摘 要： 根據達州的氣候條件，設計了以AT89C52單片機為核心的溫室遠程智能監控系統。該系統包括上位機和下位機兩部分，下位機主要負責數據的采集、環境的監測與控制；上位機在溫室環境遠程智能監控系統的輔助下完成對栽培技術管理、環境監控、水肥管理、病蟲害管理、查詢統計、決策管理、參數配置、設備控制等工作。實驗結果表明，該設計滿足了對溫室大棚環境遠程智能控制的要求，達到了預期的效果。
關鍵詞： 溫室控制；監控系統；PID控制；傳感器；智能監控
隨著智能控制技術、網絡技術和無線通信技術的發展，溫室監控的智能化程度也越來越高。目前我國引進的溫室環境智能控制系統大多成本較高，而自行研制的控制系統由于智能控制技術水平不高，加之不同地區的氣候條件對溫室環境影響很大，所以總體效果不理想[1-3]。因此，根據達州當地氣候條件，結合不同品種蔬菜不同生長階段對外部環境的要求，開發出與達州當地生產現狀相適應的環境智能控制系統是大勢所趨。
溫室發展具有地域性，達州市地處亞熱帶北部，氣候條件適宜絕大多數蔬菜正常生長。全市屬丘陵山區，低山、丘陵、平壩兼有，農業的多樣性、代表性明顯，有利于蔬菜新品種種植和高新技術推廣以及反季蔬菜生產。達州地處于川、渝、鄂、陜結合部，是川東北重要的交通樞紐，且背靠重慶大市場，連接西北市場的西安，區位優勢明顯。這些條件有利于發展溫室大棚蔬菜生產。
基于以上原因，對達州市的溫室大棚作為研究對象，研究其智能控制技術，開發結構合理、成本低廉、控制方便、集智能控制和智能決策于一體的溫室遠程智能監控系統具有重要的現實意義。
1 系統結構
目前，溫室控制系統中的控制器主要采用單片機（MCU）、工業控制機（IPC）、可編程邏輯控制器（PLC）或現場總線控制系統（FCS）。采用的通信方式主要有基于RS-232、RS-485、CAN等總線控制模式，基于藍牙或ZigBee協議的短距離無線通信方式和基于GPRS或GSM的遠距離無線通信方式[4-6]。考慮到系統操作的方便性、控制精度、成本及通信方式的靈活性等特點，本文采用圖1所示的上、下位機控制結構。下位機采用主從控制器結構，主控制器負責數據的采集，從控制器負責室內環境的監控，它們之間通過無線通信模塊連接。這樣可以降低控制的負擔，提高控制的精確度。上位機通過RS-485總線與下位機的從控制器連接，實現對溫室環境與設備的遠程監控。
2 下位機硬件系統設計
下位機位于監控現場，直接負責數據的采集和環境的調控。本文根據當地的氣候條件及對成本和環境控制精確度的要求，設計了圖2所示的下位機系統結構。
系統由數據數據處理模塊、數據采集模塊、環境調控模塊三大模塊組成，共同完成實時數據的采集、環境參數的預設和室內環境的控制[7]。
2.1 數據處理模塊
數據處理模塊由主控模塊、通信模塊、A/D轉換電路和驅動電路組成，主要負責對采集來的數據進行融合處理、數據的轉發、數據的顯示控制及對環境控制設備的控制等。
2.1.1 主控模塊
主控模塊由主從兩塊AT89C52 MCU組成，主機和從機之間通過nRF905傳送信號，主MCU負責數據的采集。傳感器采集的數據由主控模塊融合處理后，經由LCD顯示系統顯示，由通信模塊發送到上位機，并將其保存在中心數據庫中；用戶可以通過輸入系統或遠程主機在主控模塊上設置環境參數；如果室內某個或某些環境因子不在環境參數設定的范圍內，主控模塊可以驅動控制程序來啟動相應設備對環境進行調整。
2.1.2 通信模塊
根據系統對可靠性和穩定性的要求，考慮到RS-485標準的共模抑制比高、抗干擾能力強、傳輸速率高、傳送距離遠的性能特點，綜合評價后，本系統決定采用符合RS-485電氣標準的MAX485芯片來實現下位機與上位機之間的串口通信。RS-485允許平衡電纜上連接32個發送器/接收器對，非常適合溫室大棚規模擴大時的測控系統的擴展。MAX-485與下位機和上位機的連接電路如圖3所示。
2.2 數據采集模塊
數據采集模塊由一些傳感器節點組成，主要負責室內各種環境因子數據的采集。根據當地溫室大棚蔬菜生長特點及溫度、濕度、光照、二氧化碳和土壤水分等環境因子的要求，綜合考慮不同傳感器的性價比，最后決定采用SHT10數字式溫濕度傳感器、FDS-100型土壤水分傳感器、SH-300-DH二氧化碳傳感器和TSL2561光強傳感器[8]。傳感器節點芯片采用CC2430，CC2430使用2.4 GHz頻段定義的16個信道。它是一個真正的基于無線傳感器網絡ZigBee/IEEE 802.15.4解決方案的片上系統，其內部集成了CC2420射頻收發器，工業標準增強型8051 MCU內核，128 KB可編程閃存，8 KB的RAM，精確的定位引擎等豐富的片內資源，支持硬件調試，支持基于IAR7.20以上C51開發環境下的在線調試，提供強大、靈活的開發工具[9]。
2.3 環境調控模塊
本設計選用繼電器作為控制系統的開關，在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用。在室內某項或某些環境因子不在預設范圍內時，下位機軟件將運行驅動程序來開啟或關閉加熱系統、通風系統、補光系統、滲灌系統和報警系統的設施控制部件，從而達到對溫室環境調節的作用。繼電器控制電路如圖4所示。
3 下位機軟件系統設計
下位機的軟件系統主要包括主程序和設備控制子程序、通信子程序、顯示子程序、系統參數輸入子程序等。下位機軟件系統主要完成對室內環境的監測、控制設備工作狀態的監測、掉電保護；通過PID控制算法實現對室內環境的控制；相關環境參數處理與顯示[10]。下位機主控程序的工作流程如圖5所示。
4 上位機軟件系統設計
上位機是整個系統的管理核心，主要完成對下位機的參數配置、對下位機采集的數據融合處理并將其導入到數據庫保存、根據農業專家系統中的數據生成控制決策。為了便于管理，將上位機需要完成的工作通過一個溫室監控系統來處理，管理系統分為8個模塊。其系統結構如圖6所示。
栽培管理模塊：栽培管理模塊主要負責不同蔬菜不同生長階段生長環境的決策，以此為不同生長階段的蔬菜提供最佳生長環境。
環境監控模塊：對溫室內的環境進行實時監控，及時調整使室內環境維持在蔬菜生長的最佳狀態。
水肥管理模塊：主要負責營養液配置、灌溉量決策、灌溉量監視。
病蟲害管理模塊：主要負責病害診斷、蟲害診斷及病蟲害防治等。
查詢統計模塊：主要負責實時數據查詢、歷史數據查詢及統計報表輸出等。
決策管理模塊：利用農業專家系統，根據當地的氣候條件和土壤成分等環境因素作出種植蔬菜的品種、施肥時間、肥料的成分等決策。
參數配置：主要對環境參數、設備運行參數、系統參數進行配置。
設備控制：主要對輸入設備、輸出設備、加熱系統、補光系統等環境調節實施設備進行控制。
本次設計根據達州市的氣候條件，結合智能控制技術的特點，構建了一套溫室環境遠程監控系統。本系統可以實現對溫室大棚環境的遠程智能控制，減低了溫室蔬菜種植的成本，提高溫室控制的方便性和可靠性，這有利于智能控制技術在溫室大棚蔬菜生產中的應用與推廣，對當地溫室大棚蔬菜的種植具有重要意義。下一步的主要工作就是提高智能控制系統的靈敏度，降低時延，提高環境控制的準確度。
參考文獻
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