《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > 其他 > 設(shè)計應(yīng)用 > 智能溫室遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)
智能溫室遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)
摘要: 智能溫室是在普通日光溫室的基礎(chǔ)上,應(yīng)用計算機技術(shù)、傳感技術(shù)、智能控制技術(shù)等發(fā)展起來的一種高效設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)。隨著智能控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線通訊技術(shù)的廣泛應(yīng)用,智能溫室監(jiān)控研究向合理化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展[1,2]。
Abstract:
Key words :
0引言
智能溫室是在普通日光溫室的基礎(chǔ)上,應(yīng)用計算機技術(shù)、傳感技術(shù)、智能控制技術(shù)等發(fā)展起來的一種高效設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)。隨著智能控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線通訊技術(shù)的廣泛應(yīng)用,智能溫室監(jiān)控研究向合理化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展[1,2]。齊文新等(2004)[3]研制了分布式智能型溫室計算機控制系統(tǒng),由中心計算機和單片機組成主從式結(jié)構(gòu)智能控制系統(tǒng);周國祥等[4]應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)了農(nóng)田水利設(shè)施等的遠程監(jiān)控;左志宇等(2005)[5]將Internet網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到溫室環(huán)境控制系統(tǒng)中; Roblin P[6]實現(xiàn)了溫室的智能化、自動化。李建軍等[7]介紹了日光溫室番茄長季節(jié)生產(chǎn)專家系統(tǒng)的研制方法,以及開發(fā)過程。這些系統(tǒng)存在溫室控制功能單一,結(jié)構(gòu)難擴展;價格較貴,難以推廣等缺陷,因此,研究并開發(fā)結(jié)構(gòu)合理、成本低、控制方便、適合不同用戶群,集控制、智能決策與無線網(wǎng)絡(luò)于一體的智能溫室遠程監(jiān)控系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。


1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
在現(xiàn)行的溫室控制系統(tǒng)中,多采用基于PLC的溫室控制系統(tǒng)、集散型控制系統(tǒng)、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng),這些系統(tǒng)操作不便、控制精度低、成本過高,且通信方式不靈活 [2]。為有效解決上述不足,本文采用如圖1所示的上、下位機控制結(jié)構(gòu)。其突出優(yōu)點是能根據(jù)應(yīng)用需求選擇不同的控制方案,對大型連棟溫室可采用上、下位機結(jié)合控制方案;對小規(guī)模農(nóng)家溫室,僅需要選擇下位機系統(tǒng)單獨完成溫室控制。上、下位機采用RS-232串行通信或基于802.11b的無線通信,上位機系統(tǒng)通過Internet與遠端計算機互連,實現(xiàn)溫室環(huán)境與設(shè)備的遠程監(jiān)控。
2 下位機設(shè)計
下位機位于溫室控制現(xiàn)場,由傳感器、前端控制器和控制設(shè)備組成,如圖2所示。主要實現(xiàn)溫室環(huán)境數(shù)據(jù)實時采集、處理與顯示;通過RS-232接口或無線通信模塊,將監(jiān)測的環(huán)境參數(shù)傳輸?shù)缴衔籔C機,并接受上位機的控制而產(chǎn)生控制決策;具有脫機運行功能,可在上位PC關(guān)機情況下獨立工作,用戶或者專家通過鍵盤預(yù)設(shè)環(huán)境參數(shù)及實時采集的環(huán)境參數(shù),自主運行下位機決策程序,通過模糊運算產(chǎn)生智能決策,實現(xiàn)溫室模糊智能控制。
 

 


2.1 下位機硬件設(shè)計
2.1.1傳感器系統(tǒng)設(shè)計
根據(jù)溫室作物生長特點和環(huán)境要求,選擇性價比較優(yōu)的傳感器,如溫度、濕度、光照、二氧化碳等類型的,設(shè)計相應(yīng)的接口電路,使傳感器采集的信息以0~10mA的電流信號形式輸出,作為前端控制器的輸入。
2.1.2前端控制器設(shè)計
前端控制器是監(jiān)控系統(tǒng)的核心,以單片機應(yīng)用系統(tǒng)為基礎(chǔ),外加傳感器輸入接口、控制輸出接口、鍵盤接口以及LED接口電路等組成。選用ATMEL公司的ATmel48單片機系統(tǒng), ATmel48通用性、可擴展性強、性價比高,內(nèi)部集成4K的flash ROM及8路10位AD轉(zhuǎn)換,與傳統(tǒng)8位ADC相比,具有采集精度精確,控制精度更高的特點。

2.1.3通信模塊設(shè)計
為滿足不同控制需要,提高通信質(zhì)量,設(shè)計通信子模塊,提供有線通信和無線通信兩種通信方式,方便的實現(xiàn)下位機之間、下位機與上位機的通信。
(1)基于RS-232串行通信  是溫室控制中廣泛采用的通信方式。其特點是電路設(shè)計簡單,但抗干擾能力差,容易出錯,且傳輸距離短(最長15m)、傳輸速率低(最高20kbit/s)。因此,基于RS-232串行通信僅適于溫室規(guī)模不大、控制可靠性要求不高的情況。
(2)802.11b無線通信  是基于IEEE標(biāo)準(zhǔn)的通信方式。其特點是數(shù)據(jù)傳送可靠,采用2.4GHz直接序列擴頻,傳輸無須直線傳播,距離長、速率高(最高11Mb/s) [8]。無線通信的設(shè)計,主要是通過主控器ATmel48單片機的I/O口,模擬SPI (Serial Program Interface)接口與無線模塊(BGW200)通信。
2.1.4控制設(shè)備接口
在下位機的控制過程中,要根據(jù)需要對水泵、溫控、光控等設(shè)施控制部件的開啟、關(guān)閉等。選擇合適的繼電器型號,設(shè)計繼電器接口電路,實現(xiàn)前端控制器對機械設(shè)備的控制作用。
2.2下位機軟件設(shè)計
下位機軟件固化在Flash ROM中,實現(xiàn)對下位機系統(tǒng)統(tǒng)一管理。設(shè)計目標(biāo):主要實現(xiàn)單片機系統(tǒng)的啟動、狀態(tài)檢測、掉電保護;模擬信號的采集、轉(zhuǎn)換、對照、存儲以及控制信號的輸出;通過模糊算法實現(xiàn)模糊控制;與上位機通信以及通信異常處理;相關(guān)環(huán)境參數(shù)處理與顯示。采用C語言編寫,使用仿真器在線調(diào)試,以及無線模塊現(xiàn)場測試。采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的方法,設(shè)計主程序和模糊控制子程序、I/O控制、A/D采樣、時鐘子程序、通信子程序,顯示子程序等。程序采用基于查詢和中斷結(jié)合的運行機制。串口以及無線模塊通信采用中斷方式,A/D采集采用查詢方式。
3 上位機系統(tǒng)設(shè)計
上位機位于管理室,由PC機組成,是整個系統(tǒng)的管理核心,主要由數(shù)據(jù)庫管理、通信管理、控制決策生成等功能模塊組成。采用可視化編程語言VB6.0和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)SQL SEVER 2000,實現(xiàn)上位機系統(tǒng)功能和數(shù)據(jù)管理。
(1)數(shù)據(jù)庫設(shè)計  建立作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)庫,設(shè)計溫室環(huán)境數(shù)據(jù)表,存儲下位機采集來的溫室現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù);設(shè)計溫室歷史數(shù)據(jù)表,存儲每日平均環(huán)境數(shù)據(jù);設(shè)計溫室控制信息狀態(tài)表,存儲溫室設(shè)備的開關(guān)運行狀態(tài);設(shè)計溫室空閑表,存儲溫室種植的作物種類以及作物生長運行時間等;設(shè)計專家數(shù)據(jù)表,存儲各作物生長的專家級數(shù)據(jù),為控制決策提供依據(jù)。
(2)通信功能設(shè)計  基于Internet的遠程通信子程序,應(yīng)用控件Winsock(在TCP、UDP的協(xié)議基礎(chǔ)上)實現(xiàn);基于RS-232串行通信子程序設(shè)計,應(yīng)用串行通信控件MSComm實現(xiàn);基于802.11b的無線通信子程序設(shè)計,使用SocketWrench控件,發(fā)TCP/IP協(xié)議包到下位機的BGW200模塊。
(3)控制決策生成  基于智能控制的思想,結(jié)合作物生長專家系統(tǒng)采取線性插值、相似度計算等方法,形成控制決策,并通過RS-232串口通信或無線通信模塊傳送到下位機。

 


4結(jié)語
本文是在分析溫室控制現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及存在問題的基礎(chǔ)上,提出一個合理、完整的設(shè)計方案,并進行系統(tǒng)研制。經(jīng)過反復(fù)多次改進和完善,智能溫室遠程監(jiān)控系統(tǒng)如圖3所示。開發(fā)過程中多次到溫室現(xiàn)場測試,開發(fā)完成后也在我校設(shè)施農(nóng)業(yè)專業(yè)教學(xué)基地試運行。結(jié)果表明,系統(tǒng)在實用性、穩(wěn)定性、可靠性等方面滿足生產(chǎn)實際要求。圖3為溫室系統(tǒng)實物圖,圖4為上位機管理系統(tǒng)實時控制界面,圖5為溫室實時數(shù)據(jù)采集與管理界面;圖6為查詢溫室內(nèi)作物生長狀態(tài)界面。該系統(tǒng)并在2005年11月楊凌的國際農(nóng)業(yè)高新技術(shù)博覽會上展出,受到廣大農(nóng)戶以及公司的普遍關(guān)注。
本文作者創(chuàng)新點:系統(tǒng)各模塊獨立設(shè)計,具有較大的靈活性和擴展性;集成無線通信模塊,通信便捷可靠;上位機集成作物生長專家數(shù)據(jù)庫使控制決策達到了專家級水平;下位機采用單片機系統(tǒng),結(jié)構(gòu)簡單,同時增設(shè)模糊控制模塊,確保了下位機單獨工作時也可實現(xiàn)智能控制。

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。