基于嵌入式系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計

1、基于嵌入式系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計引言托普物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)現(xiàn)智能大棚是基于嵌入式系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自動控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)由無線監(jiān)控節(jié)點、傳感器、變頻器和全GUI的人機(jī)控制終端等組成。各種傳感器、語音呼叫和控制狀態(tài)數(shù)據(jù)由安置在各個大棚里的監(jiān)控節(jié)點來采集，再通過無線局域網(wǎng)傳輸?shù)娇刂浦行?，計算機(jī)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)比較結(jié)合PID算法來精確控制各個控制終端。用戶可以隨時調(diào)整這些自動控制，以便讓大棚始終處于一個最佳生長環(huán)境。1 系統(tǒng)設(shè)計方案系統(tǒng)設(shè)計主要分為兩個部分，即終端虛擬控制平臺系統(tǒng)和大棚基站系統(tǒng)的設(shè)計，與傳統(tǒng)的儀器相比，基于計算機(jī)的虛擬儀器的優(yōu)勢就是它可以方便地進(jìn)行組網(wǎng)通信，實現(xiàn)

2、連棟大棚的規(guī)模化管理，提高系統(tǒng)的靈活性。首先，系統(tǒng)通過大棚基站內(nèi)的無線傳感器節(jié)點對棚內(nèi)的各個環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集（如溫度、濕度、光強(qiáng)、CO2濃度等），然后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，再發(fā)送給終端虛擬控制中心，終端再通過數(shù)據(jù)比較和自適應(yīng)PID控制算法發(fā)出控制指令，大棚基站接到控制指令后，對棚內(nèi)的外圍電氣設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制，從而改變棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。如果在設(shè)定的時間內(nèi)沒有接到終端的控制指令，大棚基站則會通過與內(nèi)部設(shè)定的環(huán)境參數(shù)的比較，對相應(yīng)的電氣設(shè)備進(jìn)行控制操作，這種方法的好處是可以避免在終端維修或網(wǎng)絡(luò)繁忙時出現(xiàn)數(shù)據(jù)遺失所造成的大棚基站失控。此外，終端和基站、基站和基站之間還可以進(jìn)行語音呼叫，使終端用戶可以隨時和各棚

3、內(nèi)的工作人員進(jìn)行聯(lián)系，了解大棚基站的運作狀況。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。圖一、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)監(jiān)控主要由大棚基站和PC終端機(jī)兩部分組成，PC機(jī)終端是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理和控制決策中心，根據(jù)棚內(nèi)的具體參數(shù)，由終端系統(tǒng)專家發(fā)出最合理的參數(shù)設(shè)置和控制指令。大棚基站通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并與PC機(jī)終端所設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，從而對外圍電氣設(shè)備進(jìn)行控制，以改變棚內(nèi)的環(huán)境，使棚內(nèi)達(dá)到一個最佳的生長環(huán)境，并把棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)、電氣設(shè)備的狀態(tài)反饋給PC機(jī)終端。21 基站控制系統(tǒng)大棚基站控制系統(tǒng)以32位嵌入式微處理器為核心，由無線數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、外圍控制電路子系統(tǒng)、語音子系統(tǒng)等組成，無線

4、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由多個無線傳感器網(wǎng)終節(jié)點構(gòu)成，可實時多點地準(zhǔn)確采集大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，并傳給對應(yīng)的基站。當(dāng)終端控制臺把基站設(shè)定為自動控制方式時，基站便可對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并與系統(tǒng)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，然后發(fā)出控制指令來對外圍控制電路子系統(tǒng)進(jìn)行控制（包括換氣扇、灌溉網(wǎng)絡(luò)、采光子系統(tǒng)等）。當(dāng)終端控制臺設(shè)定基站為手動控制時，終端可以通過對基站地址的設(shè)定選擇指定的基站進(jìn)行手動控制操作，其原理框圖如圖2所示。圖二、大棚基站結(jié)構(gòu)原理框圖22 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用32位EasyARM1138為主控制器，無線數(shù)據(jù)傳輸采用nRF24L01無線傳輸模塊，nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工

5、作于2425 GHz ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。圖3所示是其電路原理圖。23 外圍控制電路的設(shè)計外圍控制電路子系統(tǒng)同樣采用EasyARM1138為主控制芯片，輔以nRF24L01無線通信模塊。該子系統(tǒng)通過EasyARMll38的IO口控制DAC08 32來產(chǎn)生正弦波，然后驅(qū)動變頻器以改變外圍各電氣設(shè)備的工作狀態(tài)，從而避免能源的浪費。無線通信模塊可實現(xiàn)終端與基站、基站與基站、基站與各無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的組網(wǎng)通信功能。3 系統(tǒng)軟件設(shè)計本智能大棚的終端虛擬化控制平臺由No

6、kia公司Qt開發(fā)環(huán)境編寫而成。Qt是一個多平臺的C+圖形用戶界面應(yīng)用程序框架。它能提供給應(yīng)用程序開發(fā)者建立藝術(shù)級圖形用戶界面所需的所有功能，可用于高性能的跨平臺軟件開發(fā)。整個智能大棚的控制中心軟件由6大部分組成，分別是控制內(nèi)核模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、PID控制計算模塊、串口通信模塊、圖形繪制模塊、文件記錄管理模塊。其控制中心軟件框架結(jié)構(gòu)如圖4所示。31 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計本程序中的數(shù)據(jù)庫部分負(fù)責(zé)建立專家系統(tǒng)，用于存放各種植物參數(shù)和檢索?？紤]到軟件開發(fā)的成本問題，本系統(tǒng)采用了MySQL。MySQL是一個快速客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的SQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，由一個服務(wù)器守護(hù)程序mysqld以及許多不同的客戶程序和庫

7、函數(shù)組成，該系統(tǒng)雖然不是開源的，但可以免費使用。其優(yōu)點是功能強(qiáng)大，靈活性好，應(yīng)用編程接口豐富，結(jié)構(gòu)精巧?？紤]到植物所包含的信息很多，所以，在設(shè)計時可采用多表結(jié)構(gòu)。分別是植物名稱、適宜生長溫度、適宜生長濕度及生長時間段。通過利用MySQL編程語言可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問。Qt的QtSql模塊通過數(shù)據(jù)庫驅(qū)動可與不同的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通信。創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)庫連接需要做如下三個步驟：激活驅(qū)動程序、配置好連接信息和打開連接。整個創(chuàng)建過程可以放在內(nèi)核模塊的構(gòu)造函數(shù)里。其程序如下：在內(nèi)核模塊中，通過QtSql提供的相應(yīng)API可完成數(shù)據(jù)庫的讀寫操作。32 PID控制計算預(yù)設(shè)定參數(shù)可由程序預(yù)先設(shè)定好，用戶可在主控制界面的“大

8、棚設(shè)置”中進(jìn)行參數(shù)修改?，F(xiàn)場信號由各個對應(yīng)的傳感器采集，然后經(jīng)過量化、編碼后傳給計算機(jī)。利用計算機(jī)上的PID控制計算模塊進(jìn)行計算，再將結(jié)果通過無線網(wǎng)絡(luò)傳給各個大棚的控制節(jié)點，這些節(jié)點再將信號進(jìn)行解碼分析，即可得出變頻器控制信號。這樣，變頻器通過改變各個泵機(jī)、風(fēng)扇或電磁閥工作，就可以調(diào)整各個參數(shù)。從而實現(xiàn)一個完整的PID控制。系統(tǒng)中的偏差e是給定值SP（預(yù)設(shè)定參數(shù)）和過程變量PV（實際值，通過傳感器采集）的差。通過PID控制可描述輸出M（t）作為比例項、積分項和微分項的運算關(guān)系：式中：M（t）是PID的輸出，是關(guān)于時間的函數(shù)；Kc是PID的回路增益；e是PID回路偏差，即專家數(shù)據(jù)與傳感器采集數(shù)據(jù)

9、的差；Minitial是PID回路初始值。為了能夠在計算機(jī)中實現(xiàn)PID控制功能，必須對連續(xù)的PID控制方程進(jìn)行離散化操作。即對誤差進(jìn)行周期采樣，然后經(jīng)計算輸出。下面是PID計算的核心部分程序：4 結(jié)語本文設(shè)計的采用虛擬控制技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)的經(jīng)濟(jì)型大棚智能測控系統(tǒng)，是一種集監(jiān)、控、管于一體的大棚溫室智能化監(jiān)控設(shè)施，其特點是可同時實現(xiàn)幾個、幾十個大棚相關(guān)參數(shù)的監(jiān)測控制，并就地顯示及無線組網(wǎng)方式傳輸，實現(xiàn)對水泵、通風(fēng)扇、燈光等裝置的集中智能控制，以及對溫室環(huán)境的智能調(diào)節(jié)和預(yù)報警，從而實現(xiàn)對作物生長環(huán)境的智能化控制和溫室作物的科學(xué)管理，實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，以達(dá)到作物穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)、高效的現(xiàn)代農(nóng)

10、業(yè)要求。若在系統(tǒng)中增加對太陽能的利用，則可進(jìn)一步降低對煤、電、油的需求，節(jié)省農(nóng)業(yè)投資成本。附錄托普物聯(lián)網(wǎng)簡介托普物聯(lián)網(wǎng)是浙江托普儀器有限公司旗下的重要項目。浙江托普儀器是國內(nèi)領(lǐng)先的農(nóng)業(yè)儀器研發(fā)生產(chǎn)商，依據(jù)自身在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研發(fā)實力，和自主研發(fā)的配套設(shè)備，在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域嶄露頭角！托普物聯(lián)網(wǎng)以客戶需求為源頭，結(jié)合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技、通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、GIS信息技術(shù)，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，竭誠為傳統(tǒng)行業(yè)提供信息化、智能化的產(chǎn)品與端到端的解決方案。主要有：大田種植智能解決方案、畜牧養(yǎng)殖管理解決方案、食品安全溯源解決方案、食用菌種植智能化管理解決方案、水產(chǎn)養(yǎng)殖管理解決方案、溫室大棚智能控制解決方案等。托普物聯(lián)網(wǎng)

11、三大系統(tǒng)產(chǎn)品我們知道物聯(lián)網(wǎng)主要包括三大層次，即感知層、傳輸層和應(yīng)用層。因此托普物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品主要以這三個層次延伸，涵蓋了感知系統(tǒng)（環(huán)境監(jiān)測傳感設(shè)備）、傳輸系統(tǒng)（數(shù)據(jù)傳輸處理網(wǎng)絡(luò)）、應(yīng)用系統(tǒng)（終端智能控制平臺。）托普物聯(lián)網(wǎng)模塊化智能集成系統(tǒng)托普物聯(lián)網(wǎng)依據(jù)自身研發(fā)優(yōu)勢，開發(fā)了多種模塊化智能集成系統(tǒng)。1、傳感模塊：即環(huán)境傳感監(jiān)測系統(tǒng)。它依據(jù)各類傳感設(shè)備可以完成整個園區(qū)或完成對異地園區(qū)所需數(shù)據(jù)監(jiān)測的功能。2、終端模塊：即終端智能控制系統(tǒng)。它可以完成整個園區(qū)或遠(yuǎn)程控制異地園區(qū)進(jìn)行自動灌溉、自動降溫、自動開啟風(fēng)機(jī)，自動補光及遮陽，自動卷簾，自動開窗關(guān)窗，自動液體肥料施肥、自動噴藥等各類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的自動控制。3、視頻監(jiān)控模塊：即實時視頻監(jiān)控系統(tǒng)。主要是通過監(jiān)控中心實時得到植物生長信息，在監(jiān)控中心或異地互聯(lián)網(wǎng)上既可隨時看到作物的實時生長狀況。4、預(yù)警模塊：即遠(yuǎn)程植保預(yù)警系統(tǒng)?？梢酝ㄟ^聲光報警、短信報警、語音報警等方式進(jìn)行預(yù)警。5、溯源模塊：即農(nóng)產(chǎn)品安全溯源系統(tǒng)。該系統(tǒng)對農(nóng)產(chǎn)品從種植準(zhǔn)備階段、種植和培育階段、生長階段、收獲階段等對作物生長環(huán)境、噴藥施肥情況、病