置放大电路后设置一个程控增益放大器,借助多路模拟开关,由单片机控制其通断,以获取所需的量程。程控差分放大电路主要由可编程仪表放大器、模拟多路开关和MSP430F149单片机组成。前置放大电路输出的信号经差分电路后将光照度信号放大,后送单片机进行A/D转换和处理,再通过单片机的P5口控制模拟多路开关的通断来选择放大的倍数,从而实现自动换挡和光照度的换算。V=K'E,K'=k GRFS。其中,k[4]为光电探头修正系数,G为差分放大器的放大倍数,RF为前置放大电路的反馈电阻,S为S1087的光电灵敏度。由于可见光的对应光照度范围很大,所以经S1087换成光电流范围也很大,而单片机能采集到的满量程电压为3.3V,因而设计了对应的量程挡,如表1所示。

本文选用仪表放大器[5]时考虑到的因素有:系统是单电源供电的,选用单电源供电的芯片:输入电压大;共模抑制比高;高输入阻抗;增益可变且范围大;保证0输入0输出等。在设计时综合考虑上述因素并通过多款仪表放大器的比较,最后选用AMP04来实现差分和程控放大功能。

图3中的仪用放大器AMP04可以通过改变外部电阻R的值来得到不同的增益,增益值G=100kΩ/R。输出电压Vout=(VIN+-VIN-)×G。为了提高测量精度,选择4个精密精度为0.1%的金属膜电阻,分别是100kΩ、10kΩ、1kΩ、100Ω。当P5=00H时,模拟多路开关都断开时,1脚和8脚之间只有一个100kΩ电阻,G=1;当P5=01H时,S1闭合,则1脚和8脚之间的电阻RG=10kΩ//(100kΩ+RW),若没有电位器RW,则RG<10kΩ及G>10。要使增益变小有两种方法:一种是通过不断地换电阻来使增益达到10;另外一种就是加精密电位器进行微调电阻值,使增益等于10。第1种方法比较繁琐,在实际中很少用到,所以本文采用精密电阻和电位器串联的方法,通过调节对应的电位器来保证增益为1、10、100、1 000。TS3A47是TI公司的单电源低电压的四路常开单刀单置模拟开关,本文选用了其中三路模拟开关通道1到通道3,其数字逻辑控制输入端IN1、IN2、IN3分别与单片机的P5.O、P5.1、P5.2相连,P5口对应的编码为00H、01H、02H、04H,从而来自动切换系统的量程。因为数字逻辑控制输入口是CMOS电平控制输入引脚,所以另一路闲置的模拟开关的IN4需要接地。

2.3 光照度控制电路

光照度控制电路[6]如图4所示。光照度低于设定值,P0.6输出高电平,反向后为低电平;固态继电器SSR交流触电接通,交流触电线圈得电,接通遮盖电机。温室大棚遮盖打开,提高大棚光照,反之亦然。

2.4 GPS和GSM短信息服务模块

GSM短信息模块是由新版西门子工业级TC35I模块和SIM卡组成的,在该装置中负责收发户主短信息并通过串行口与主控制器通信[7]。GPS模块采用了瑞士公司的NEO-6Q芯片,可以实现年、月、日、时、分,秒进行精确计时同时可对温室大棚进行精确定位。另外添加的温度、光照度报警电路,如图5所示。

3 系统软件设计

软件设计采用的是模块化思想,本系统采用C程序软件开发平台IAR Embedded Workbench,给程序的修改和调试带来了很大的方便。

3.1 主程序流程图

系统上电后,主要包括单片机I/O端口和各个模块的初始化,设置光照度的适宜值,调用光照度采集子程序,以及数据处理子程序,按键控制子程序和GPS子程序如图6所示。光照度下线设定为100lx,上线设定为2 000×102lx。

3.2 程控差分放大的调试

程控差分放大的调试是系统调试的关键之一,它关系到整个系统的测量精度。具体调试步骤:(1)用两路电压在0~3.3V之间连续可调的电路,一路电压V1输入到差分放大器的同相端,另一路电压V2输入到反相端。(2)通过编程,给单片机P5口输出固定的值,控制模拟多路开关,选择差分放大器的放大倍数。(3)放大的电压经P5.5进行A/D,并通过液晶1:1的显示出来。(4)调节对应的电位器,使液晶显示出来的电压=(V1-V2)×对应放大倍数。在调试过程中需要注意的是:系统工作在正电压,所以要保证V1-V2≥0,即V1≥V2。差分放大器的放大倍数G分别为1、10、100、1 000倍,记录的测试数据如表2所示。

其中,V12=V1-V2是用万用电表测出,VLCD为液晶显示的电压,G1为实际放大倍数。从表2可知,时间放大倍数G’基本符合系统的设计。但是当G=1 000时,不能保证0输入0输出,需要在软件中进行修正。修正方法:每次采样值减去在V12=0的采样值。修正之后的测量数据如表3所示,明显比修正前的相对误差小得。

3.3 实验结果分析

为了验证系统的性能,将调试好的系统安装在南京林业大学风景园林学院温室大棚中测试,在2013年8月20日9:00-18:00约每隔1h进行一次数据采集实验。实验室采集具体过程:按照系统设计连接好系统各模块,并将光照度采集探头固定在温室大棚内,然后启动电源,将温室内照度实时显示出来并定时存储。同时,每隔1h有人工测量温室大棚内的光照度作为参考,测量仪器为TES-1332A数字式照度计。经试验,可得到如表4所示的试验结果及误差分析。为了测试报警电路的性能和GSM模块的通信,人为地制造高温或者高强度光照试验结果发现报警电路正常,用户手机可以收到报警短信,证明GSM模块通信正常。

4 结论

本系统实现了对温室大棚的光照度采集和实时显示,以及自动调节功能,结合目前已经发展成熟的GSM、GPS网络通信技术,实现了温室环境的远程监控。本文利用MSP430单片机内部的ADC进行采样,简化了系统电路的设计。试验结果证明,本系统可以达到当初的设计要求,具有比较高的可靠性及稳定性。目前系统只以光照度为测控对象,而实际的温室环境是一个多参数的复杂环境,并且多个环境因子相互影响。系统在设计之前,为方便后续功能的扩展和开发,无论在硬件电路还是软件程序的设计上,都采用了模块化的设计思路。在未来的研究中,可以设计对温室温度、湿度、二氧化碳等环境因子的采集电路和相应的程序,将本系统完善成一个智能多参数环境的测控系统。

参考文献

[1]许安祥.我国温室农业的发展现状与趋势[J].排水灌溉,2000(1):4-5.

[2]李彬.基于MSP430F149的最小系统设计[J].应用天地,2009(12):74-76.

[3]郭培源,付扬.光电检测技术与应用[M].北京:中国计量出版社,2003:180-190.

[4]张乐峰,张鼎.运算放大器应用技术手册[K].北京:人民邮电出版社,2009:200-220.

[5]曾光宇.现代传感器技术与应用基础[M].北京:北京理工大学出版社,2006:30-35.

[6]乔俊.基于GSM无线传输的温室环境数据采集系统[J].农机化研究,2008(4):174-177.

温室环境监控系统 篇4

不同功用的热水需要

每个家庭所需热水可分为两类：—类是低温热水，主要用于洗澡、洗衣等。另—类是开水或高温热水，也可统称厨房用水，用于直接饮用、做饭等。低温热水对水质、水温的要求都不高，水温40℃左右即可，水箱等可用廉价的镀铝锌铁板。这种热水成本较低，但需要量较大，水箱容水量需80～150千克。

开水或高温热水对水质的要求较高，必须符合饮用水卫生标准，因此水箱等必须由昂贵的不锈钢或铝合金材料制造。对水温的要求也较高，需烧开或烧到七八十摄氏度（太阳光不强时）。这种热水显然成本较高，但需要量不大，一个三口之家每天10千克左右足够，五口之家每天十几千克也已足够，相当于普通家用小水桶一桶水。从卫生角度要求，厨房用水应包括洗碗洗菜等所用低温热水，这时可用开水或高温热水兑上冷水成为低温热水使用，也可用开水箱烧低温热水。

该系统就是根据上述实际需要设计制造的，其显著特点就是将太阳开水器和热水系统分开制造和分别使用，这样既可以降低成本，又能满足实际需要。

热水系统的构成

窗户型特殊温室太阳开水热水系统的基本结构是将多重温室与窗户有机结合。多重温室安装在建筑物的窗户外面、窗户下端的墙壁上，然后将太阳能集热器和开水箱放置于温室中，而热水箱则放置于阳台内或室内，具体结构见图一、图二。

图一是该系统的侧面剖面图，多重温室先由硬质材料（角钢等）制成骨架，受光面由多层透明薄板或薄膜（1）构成（每两层之间有空气层，故称多重温室），它与由保温材料制成的底面（2）、顶面（3）、背面（4）和两个侧面均连结在骨架上，构成一个封闭的多重温室，侧面呈梯形。背面（4）为竖直的平面，与窗框（5）的下半部或窗户下端墙壁（6）的外表面密切接触并用螺钉固定牢固。

多重温室可以与阳台内连通，如图一，将温室背面（4）处的窗玻璃去掉，背面（4）的板子也去掉，只剩下四周的边框与窗框（5）连结。这样，室内或阳台内的空气可以与温室内的空气互相对流，但温室内和室内空气与室外空气互不流通。这一般适用于阳台的窗户，因下端墙壁（6）较矮，离地面（26）只高0.5m～0.6m，可以不动墙壁。

多重温室也可以与室内不连通，背面（4）紧贴下端墙壁（6）并将室内空气和温室内空气隔开，互相不能对流，而温室内和室内空气与室外的空气仍互不流通。这一般适用于办公室和家庭中无阳台的窗户，因下端墙壁（6）较高，离地面（13）高1.2m左右。

将太阳能集热器（7）、（14）倾斜放置于自己的多重温室内，见图一。它的正视图（从阳台内看窗外的正视图）如图二：两个（或多个）集热器（14）通过软管（12）（穿过墙壁或窗户）与室内的热水箱（9）相连，而另两个（或多个）集热器（7）与开水箱（8）直接相连，

该装置的工作原理如下：太阳光透过多层透明薄板或薄膜（1）照射到集热器（7）和集热器（14）上并将其中的水加热，这些热水再通过密封软管（12）与热水箱（9）中的冷水对流循环，将冷水加热。实验已证明，该装置可以—年四季都将开水箱（8）中的冷水烧开。

而将太阳能开水系统和热水系统分开制造和分别使用，还表现在水箱的安装位置及使用方式，见图二。容水量80～150千克的保温大热水箱（9）安装在室内或阳台内窗户上挨天花板的墙角处（这样可以产生较大的下流压力），有与它连通的管道挨着墙壁穿过里面房间通往盥洗间等用水处，并与自来水管连通。只需合理控制开关，就既可自动流下热水、又可将自来水冷水自动灌入水箱（9），用水、上水都极为方便。尽管系统规模较大，但水箱（9）、各种水管、开关等都只使用耐40℃左右低温的廉价材料和工艺制造，故成本很低，约300～400元/套。

而容水量较小的开水箱（8），则安装在温室内，与集热器直接连通为一体。集热器（7）的下端还连接有出水软管（15），见图一，可直接流下开水或高温热水，灌入家用保温瓶，提到厨房等处使用。也有管道将它与自来水管连通，同样开关一开即可自动灌入冷水。即用水、上水仍然非常方便。尽管水箱（8）、水管、开关等都要用耐100℃高温并符合饮用卫生标准的、较昂贵的材料和工艺制造，但因规模小，每个家庭只需要十几千克开水就已足够，因此成本仍然较低，约200～300元/套。

优越的品质保障

该装置为家庭一年四季使用廉价的太阳能开水、热水，找到了一个比较完善的解决方法。将温室与建筑物结合来利用太阳能，是太阳能与建筑相结合的一种全新的方式。使用位置从房顶转到阳台或窗户上，实属家庭使用方式的重大变革。现与真空管作全面的比较，简述该装置的优越性。

能同时产生开水和热水两种水而真空管太阳热水器只能产热水一种水，比该装置缺少一种产开水的功能。

总成本不到真空管的50%温室内的环境极为干燥、稳定，不受风雨雪等任何外界因素的影响，因此对集热器的材料、强度、制造工艺等各方面的要求都可大幅度降低，可用平板集热器，而且只需用简单较薄的保温层。这样，集热器成本仅100元/平方米左右，整个太阳能热水系统（容水量80千克~150千克）的总成本仅300~400元左右，不到同样容水量的真空管太阳热水器(相应成本为800~1000元)的50％。

安装、日常维护、维修简单这一切都可在家里的阳台窗户上进行，专业工人安装该装置像安装窗帘一样简单，日常维护（例如擦去温室外顶面的灰尘）相当于擦玻璃窗。而对真空管太阳热水器，则需请专业人员在屋顶完成。

使用寿命长由于在温室内干燥、稳定的环境中，不会受风、雨、雪、潮气、冰雹等外界因素的影响，材料不易损坏，因此使用寿命也比真空管长。本装置是非玻璃集热器，不存在炸管问题，可以将热水甚至开水放完后，立即上冷水。且这时热效率还很高，因为集热器和环境的热量会全部向温度低的新上冷水倒流。而玻璃真空管则较易炸管。

不影响住宅区外部环境的美观整个楼房各住户的多重温室可以按统一标准伸出窗外，并可将外表装饰得很美观而不影响住宅区外部环境。相比而言，真空管太阳热水器安装在房顶则有可能影响外部环境的美观。

温室环境监控系统 篇5

关键词：ZigBee；温室大棚；监测；自动控制

中图分类号：TP274 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2016）07-0027-04

近年来，新疆南部地区（南疆）设施农业发展较快，但设施农业主要以投资较少的塑料大棚为主，对南疆温差变化较大的恶劣气候条件适应性差，且自化程度较低，对农作物的生长环境的控制精度不高。目前，南疆农牧团场正积极向多参数检测的智能温室大棚种植模式发展。这种智能温室大棚综合各种先进的技术和设施，能够为农作物发育和生长创建良好环境，实现温室科学管理经营，充分展示设施农业的巨大优越性。

目前，南疆的智能温室大棚环境监测系统大多采用有线通信方式，需要进行大量布线，且线路复杂，工作可靠性差，需专人值守。为此，基于ZigBee无线通信技术设计智能监测系统，采用温室大棚环境监测无线传输方式，提高环境因子监测的技术水平，实现农作物生长环境的自动化控制，进而提高农作物生产的经济效益。

1 温室大棚环境自动化监测系统结构

ZigBee是一种短距离、低功耗的新型无线通信技术，为基于IEEE802.15.4标准的局域网协议。随着ZigBee技术的不断发展，其应用领域越来越广泛，将其应用于智能温室大棚进行信息传输成为必然趋势。智能温室大棚环境自动化监测系统的监测模式如图1所示。

本系统上位机采用PC机，其主要功能包括以下几个方面：1） 通过RS232串行接口与ZigBee网络关口节点建立通信，接收下位机传送的数据，与此同时向下位机发送指令；2） 对接收到的数据进行显示操作、解码并保存；3） 对系统之前的数据进行分析、处理及更新。

温室大棚环境自动化监测系统分为6大模块，详见图2。模拟信号采集模块包括前传感器、调理电路、模数转换电路；中央处理模块是整个系统的核心，主要负责数据处理和储存，对整个系统进行整合控制调配；开关输入输出控制模块；上位机通信模块主要用于和上位机（PC机）通信，采用ZigBee无线通信方式；人机接口模块主要为工作人员现场查看和修改各个参数提供方便，包括LCD显示屏和4×4矩阵键盘；EEPROM存储模块可以大容量存储温度、湿度、光强、CO2浓度等数据及工作参数。

图2 智能温室大棚环境自动化监测装置的模块

2 温室大棚环境自动化监测系统设计

2.1 硬件设计

环境自动化监测系统通过温湿度传感器、光照传感器和CO2传感器采集温室大棚内的环境信息，经系统的中央处理器处理后，输出结果被送到执行机构并显示相关信息，从而实现环境温度、湿度、光照强度和CO2浓度控制等一系列功能。该系统的总体硬件结构如图3所示。

2.2 软件设计

为便于连接和调试，软件设计采用模块化程序设计方法，将特定功能编成子程序，以调用子程序方式组成程序流。这样既可以做到修改和调试程序方便，又可以实现软件自诊断，从而使软件更容易理解和维护，为程序通用性、功能扩展可行性、软件资源共享性提供条件。整个程序主要由主程序和若干子程序组成，子程序主要包括温湿度测量模块、CO2及光照强度测量模块。人机接口模块包括键盘处理模块和显示模块。

将智能温室大棚近似看作一个矩形，将其平均分成8个部分并编号为A～H（如图4所示）。主程序运行时，首先显示第一个分区的温湿度、CO2浓度及光照强度，如果数值越限，则报警显示；同时，显示下一个分区的温湿度、CO2和光照强度值，并检查是否越限，以此类推，直到检测完所有分区。

智能温室大棚环境自动化监测系统主程序流程如图5所示。

本系统主要完成温室大棚环境因子数据采集与处理，以及与上位机之间进行通信。根据系统要求，系统对温室大棚内的温度、湿度、光照强度与CO2浓度信息进行采集，实现ZigBee检测节点与上位机间ZigBee无线通信，通过设置相关监测参数进行信息显示，具备实时信息输出、控制、功能自检等一系列功能。

3 温室大棚环境自动化监测系统仿真

通过对新疆生产建设兵团第一师十团花卉基地和温室大棚进行参观和调研，确定现代智能温室需要对大棚内的温度和湿度进行调控，使之保持在适当范围。但光照和CO2浓度只需检测和显示，不需要借助系统程序对其进行控制，原因为：1） 在白天光照充足的情况下，温室尽可能利用自然光照；白天光照不充足时，采用室内照明设施进行补光。2） 利用通风装置保持温室内的空气与大气接近，CO2浓度大约占大气浓度的0.03%。

鉴于上述原因，主要对温室大棚内的温度和湿度进行仿真。

3.1 Keil uVision4

采用Keil uVision4编写C语言程序，通过编译器进行编译、连接，最后将生成的机器码下载到单片机上。

Keil编译器是目前应用最广泛的单片机开发软件之一，为美国Keil Software公司开发的C语言开发系统。其提供一个完整的开发平台，包括宏汇编、C语言编译器、库管理、连接器和功能强大的仿真调试器，并通过集成开发环境将这些部分组合在一起。

3.2 Proteus电路仿真

Proteus软件用来对所设计的电路进行仿真，功能比较强大，可以对包括单片机在内的绝大部分元器件进行仿真。与此同时，可以把Keil编译、连接后生成的hex文件导入Proteus单片机中进行仿真。

3.3 系统仿真

打开Proteus ISIS，在Proteus ISIS编辑窗口中单击元件列表上的“P”按钮，添加元件及放置元件，可以得到对应界面；选择所需元器件后，对元器件进行重新布局，使之看起来比较清晰、所占面积比较小。如果需要移动某个元件或多个，单击其元件，待其颜色变红后，按下鼠标左键不放即可拖动元件。按照正确的方法将元器件进行合理排布及连线后，即可得到系统仿真结构图，如图6所示。

通过仿真进行系统环境自动化监测模拟演练，可以熟悉控制系统工作过程，有利于改进及提高控制精度，实现温室大棚环境自动化监测，减轻人工作业量。

4 结论

综合运用单片机技术、计算机控制技术、ZigBee无线通信技术设计一套以AT89C52为主控芯片的智能温室大棚环境自动化监测系统。该系统可以实现温室内各环境因子的实时监测和无线通信传输，便于大棚管理人员实时了解温室内的环境因子，并及时控制调整，为提高农作物产量提供技术支持。

参考文献

[1] 唐静.智能温室农业环境自动监控系统设计[D].合肥：中国科学技术大学，2011.

[2] 孟雷，张虎.基于DSP的嵌入式農业环境远程监测系统设计[J].安徽农业科学，2010（35）：20 409-20 410.

[3] 曹金源.基于无线传感器网络的设施农业温湿度监测系统设计与实现[D].北京：中国农业科学院，2013.

[4] 王婷婷.基于STM32W智能环境监控系统的研制[D].镇江：江苏科技大学，2013.

[5] 李树江，郭亮，王向东.嵌入式温室大棚参数监测系统[J].微型机与应用，2012（12）：84-86.

温室环境监控系统 篇6

关键词：温室集群,ZigBee网络,Modbus协议,RS 485总线,智能控制,Qt软件

随着人们生活水平的提高,人们希望在一年里的每个时候都能够品尝到绿色新鲜的水果蔬菜,以日光温室为主体的设施农业应运而生。而温室环境监控系统是提高温室作物产量、减少劳动力成本的关键技术,代表了温室生产的核心竞争力。随着传感器技术、计算机控制、网络通信以及物联网等技术的快速发展,融合了上述高新技术的智能监控系统逐渐被应用到温室监控领域[1,2]。传统的大规模温室集群的管理大多是对温室环境单因素进行监测控制,且由人工管理,不能精准地做到温室环境的综合监测和远程控制[3]。为了能够对温室集群中每个温室的生态环境参数实时采集、显示及智能控制,利用物联网技术,开发了针对温室集群环境参数的智能监控系统。

1 系统总体设计

温室集群监控系统主要由各个温室的环境数据采集子系统、环境控制子系统和远程监控子系统组成。将各个温室的微控制器挂在已经布置好的RS 485总线上作为系统从机,然后微控制器将传感器采集的环境参数数据经Zig Bee协调器传过来,并将该数据经RS 485总线通过Modbus协议上传到作为系统主机的监控中心PC机上并保存到数据库中。当需要打开鼓风机、遮阳网或者喷灌来控制温室环境参数时,监控中心会给指定的温室微控制器发送指令,控制该温室的继电器动作,以达到温室环境参数的智能控制。系统总体结构图如图1所示。

2 系统硬件设计

系统的硬件组成部分主要包括数据采集模块、现场控制模块和继电器模块。

2.1 数据采集模块

数据采集模块包括传感器和无线传感网络两部分。

2.1.1 传感器部分

传感器作为信息获取的重要手段,与通信技术和计算机技术共同构成信息技术的三大支柱,是现代信息系统和各种监测系统不可缺少的信息采集手段[4]。将这几种技术融合,能够实现对温室内环境参数的采集、处理和传输。

系统中的温湿度数据采集使用的是STH10传感器模块,具有数字信号输出、低功耗、响应迅速的优点。内部包含一个电容式测湿元件和一个能隙式测温元件,集成了温度和相对湿度的采集。测湿范围为0~100%RH,测温范围为-40~123.8℃。其与CC2530的连接电路图如图2所示。

光照传感器采用的是HA2003型,采用了先进的光电转换模块,将光照强度转化为电压值,通过A/D转化为数字信号输出。其测量范围为0~200 000 lux。

2.1.2 无线传感网络的建立

该系统的数据传输方式采用的是由各个Zig Bee节点组成的无线传输网络。相对于其他无线传输方式,Zig Bee网络具有成本低、功耗低、高传输率、安全可靠的特点。使它非常适合在物联网感知层的传感器网络传递信息。Zig Bee节点的处理器采用的是TI公司的CC2530芯片,它由增强型的8051单片机和高性能的RF无线收发器组成。将传感器和CC2530芯片集成在一起形成Zig Bee节点,并放置在各个温室的合适位置,然后与Zig Bee协调器连接组成Zig Bee无线传感网络,Zig Bee协调器通过串口与各温室的微控制器连接,完成数据采集和传输功能(温度采集、湿度采集和光照采集)。通过程序设置,使得Zig Bee节点能够每10 s采集一次环境参数数据,并将数据传至协调器。Zig Bee无线传输网络的拓扑图通常有三种即星型、网型和树型。由于单个温室数据采集子相对简单,本设计采用的是星型设计,如图3所示。

温室内各个Zig Bee节点将采集到的数据经Zig Bee无线传感网络汇聚到Zig Bee协调器中,然后协调器与温室内的S3C6410通过串口连接进行通信,这样微处理器就能够得到传感器采集到的环境参数信息。

2.2 现场控制模块

现场控制的核心是微控制器,该系统采用的是S3C6410开发板。它是基于SAMSUNG16/32位RISC微处理器S3C6410X的一款开发平台,该微处理器具有高性价比、低功耗和低价格等优点。其功能如图4所示。

每个温室都会配备一个微处理器,由传感器采集到的数据经Zig Bee无线网络传输到S3C6410开发板,然后将采集的数据通过RS 485总线传送到监控中心的PC机并保存在数据库中。当监控中心向指定温室发出各种指令时,微处理器就会控制继电器动作。当采集到的数据超过设定的数值时将会触发S3C6410开发板上的GPRS报警模块,并向用户发送警报短信。

报警模块采用的是TELIT公司的G30模块,它支持语音和数据通信,并且内嵌了TCP/IP协议栈,简化了开发过程和开发周期。将它和S3C6410的UART串口相连,向G30模块发送相关的AT指令,用户插入SIM卡,并且开通GPRS业务后,然后绑定需要接收报警短信的号码,当参数超出预警值时就可以向用户发送报警短信。

2.3 继电器模块

当监控中心向某个温室发出打开鼓风机、遮阳网或者喷灌命令时,由于微处理器输出的开关量大多为TTL电平,不能直接驱动这些装置的开启或关闭,需要一个环节作为之间的桥梁。继电器是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”,在电路中具有安全保护、自动调节、转换电路的作用。常用的继电器有电磁继电器、固体继电器、时间继电器等。

根据系统需要,这里选择欧姆龙公司的MY4N⁃J型继电器,主要参数为负载电流:3 A;最大开关电压:AC 250 V,DC 125 V;动作时间:20 ms以下。

由于微处理器输出的开关量为TTL电平不能直接驱动继电器,所以需要在两者之间加一个三极管,起到放大电压的作用。

3 系统软件设计

3.1 Modbus通信协议

Modbus协议是一种工业上的通用现场总线标准,通过此协议,各设备相互之间,经由网络和其他设备之间可以通信,此协议可支持RS 232,RS 422,RS 485和以太网设备[5]。

挂载在RS 485总线上的各个微控制器通过Modbus协议与监控中心的主机通信,该协议采用主/从的方式进行通信,为从机分配惟一的一个地址,地址范围为1~247,主机首先发出命令帧,同一网络的从机都会接收到该命令帧,如果命令帧中的地址信息与本机地址相同,则向主机返回所需要的信息,如果不同则会忽略。系统工作时,监控中心主机周期性的通过不同线程向所有从机发送命令帧,将每个温室的环境参数返回到主机。当需要改变某个温室的环境时,主机通过从机地址找到该温室发送命令帧,其他从机不予理睬,以达到智能控制特定温室环境参数的目的。

Modbus协议有2种通信方式即ASCII模式和RTU模式,为了保证较快的传输速率,本设计采用RTU通信模式。不管是ASCII模式还是RTU模式,信息传输方式都是以数据帧的形式,每帧数据都有确定的起始点和结束点,数据帧要传送的设备在数据帧的起始点开始读地址,并检测要寻址的设备和信息传输的结束时间[6]。典型的RTU模式的命令帧格式如表1所示。

3.2 控制算法设计

为了使温室内的温湿度不受室外温湿度的影响,且始终让温室内的温湿度维持在当前作物生长的最佳温湿度下,由于常规的PID控制很难满足快速、有效、稳定的要求,应用基于BP神经网络的PID控制算法,使控制系统更加迅速、高效。控制器结构图如图5所示。通过BP神经网络的自学习能力和非线性逼近能力调整PID控制器的参数KP,KI,KD,使它的输出对应于最优控制下的PID参数。

通过分析,采用反转算法并按照梯度下降法修正网络的权系数,得到网络输出层的权值学习算法:

以温室温度控制为例,温室是一个非线性、时变、大滞后与多变量耦合的复杂对象,根据多变量的解耦、园艺经验及实际的测量结果,可以把温室对象简化为一个具有纯滞后的一阶惯性环节[7],其传递函数为:

式中:K为静态增益;T为时间常数;τ为纯滞后时间。

为了验证基于BP神经网络的PID控制算法的效果,分别用常规PID控制器和基于BP神经网络的PID控制器对温室温度控制的效果进行了仿真,其对比仿真曲线如图6所示,其中BP神经网络的结构采用4⁃5⁃3,学习速率η=0.2,惯性系数α=0.02,加权系数初始值取区间[-0.3,0.3]上的随机数。

由图6中曲线变化可知,相比常规PID控制,基于BP神经网络的PID控制在整个控制过程中更加的快速、平稳。

3.3 监控界面设计

为了建立一个良好的交互界面,使用户能够清晰明了地对各个温室环境参数进行控制,对比了组态王、Lab VIEW、Qt等几种界面设计软件,本系统采用奇趣科技开发的Qt作为图形界面开发软件。Qt是一个跨平台的用户图形界面应用程序,提供多达250个以上的API接口,并包含支持Modbus协议的函数库。对于一个温室集群来说每时每刻都会产生大量的环境参数数据,数据存储是该系统的核心部分,所以为了能实时显示各个温室的环境参数、方便用户查询历史数据采用了瑞典My SQL AB公司开发My SQL数据库。具有体积小、速度快、成本低的特点,其代码是开放的,并且Qt提供了操作My SQL数据库的函数,方便用户开发。

由于Qt提供了Modbus库函数,将该库加载到工程中就可以通过Qt实现监控中心PC机的主机功能。通过选择温室集群的某个温室可以知道该温室的实时环境参数如温度、湿度、光照强度等,还有控制鼓风机、喷灌或遮阳网开关的按钮,并且提示当时的环境参数是否超出正常范围,如果超出则会提示用户,并且可以在日志栏中查询以往不正常情况下的温室环境参数情况。该软件还提供根据日期查询历史数据的功能,实验结果如图7所示。整个系统的控制都可以在远程控制中心进行,根据用户设定的各种温室环境参数进行自动调节。当某个温室温度高于40℃时,系统就会发出警告,控制中心会通过Modbus协议给特定温室的微控制器发送打开鼓风机的命令,然后继电器动作,实现对温室温度的控制。同理,当温室湿度或者光照强度超过或低于设定值时,通过控制继电器打开或关闭遮阳网和喷灌,使温室各个环境参数在设定范围内。

4 结语

该系统不仅能够实现温室集群的环境数据采集、实时显示、历史数据查询,还能够通过控制继电器的动作,实现各个温室环境的智能控制。将监控中心计算机作为Modbus协议的主机,分布在各个温室的微控制器作为从机,主机通过RS 485总线搭配Modbus协议发送命令帧给从机,从机产生相应动作以达到远程监控,降低劳动成本的目的。

参考文献

[1]李萍萍,王纪章.温室环境信息智能化管理研究进展[J].农业机械学报,2014,45(4):236-243.

[2]孙忠富,曹洪太,李洪亮,等.基于GPRS和Web的温室环境信息采集系统的实现[J].农业工程学报,2006,22(6):131-134.

[3]岳学军,王叶夫,刘永鑫,等.基于GPRS与Zig Bee的果园环境监测系统[J].华南农业大学学报,2014,35(4):109-113.

[4]俞文俊,凌志浩.一种物联网智能家居系统的研究[J].自动化与仪表,2011,32(8):56-59.

[5]孙刚,吴文彪,郑文刚,等.采用Modbus的灌溉用水远程自动抄表系统[J].农业工程学报,2008,24(z2):76-80.

[6]Watt Stopper Co.Occupanvy sensor design and application guide[EB/OL].[2016-06-14].http//:images3.cableorganizer.com/w.

温室环境监控系统 篇7

温室环境自动控制对作物生长起着至关重要的作用,提高自动化水平也是日光温室现代化的必由之路。20世纪70年代末开始,我国陆续从以色列、美国、日本、荷兰等国引进了许多先进的现代化温室[1]。在吸收国外高科技温室自动监控技术基础上,乔晓军[2]、谷士艳[3]和朱克武[4] 等多人曾先后对温室控制技术和设备进行了研究,取得了一定的成果。但是由于日光温室存在着单栋面积小、管理形式多样(既有分散经营,也有集中管理),而且总体投资能力较差等问题,适用于日光温室群集中的分散管理、操作简便、价格低廉的温室环境控制系统一直是农业科研人员努力的方向。沈阳农业大学与中科院沈阳自动化研究所联合开发出一套基于无线通信技术和以太网技术的农业温室自动化监控系统,在一定程度上解决了上述问题。

1 温室自动化监控系统构成原理及功能

1.1 监控系统构成原理

在这套温室自动化监控系统中,采用了国际先进的无线传感器网络技术和以太网技术,通过温室中分别配有温度、湿度、光照传感器的无线传感器节点,采集得到温室内空气中作物生长环境因子,系统中土壤温度传感器、土壤水分传感器和二氧化碳传感器分别采集土壤温度、湿度和空气二氧化碳浓度,并传送到模拟量采集模块,模拟量采集模块将上述采集到的数据传送到智能控制器。智能控制器可以实现数据传输、控制策略、量程变换,以及LCD触摸屏的显示控制功能。智能控制器将模拟量采集模块传送来的数据经无线AP传送到上层监控计算机,由监控计算机来完成监控功能控制,同时也可通过与智能控制器相连的触摸屏获得当前的数据信息。智能控制器既可以根据预先设定的控制指令来独立完成控制,也可以通过LCD触摸屏和监控计算机对温室设备实现手动控制,并可实现手动控制和自动控制之间的切换,实现在线管理功能,增加系统操作的灵活性。

在本温室自动化监控系统中,温室内装有用于功能控制的智能控制器、现场数据采集器、执行机构控制模块。现场操作采用LCD触摸屏显示,清晰易读。智能控制器与控制室间通过以太网或wifi方式联网通讯。通过LCD触摸操作可手动控制温室内的风机、通风窗开闭、外保温、内遮阳、加温、水泵等动作来调节温室内的环境。

1.2 监控系统介绍

1.2.1 温室气象数据采集系统

温室系统气象数据采集系统与控制室之间采用以太网或无线wifi方式联网通讯,用于测量和显示室外空气的辐射、风速、风向、温度、湿度、雨量等参数,配合温室内的环境参数,为温室内环境的控制提供参考因素和相关的气象报警。其中,温度传感器、湿度传感器、光量子传感器和风向传感器输出的信号,由模拟采集模块采集后,经RS-485接口传输到智能控制器;风速传感器和雨量传感器输出的频率信号,经计频模块计频后通过RS-485接口传输到智能控制器,在智能控制器中进行量程转换,以得到所需的数据信息。

1.2.2 温室现场环境因子数据采集

温室自动化监控系统构成示意图,如图1所示。作为自动化温室监控的依据,温室内现场数据的采集是自动化控制的基础,空气温湿度传感器和光照强度传感器与国际先进的无线传感网技术相结合,由空气温湿度传感器和光照强度传感器采集到的环境信息经无线节点发送到无线汇聚节点,完成数据的采集。土壤温度传感器、土壤湿度传感器和二氧化碳传感器输出的电流信号由模拟采集模块采集后,模拟量采集模块经RS-485接口将数据发送到智能控制器,从而完成土壤温度、土壤湿度和二氧化碳浓度的数据采集。智能控制器根据采集到的温室内的现场环境因子来进行进一步处理及根据温室中空气温度/湿度、光照度、CO2浓度、地温和土壤水分等信号量的变化,按照用户设定的环境因素上下限值(如湿度,温度),对风机、水泵、拉幕、开窗、加热、降温等设备进行自动化调节与控制。

1.2.3 温室监控设备

所谓自动化温室监控系统,即可根据温室中现场环境因子,如空气温度/湿度、光照度、CO2浓度、地温和土壤水分以及室外气象站的温度、湿度、辐射、风速、风向和雨量等信号量的变化,按照预先设定的环境因素的经验阈值,通过智能控制器控制继电器输出模块来控制或驱动各执行机构,以开窗、灯照、加热、吹风、浇灌、卷帘等方式来进行全自动化调节与控制,营造有利于植物生长的环境。

本温室监控系统中,可采用如下方式实现:

1)由智能控制器根据预先用户在人机界面上设置的经验阈值,对比采集来的各个环境参数,实现温室设备的自动控制。

2)由用户通过与智能控制器相连的液晶触摸屏切换到手动控制模式,并通过点按触摸屏上相应的标签,实现对温室设备的手动控制。在手动控制时,可单独控制某个或多个设备。

3) 通过上层监控计算机,来控制温室设备,调节环境因子。

当温度超出或低于设定的经验阈值时,通过控制加热、卷帘和开窗等方式来调节温度;当空气湿度超出或低于设定的经验阈值时,通过控制开关吹风机吹入水雾来调节湿度;当光照强度低于或超出设定的经验阈值时,通过控制卷帘和放帘来调节光照强度;当二氧化碳浓度超过或低于设定的经验阈值时,通过控制开关天窗来调节温室内的二氧化碳浓度;当土壤水分低于或超出设定的经验阈值时,通过控制水泵的开启和关闭来调整土壤湿度。

1.2.4 自动化温室系统监控软件

监测统计软件在本系统中包括与智能控制器相连的用于LCD触摸屏显示的监控软件和上位机监控软件两部分:

1) 上位机监控软件除可以实现LCD触摸屏监控软件的全部功能外,还提供了实时曲线显示、历史曲线查询、报表、打印、数据统计等功能,为植物生长分析提供数据信息,从而调节出更加适合植物生长的温室环境。

2) LCD触摸屏监控软件,主要用于现场监测温室内空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度、光照强度和二氧化碳浓度以及室外气象站的空气温度、湿度、辐射强度、风速风向和降雨量等环境参数,还可提供参数异常报警功能。LCD触摸屏监控软件既可设定各环境参数的经验阈值,为智能控制器自动控制提供控制依据,也可切换到手动控制模式,直接控制各执行机构,完成对温室内环境参数的调节。

2 温室自动化监控系统平台

2.1 监控系统软件平台

本温室自动化监控系统软件平台包括两部分,分别是与智能控制器相连的触摸屏监控软件平台和运行于上层计算机上的温室自动化监控平台。

触摸屏监控软件平台为使用者提供对温室环境参数和室外气象站的气象参数的监控。触摸屏监控软件平台还允许使用者将控制系统在手动控制和自动控制之间进行切换,并且提供用户登录功能,允许特定使用者来修改为自动控制提供依据的参数阈值,或者手动控制本系统中的执行机构。这既方便了使用者根据温室状态来实现自动控制,同时也保障了该控制系统的使用权限问题,避免误操作。

温室自动化监控平台可以根据温室中空气温度/湿度、光照度、二氧化碳浓度、地温和土壤水分等信号量的变化,按照用户设定的环境因素上下限值(如湿度、温度),对风机、水泵、拉幕、开窗、加热、降温等设备进行全自化调节与控制:提供室外气象监测功能,实现室外气象参数检测,采集室外空气温度/湿度、光照度、风速/风向、雨量等状态数据;可实现手动/自动控制方式转换,在手动控制时,可单独控制某个或多个设备;提供上位机监控、操作及编程软件,可实现设备状态图形化显示、实时数据监测及数据设定、浏览、曲线绘制、存储、报表、打印、报警等功能;提供用户二次开发环境,用户可实现自己的控制策略,简单易用。

监控软件平台,直接面向使用者,因而其界面的友好性,功能的完备性,操作的方便性等方面都是必需的。温室自动化监控平台提供上位机监控、操作及编程软件,可实现设备状态图形化显示,模拟设备的具体动作形态,实时数据监测及数据设定、浏览、曲线绘制、存储、报表、打印、报警等功能;提供用户二次开发环境,用户可实现自己的控制策略,简单易用,界面友好。

2.2 智能控制器

智能控制器是本自动化温室监控系统的控制核心,可同时实现以太网通信、RS-485数据通信、量程变换、控制策略实现,以及LCD触摸屏的显示控制功能。智能控制器示意图,如图2所示。

智能控制器通过RS-485通信接口可同时与多达32个现场数据采集与处理模块相连,如模拟量转换模块、模拟量输出模块、数字量输入模块继电器输出模块、计频模块和PWM模块等。因而,智能控制器具有现场数据采集和对执行机构的控制的功能;智能控制器向上提供标准以太网接口,通过以太网与控制室内的主机进行通讯,将通过采集模块采集到的数据信息发送到上位机监控软件平台,也可根据预设的控制策略以及上位机监控软件平台的控制命令来驱动现场的执行机构;同时智能控制器还与现场的LCD触摸屏相连,可实时多种现场数据的显示,可进行如温度、湿度等参量的上、下限值进行设置,方便现场操作人员的设置和人工控制。

2.3 无线传感器网络节点

无线传感器网络节点,具有精度高、体积小、成本低和易维护等特点。无线传感器节点由传感模块、处理模块、通信模块和电源模块组成,其原理图如图3所示。无线传感器网络节点配合相应的传感器可实现温室内环境因子的测量,如温度、湿度、光照等现场数据。同时,无线传感器网络将采集到的现场数据信息发送到无线传感器网络网关,继而发送到上层监控系统软件,实现现场数据信息的采集监测。

2.4 无线传感器网关

无线传感器网关用于实现无线传感器网络与监测站的数据通信连接,其原理图如图4所示。该无线传感器网关一端通过其内部的无线传感器节点的通信单元与无线传感器网络通信,另一方面可连接无线局域网卡、手机上网卡或直接通过RJ-45接口连至以太网。

3 结论与讨论

本自动化温室监控系统,很好地实现了现场环境因子的数据采集和控制策略的实现,并可根据设定的控制策略来控制执行机构,完成环境因子的智能调节。本系统具有如下特点:

1) 强大的系统功能。该温室自动化监控系统能对环境因子进行数据采集、信息处理与实时控制;对系统运行的重要参数进行送显;允许现场操作人员对生产过程进行干预,实现在线管理;提供数据存储、曲线绘制、报表打印等功能,可满足所需的数据采集和分析功能。

2) 便捷的操作方式。该温室自动化监控系统提 供触摸屏监测软件平台和上层计算机自动化监控平 台,人机界面友好,增加了系统的易用性。

3) 较高的系统可靠性。系统内各装置均具备良好的密封性,适合湿度较大的日光温室环境,符合EMI/EMC规范的硬件设计,使得该系统对其它设备无干扰。

4) 具有较强的系统扩展能力。在本温室自动化监控系统中采用通用的设备通信接口,如RS-485、工业以太网、无线以太网和无线传感器等技术,这种通用性为以后升级预留扩展接口;无线技术的应用,解除了测量点的放置限制,可方便实现数据采集、设备控制和数据传输,从而使得该系统具有较强的系统扩展能力,因而可应对规模农业的扩张需求。

本自动化温室监控系统在实践应用中获得了良好的使用效果,可根据不同日光温室的装备条件,实现由简单到复杂的多种环境自动监控,与专家管理系统结合,能够较好地满足现代农业生产的需求。

参考文献

[1]罗中岭.美国花卉温室现状及温室环境调节最新发展[J].农业工程学报,1993,9(4):67-71.

[2]乔晓军,沈佐锐,陈青云,等.农业设施环境通用监控系统的设计与实现[J].农业工程学报,2000,16(3):77-80.

[3]谷士艳,李天来,王铁良,等.日光温室多点温度智能检测控制系统[J].北方园艺,2006(1):66-67.

温室环境监控系统 篇8

当前,温室管理向着精细化、现代化、自动化的方向发展。温室自动化管理的基础是对温室内部环境的精确监控。温室环境监测信息的传输方式有有线方式和无线方式两种。有线方式存在布线复杂、前期投资大、后期维护困难等不足。而无线通信方式具有无需布线、组网灵活、易于升级等优点,因此,正逐步成为当前温室环境信息传输的主要方式之一。

无线传感 器网络 (Wireless sensornetwork,WSN) 作为一种全新的信息获取和处理技术,具有自组织成网、无需布线、低功耗、成本较低等优点,已逐步渗透到农业领域。当前,针对无线传感器网络在温室环境中的应用又有了很多研究成果,但多集中在节点硬件设计和网络架构设计上,对于温室内部节点覆盖问题和数据融合问题的研究,还少有报道。本文根据温室应用环境,针对温室内部结构固定的特点,在前人研究基础之上,提出一种基于分簇结构的网络覆盖算法,在保证监测精度的同时,可减少使用无线传感节点的数量;针对温室环境监控实时性不高的特点,提出一种基于多传感器信息融合算法,实现对温室内部执行机构的控制。

1 系统模型结构

基于无线传感器网络的温室环境监控系统主要包括远程监控中心、汇聚节点、簇首节点和普通节点构成。由簇首节点和普通节点构成簇,完成对温室内部一定区域的监控。汇聚节点完成对温室内部监测数据的收集,然后通过GPRS网络传送至远程监控中心。设计中,每个簇都采用星型网络拓扑结构,由一个簇首节点和普通节点构成。簇首节点负责收集普通节点的数据,处理后传送给汇聚节点。簇首节点是控制节点,可完成对温室内部执行结构的控制。

2 节能覆盖算法设计

从节点的硬件结构可知,因处理器模块或电源模块不同,所以文中设计的无线传感器网络属于异构型网络。簇首节点既是一个簇的管理节点,也是控制相应执行机构动作的节点,与普通节点相比,其功能更强大,成本造价高,因此在系统中的数量远少于普通节点,只需要其作用域能完全覆盖事件区域即可。

2.1理论基础

在节点感知半径有限的情况下,用最少节点完成对给定区域的完全无缝覆盖,实质上就是使每个节点的覆盖面积最大。如果传感器节点感知模型采用圆盘模型,即传感器的感知范围是以节点为圆心,以传感半径r为半径的圆。为了使两两相交的3个圆的相交面积最小, 3个圆心构成的三角形应该为正三角形。此时,3个圆构成的覆盖面积最大。

根据上面的分析,将簇首节点(执行器节点)设为传感器节点,若要保证以概率P可靠覆盖面积为S的区域,则可得需部署执行器节点的数量n为

式中,S是被覆盖区域的面积,R是簇首节点所配置的执行器的作用半径。

2.2簇首节点成簇

通常情况下,温室结构多为长方形,如果用每个圆形的内接六边形代替圆形对温室进行覆盖,可得温室用簇首节点进行覆盖的示意图,如图1所示。

为了保证设计的网络达到无缝覆盖和完全连通的目的,设计中使节点的通信半径至少为传感半径的两倍。

3 数据融合算法设计

无线传感器网络中的数据融合就是通过设计相应的数据处理算法,对节点检测到的数据进行处理,从而达到降低网络能耗、提高通信效率和提升系统整体性能的目的。温室中的各种环境监测数据具有冗余性大、实时性要求不高、检测值变化小等特点。根据文献介绍,传感器节点发送1bit数据的能耗相当于处理器处理1000条左右指令。所以,通过减少数据传送量可有效降低节点能耗。考虑到温室环境监测中数据冗余性大的特点,根据节点的硬件结构,本文通过设计相应的数据融合算法来降低节点的数据传输能耗和提高控制的精确性。

3.1传感器节点数据融合算法

与簇首节点或汇聚节点相比,普通节点采用电池供电,整体硬件结构较简单,因此,数据融合算法设计应该根据节点的处理能力进行设计。

根据节点配置的传感器的特点和温室内部环境条件较为稳定的特点,设计如下数据融合算法1,节点处理步骤如下:

Step 1: 连续对被测信号进行采样n次,其中n为奇数;

Step 2: 将n次采样值按大小排列,取中间值作为本次采样值;

Step 3: 将本次采样值与上次采集值进行比较,如果超出设置的温度变化阈值,则将本次采样值发送给簇首节点,再由簇首节点传送给汇聚节点;如果偏离值小于设定的阈值,则只需将本次采样值进行保存。

3.2汇聚节点数据融合算法

在温室内需要控制的执行机构种类较多,如排风机、遮阳网、CO2发生器、加热装置等,如果只使用一种传感器,所能获知的信息将不充分,不能达到最佳的控制效果。例如用温度传感器控制温度,用光照度传感器控制遮阳网,湿度传感器控制喷水设备,如果只有一种单一控制对象,上述各种传感器都能完成各自的功能。但由于上述传感器是部署在同一区域,所以单一的控制将对别的控制产生影响,如温度传感器保存温室内部温度相对恒定,而湿度传感器监测到湿度不够时,将打开喷水装置,此时会影响温度控制,因此,为了实现最佳控制,可采用数据融合方法对传感器采集的数据进行综合处理。

设计中汇聚节点采用如图2所示的融合判断模型。

根据融合判断模型,设计了基于专家系统的信息融合算法。融合规则如表1所示。

表1中,每个传感器的状态有3种,1表示超过阈值,0表示低于阈值,0.5表示正常。从表1可知,温室信息采集共使用了6类传感器,因此,共有729种组合状态。汇聚节点根据接收到的6类传感器的状态,控制相应的执行机构动作。

4 系统运行测试

为了验证我们设计的监测系统的有效性,我们将设计的系统在实际的温室安装运行。将温室划分为6个区域,每个区域分别配置1个簇首节点和5个传感器节点。普通传感器节点都配置有温度传感器和温湿度传感器。为了具备较好的通信能力,网络中所有节点配置的都是50Ω的鞭状全向天线。汇聚节点配置有GPRS模块,可将信息通过GPRS传送给远程监控中心。

4.1数据传送次数比较

将节点数据采集周期设置为10分钟,分别测试普通节点不执行数据融合和执行数据融合情况下发送的数据包数,测试时间2小时。测试结果如表2所示。

从表2可知,通过在普通节点执行数据融合,则在温室内部环境无异常的情况下,普通节点不需要发送数据包,因此,节约了节点的能量。

4.2系统性能测试

节点部署方式同上,在温室内部节点互相可视条件下,节点有效通信距离可达50 m,误码率为1%。在有遮挡情况下,通信距离最远可达40 m,但通信有中断现象。

时间是2014年3月9日0:00到6:00,采集周期30分钟,地点在中国南方某温室。温室内配备有升温、通风、喷灌等控制设备。温度控制范围是,图6是温室内部温度调控曲线。

5 总结

针对温室环境监控的需要,设计了基于无线传感器网络的监控系统。考虑到温室内部存在有普通节点和簇首节点两类异构节点,设计了基于六边形部署的簇首节点的覆盖算法,可在保证目标区域完全覆盖的情况下,使用最少的簇首节点;同时为了降低节点能耗和提高控制的可靠性,针对普通节点和汇聚节点分别设计了不同的数据融合算法。实验结果证明,通过在节点执行数据融合算法,能有效降低节点发送的数据量,从而节约能耗;通过在汇聚节点执行数据融合算法,能较好实现对温室内执行机构的控制。

摘要：针对温室环境监控的需要,基于无线传感器网络的特点,设计了面向温室环境的自动监控系统。给出了系统结构,详述了温室环境中无线传感网络的覆盖算法及数据融合算法,结合GPRS网络,实现了信息的远程共享,实验证明该系统能够实时监测温室环境中温湿度等环境参数,能较好地满足温室环境监控的应用需求。

日光温室群环境控制系统评价 篇9

近几年,在我国涌现出了一批具有较大生产规模的设施园艺生产示范园区和生产基地。这些园区和基地一般都是几十栋连片温室组成的温室群,它们代表了我国设施园艺生产的发展方向和趋势。为这些日光温室群选择适当的温室环境控制系统,可以提高温室环境控制精度,从而提高产品的产量和质量,降低资源消耗,实现高产、高效和可持续的设施园艺生产,并为我国探索具有中国特色的现代化设施园艺生产模式做出有益的尝试。

目前,我国的温室环境控制系统主要有单片机控制系统、基于IPC的控制系统、基于PLC的控制系统、集散型控制系统、嵌入式Linux系统、现场总线控制系统(FCS)和基于 Internet 的环境控制系统[1]。这些控制系统各自有自己的特点,如何评价这些控制系统的优劣以及适用范围,已经成为当前实践生产中亟待解决的问题。

本文针对哈尔滨香坊试验农场日光温室群,采用灰色关联投影法对7种日光温室环境控制系统进行了综合评价,从中优选出适应性最好的控制系统。

1 温室群环境控制系统评价指标体系的建立

依据指标体系建立的一般原则,选择温室环境控制系统评价指标,主要评价指标有年运行费用E1、净现值E2、环境控制精度T1、系统可扩展性T2、用户欢迎程度H1、温室群适应性H2和安全可靠性H3。 评价指标层次结构如表1所示。

取温室控制系统性能指标的评价集为V={v1(好),v2(较好),v3(中等),v4(较差),v5(差)},并赋予评价集各元素以量值,V=(1,0.8,0.5,0.2,0),表示评价集各元素与技术风险数值大小的对应关系。

请有关技术专家组成评价小组,对温室的基本性能指标进行评分,得出7种温室环境控制系统的评价指标值,如表2所示。其中,年运行费用和净现值为成本型指标,其余为效益型指标。

2 灰色关联投影模型

多目标决策的灰色关联投影法弥补了采用数理统计方法做系统分析所导致的缺憾,它对样本的多少没有要求,对于样本有无规律都同样适用,而且模型理论明晰,方法简单,便于利用计算机编程,具有很强的可操作性。这是层次分析法所无法比拟的,而且所得的灰色关联投影值分辨率较高,更不会出现量化结果与定性分析结果不符的情况,能够为决策部门提供科学依据。灰色关联投影法的基本原理如下。

2.1 确定决策矩阵

设多指标决策域的集合为A:A={方案1,方案2,…方案n)=(A0,A1,…An};各方案因素指标集合为I′:I′={指标1,指标2,…指标m}={I′0,I′1,…I′m}。记方案Ai对评价指标Vj的属性值为Yij(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)。

一般情况下,指标有“效益型”指标和“成本型”指标的区别。所谓效益型指标,是指属性值愈大愈好的指标,如人均国民生产总值等;所谓成本型指标,是指属性值愈小愈好的指标,如净现值等。设相对最佳决策方案A0的因素指标为Y0j,且满足以下条件:当因素指标Vj为效益型指标时,Y0j=max(Y1j,Y2j,…,Ynj);当因素指标Vj为成本型指标时,Y0j=min(Y1j,Y2j,…,Ynj)。此时,称含有相对最佳决策方案的增广型矩阵Y=(Yij)(n+1)×m(i=0,1,2,…,n;j=1,2,…,m)为方案集合A对指标集合V的决策矩阵。

2.2 初始化决策矩阵

为了消除量纲和单位不同所带来的不可公度性,决策之前首先应将评价指标进行无量纲化处理。对一个数列的所有数据均用它的第1个数去除,从而得到一个新数列的方法叫初始化处理。记Y′为Y的初始化矩阵,且满足下式

Y′ij=Yij/Y0j (i=0,1,2,…,n;j=1,2,…,m) (1)

2.3 确定灰色关联决策矩阵

以式(1)中Y′0j为母序列,以 Y′ij(i=0,1,2,…,n;j=1,2,…,m)为子序列,就可以得到其他决策方案与相对最佳方案的灰色关联度,即

undefined (2)

通常情况下,取λ=0.5,这样将所求得的由(n+1)m个r组成的矩阵称为灰色关联度判断矩阵F,即

由于决策方案中各个评价指标之间的重要性不同,故对灰色关联度判断矩阵进行加权处理。设评价指标间的加权向量为W=[W1W2 … Wn]T>0,W的确定方法有主客观赋权法两大类。灰色关联度判断矩阵加权后可以得到灰色关联决策矩阵F′ ,即

2.4 确定灰色关联投影值

将每个决策方案看成一个行向量(矢量),则可得到每个决策方案Ai与相对最佳方案A*之间夹角θi的余弦值ci,称此角为灰色关联投影角,如图1所示。

undefined

由式(1)和图1可知,当灰色关联投影角θi越小(即余弦值越大)时,表示决策方案Ai越接近相对最佳方案A*。设决策方案Ai的模数为undefined,决策方案Ai在相对最佳方案A*上的投影值为灰色关联投影值 ,且满足

undefined (6)

将权重进行归一化处理,称处理后的权重undefined为灰色关联投影权值矢量,即

undefined (7)

根据式(6)和式(7)可以得到灰色关联投影值Dj,即

undefined (8)

经过以上步骤的计算,得到各方案的投影值,再根据这些投影值的大小,对多指标做出科学的比较和分析[2,3,4]。

3基于灰色关联投影法的日光温室群环境控制系统评价

将已经建立的温室群环境控制系统评价指标体系,以及基于灰色关联投影法的评价方法,应用于哈尔滨香坊农场日光温室群的环境控制系统评价,以验证评价指标体系和评价方法的有效性,并为香坊农场日光温室群优选出适应性最好的温室环境控制系统。

已知7种方案集A={方案⑴,方案⑵,方案⑶,方案⑷,方案⑸,方案⑹,方案⑺}和指标集V=(年运行费用,净现值,环境控制精度,系统可扩展性,用户欢迎程度,温室群适应性,安全可靠性)。在指标集V中,年运行费用和净现值属于成本型指标,其他指标均属于效益型指标。

1) 根据表2中的数据,可以知道相对最佳方案A0的因素指标为A0=(0.08 0.8 0.95 0.95 0.9 0.85 0.95 )列出方案集A对指标集Y的属性矩阵Y。

2) 根据式(1)进行初值化处理,得到Y′,即

undefined

3) 在得到初始化序列Y′后,根据式(3)计算出灰色关联判断矩阵F,即

undefined

4) 通过专家打分,建立各层判断矩阵,利用层次分析法确定各指标的权重分配,得各指标得权重为W=( 0.185 1 0.244 2 0.058 9 0.043 0 0.104 3 0.154 0 0.210 5)。

根据式(5)可以得到一组新的加权矢量,即灰色关联投影权重矢量undefined

5) 根据式(8),最后得到各个决策方案的投影值Dj, Dj=(0.302 3 0.214 6 0.244 8 0.279 90.290 2 0.376 8 0.301 4)

6) 根据5种温室的投影值大小来评价各温室环境控制系统的优劣。根据决策方案的投影值可以看出:总线式控制系统的投影值为0.376 8,数值最大,故为最优方案。

为验证评价结果的准确性,应用模糊物元方法和投影寻踪法对5种灌溉模式进行评价,如表3所示。评价所得的最优方案与灰色关联投影法所得方案基本一致,方案优劣排序基本一致,但灰色关联投影法评价结果更为合理。

4 结论

本文建立了温室群环境控制系统评价指标体系,运用灰色系统理论中灰色关联度的概念,提出了灰色关联投影模型,模型理论简洁、概念清晰、方法简便、符合实际,具有较好的实用价值。评价结果与模糊物元和投影寻踪法所得结果取得了较好的一致性,并且符合客观实际,表明该评价指标体系和评价模型应用于温室环境控制系统评价问题是可行的,为温室环境控制系统选择提供了较为可靠的科学依据。

参考文献

[1]杜尚丰.中国温室环境控制硬件系统研究进展[J].农业工程学报,2004,20(1):6-13.

[2]吕锋,崔晓辉.多目标觉得灰色关联投影法及其应用[J].系统工程理论与实践,2002(1):103-107.

[3]周前祥,张达贤.工程系统设计方案多目标灰色关联度决策模型及其应用的研究[J].系统工程与电子技术,1999,21(1):1-3.

温室环境监控系统 篇10

蔬菜温室中由于塑料薄膜的遮挡，棚内自然光照利用率很低，一般只有露地环境的40%~60%，特别是阴雨雪天气棚室内光照度下降更多，从而影响了蔬菜的产量与品质。所以，调控温室的透光、增光条件，充分利用太阳光照设施，是蔬菜温室管理工作的重点。

1. 适当的方位 在同一个地点，温室方位不同，对光照的利用率也不同。综合各种因素，温室方位以选择坐北朝南或偏西5~10度为宜，这样可延长下午光照时间，从而获得较好的光照。

2. 选择透光性好的棚膜 棚膜应选择聚氯乙稀无滴膜，因无滴膜透光率比有滴膜高15%。如能采用紫光膜最为理想，因为冬季太阳光谱中紫外线（紫光）只有夏季的5%左右，温室覆盖白色、绿色棚膜只能透过5%的紫外线，而紫光膜可透过88%。紫外线光谱可抑制病菌，控制植株徒长，促进营养积累，还可比绿色棚膜提高室温2~3℃。

3. 改善透光条件 棚膜容易吸附尘土，影响透光。据观察，覆盖的新膜，经过两天后尘土可使透光率相对值降低14.3%，经10天后降低25.3%，经15天后降低28.3%。所以，要经常擦洗棚膜表面，排除透光面的水滴，特别是雪天要及时清除积雪，以增加透光率。

4. 补充人工光源 补充棚室光照所用的光源有白炽灯、荧光灯、水银灯、卤化金属灯和钠蒸气灯。河北农业大学研制的太阳灯功能更好，其太阳光谱对蔬菜叶片的光合强度是荧光灯、白炽灯等的9倍。各种灯的波长特性不一，对蔬菜影响不同，应根据具体条件选择。开灯补光时间以每天早晚开3~4小时为宜，这样与太阳光加在一起每天光照时间可达13~14小时。雨雪天气可全天补光。

5. 充分利用反射光 在生产中由于温室内光照有局部差，前排光量为100%，中排为52.5%，后排为34.3%，从而造成蔬菜产量各排不均，即前排产量占总产量的51%、中排占31%，后排占18%，由此造成温室北部低产区。为改进光照分布状况，可采用在温室北墙张挂聚酯镀铝膜反光幕的办法，使距反光幕1米、2米、3米处光照增加30%、15%、9%，这样不仅可增加温室后部光照强度，而且还可提高室温2~3℃，蔬菜产量即可提高20%左右。此外，在北墙涂刷白灰，也可起到增加自然反射光的作用。

（作者联系地址：辽宁省开原市高中 邮编：112300）

温室环境监控系统 篇11

温室环境测控系统的工作原理就是根据温室内外装设的各种传感设备采集或监测信息,然后传递给处理设备进行分析与处理后,控制其执行机构对温室的环境进行自动调节与控制,以达到为作物的生长发育创造最佳环境条件的目的[1]。

1 目前智能温室环境测控系统控制器分析

由于处理器核心技术的不断进步,温室控制系统处理器的处理能力也在飞速发展,种类也在不断增多。资料显示,目前的温室控制系统结构中,在核心处理器的选择上[1],主要采用以下几种:

(1) 工业控制机

在这种温室控制系统中其核心处理器是以工业控制机为中心的。其余2个模块:一个主要由用于环境因子采集的各类传感器组成;另一个模块主要由各种执行机构组成。控制系统的主要特点是多输入和多输出闭环控制,所以硬件的开发量比较小,软件组态方面也比较方便,市场很容就能够买到所需要的硬件及软件。工业控制机的一个显著的特点是具有标准通信接口,因此很容易实现温室的群控和网络化。其缺点是:一方面是成本较高,因为工业控制机及相应的组态软件都需要购买;另一方面是集中控制,如果核心的工控机发生了故障,那么将导致整个系统运行遭到破坏。而且在这种以工控机做为控制器的结构中,在进行系统的布线时由于多入多出结构的特点,线路铺设相当复杂,如果出现了问题在维护起来也十分不方便。

(2) 单片机

在这种控制系统中其性能的好坏主要由所选用的单片机所决定。其主要特点是单片能够对全局环境进行控制和管理,对使用者的素质要求不是很高,操作起来也十分容易,而且投资成本较低。但是在系统搭建时其线路的铺设十分复杂,出现故障的几率也是相当的高,因此系统的可靠性必然受到影响;一般还是通过模拟量或开关量进行信号的输入、输出,自动化程度比较低。

(3) 可编程逻辑控制器

可编程逻辑控制器[2]是一种通用的自动控制装置。这种装置的主要特点就是将传统的继电器技术和先进的计算机技术、通信技术等融为一体。运算能力方面能够进行复杂的逻辑运算和算术运算。其控制能力方面相对较强,对于温室环境系统来说,它能够满足长期连续的工作和高效率的控制需求;在系统稳定性方面,系统性能稳定,因此可靠性比较高;在操作方面,比较灵活,而且操作方法比较简单。缺点是不能独立进行控制需要和上位机进行联合,因此在资金投入方面很大,普通的农业用户在经济能力上无法承受。

(4) 嵌入式控制器

嵌入式控制器是由通用CPU[2]演化而来的,随着嵌入式系统的快速发展,应用领域也不断扩展。再加上其“专用”的特点,在温室控制系统中的应用在日趋增多。

2 专用CPU的设计

虽然微处理器的技术在飞速的发展,处理能力也在不断的增强,从4、8、16、32至 64位,但通过调查发现,16位的微处理器经历了这么多年的发展之后,生命力依然十分旺盛,在市场上具有相当高的占有率。与从16位机迅速的向32位、64位过渡的通用的计算机相比,16位微控制器从诞生至今,虽历经了从单片微型计算机到微控制器、微控制器到SoC的变迁[3],但在嵌入式领域16位机依然是中低端应用的一种主要机型,而且在未来相当长的一段时间内,这个势头仍然会持续下去。因为这是由嵌入式系统和通用计算机系统的完全不同的应用特性决定的,所以其技术发展道路走向是完全不同的。根据智能温室测控系统[4]的特点,在最大限度地满足数据的采集、控制、可靠性和低功耗等品质的要求下,16位机具有很强的速度潜力,因此本所设计的专用CPU为16为CPU。作为智能温室环境测控系统的专用CPU,一方面它和通用的CPU相比具有很多的共同特性,另一方面具有它在农业温室控制系统领域的特殊性[5]。

2.1 专用CPU的组成结构

图1是一个16位的采用了RISC思想的单总线CISC CPU处理器结构。

此CPU单独设置了一个8段的流水FLOAT(浮点型运算器)、一个ALU(定点运算器)、一个PcCount(程序计算器)、一个InstrReg(指令寄存器)、一个Shift(移位运算器)、一个ComP(单比较器)、一个Compn(比较器组、n为可扩充)、一个Controller(控制单元)、一个AddrReg(地址寄存器)和八个Reg0…Reg7(16位寄存器组),它们共用一组16位的三态数据总线。其工作流程和通用CPU相同,不同的专用寄存器保存指定的内容,指令的执行分顺序和转移两种方式。

该结构中有专门针对于智能温室测控系统而设计的一个浮点运算器和n个Comparray比较器[3]。一方面由于本智能温室环境测控系统的一个很重要的功能就是硬件实现智能控制方法,同时运算模块主要对由采集模块所采集的环境因子进行比较分析和处理,而所采集数据通常是浮点数,所以本文在CPU的运算单元中增加了单独的浮点运算器;另一方面因为在智能温室测控系统中要随时对温度、湿度、CO2浓度等数据与作物生长的最佳值比较[6],如果数值超越了警戒线,就要采取措施。为了提高处理速度,方便比较,该结构中放置了比较器组,会把最常用的值在不同的比较器中固化,不但节省了取操作数的环节,而且也节省了时间。

2.2 比较寄存器组的设计

Comparray比较寄存器组是专门针对于智能温室测控系统设计的。在智能温室测控系统中要随时对温度、湿度、CO2浓度等参数与作物最佳生长值比较,如果数值超越了设定值,就要采取措施。该结构中放置了多个比较器,主要是为了方便比较,因此会把经过时间测试或专家提供的最常用的作物生长不同阶段的标准值在不同的比较器中进行固化,这样减少了取操作数的环节,自然就节约了时间。比较寄存器组的结构如图2所示。

在这个比较器组中只列了3个比较器,分别比较CO2浓度、湿度、温度,在智能温室控制系统中还有,光照强度、PH值、EC值、室外气象值、光合作用等,这里只是用这3个值作为示例。Comparray就相当与一个选择器,来分别选择比较寄存器组中的寄存器,这里设置了3个比较寄存器,当然也可根据需要进行增减。

3 浮点运算器的设计与仿真

本专用CPU设置浮点运算器的目的是要将智能控制算法在CPU内集成。而此浮点单元在进行复杂的算术逻辑运算时,主要设置了状态机,通过状态机[6]对浮点运算单元的各个子模块进行调用,从而实现运算。本浮点运算单元的子模块主要有:加减法运算器、乘法运算器和除法运算器。它们之间的协调与配合是在总控状态机的负责下进行的,总控制状态机首先根据情况启动各个运算子模块使其进入运算状态,当运算结束后总控状态机会收到运算结束的反馈信号,并且将结果存入指定寄存器中,或用于输出或用于下一次运算。下面对各个子模块进行分别设计:

3.1 加减法器的设计与仿真

浮点加减法运算模块电路原理如图3所示。主要由6个模块构成,分别是Subcell模块、exchange模块、move模块、M_add模块、standar模块、cntrl模块。

功能仿真如图4所示。

3.2 浮点乘法器的设计与仿真

浮点数乘法器的基本思想是符号与数值分开处理,2个操作数符号的异或为结果的符号,对于数值的处理采用的是取底数相乘、指数相加减的方法,然后对结果进行规格化处理后,再调整指数。按照浮点数的乘法步骤解释程序如下:

(1) 零操作数判断

如果两个操作数中只要有一个操作数是0,则结果为0:

若q的值为1,则执行完下面的程序后就就跳出进程:

若q的值为0,则程序就继续执行一下操作。

(2) 运算结果符号位判断

运算结果符号位主要是由两个操作数的符号决定,而其实现主要是通过一个异或门电路得到,程序如下:

(3) 幂相加和尾数相乘

(4) 规格化与舍入处理

当以上3步运算结束后,要对最高位进行判断,从而决定是否需要进行规格化,采用直接舍入法进行处理。

浮点乘法运算的功能仿真如图5所示。

3.3 浮点除法器的设计

除法器的VHDL核心处理代码如下:

功能仿真如图6所示。

4 结 语

针对温室环境控制的功能特点,在CPU中设计了可扩充的环境值比较器组。用来对采集的单个环境值与标准值进行比较,不但节省了存取数据的时间,也提高了温室环境测控系统的系统效率;单独设置了浮点运算器使得此专用CPU可以对智能控制算法的硬件集成提供良好的支撑,使得无PC的参与、无庞大专家数据库系统的支撑,同样具有反应专家知识的功能。

摘要：智能温室是近年逐步发展起来的一种资源节约型高效农业发展技术,目前国内大多以单片机、通用计算机作为温室系统处理器,由于基于单因子和成本问题,其智能化和效率有待提高。在此通过对目前智能温室控制器的分析研究,提出并设计了一款16位的的单总线专用CPU,且专门针对于智能温室测控系统设计了一个浮点运算器和n个Comparray比较器,并使用VHDL语言在QuartusⅡ6.0中进行设计与仿真。所以,该CPU不但具有通用CPU的基本特性,而且更具有在农业温室控制系统领域的特殊性。

关键词：测控系统,专用CPU,Comparvay比较器,VHDL语言

参考文献

[1]田祎,樊景博.智能温室测控系统的分析与设计[J].商洛学院学报,2011(2):63-67.

[2]潘松,潘明.现代计算机组成原理[M].北京:科学出版社,2007.

[3]薛淞文.可穿戴医疗监护系统CPU的设计与实现[D].西安:西北大学,2010.

[4]张云鹤,于海业.基于Internet温室环境远程智能控制系统研究[D].长春:吉林大学,2004.

[5]金钰.工业控制计算机在自动化温室控制中的应用[J].工业控制计算机,2000,13(1):16-17.