摘  要： 根據(jù)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(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括上位機和下位機兩部分，下位機主要負責數(shù)據(jù)的采集、環(huán)境的監(jiān)測與控制；上位機在溫室環(huán)境遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)的輔助下完成對栽培技術管理、環(huán)境監(jiān)控、水肥管理、病蟲害管理、查詢統(tǒng)計、決策管理、參數(shù)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(huán)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(jiān)控系統(tǒng)；PID控制；傳感器；智能監(jiān)控

　隨著智能控制技術、網(wǎng)絡技術和無線通信技術的發(fā)展，溫室監(jiān)控的智能化程度也越來越高。目前我國引進的溫室環(huán)境智能控制系統(tǒng)大多成本較高，而自行研制的控制系統(tǒng)由于智能控制技術水平不高，加之不同地區(qū)的氣候條件對溫室環(huán)境影響很大，所以總體效果不理想[1-3]。因此，根據(jù)達州當?shù)貧夂驐l件，結合不同品種蔬菜不同生長階段對外部環(huán)境的要求，開發(fā)出與達州當?shù)厣a(chǎn)現(xiàn)狀相適應的環(huán)境智能控制系統(tǒng)是大勢所趨。
溫室發(fā)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(shù)蔬菜正常生長。全市屬丘陵山區(qū)，低山、丘陵、平壩兼有，農(nóng)業(yè)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(chǎn)。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(qū)位優(yōu)勢明顯。這些條件有利于發(fā)展溫室大棚蔬菜生產(chǎn)。
　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(fā)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(jiān)控系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義。
1 系統(tǒng)結構
　目前，溫室控制系統(tǒng)中的控制器主要采用單片機（MCU）、工業(yè)控制機（IPC）、可編程邏輯控制器（PLC）或現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（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(xié)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]?？紤]到系統(tǒng)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(shù)據(jù)的采集，從控制器負責室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)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(xiàn)對溫室環(huán)境與設備的遠程監(jiān)控。

2 下位機硬件系統(tǒng)設計
　下位機位于監(jiān)控現(xiàn)場，直接負責數(shù)據(jù)的采集和環(huán)境的調(diào)控。本文根據(jù)當?shù)氐臍夂驐l件及對成本和環(huán)境控制精確度的要求，設計了圖2所示的下位機系統(tǒng)結構。

　系統(tǒng)由數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、環(huán)境調(diào)控模塊三大模塊組成，共同完成實時數(shù)據(jù)的采集、環(huán)境參數(shù)的預設和室內(nèi)環(huán)境的控制[7]。
2.1 數(shù)據(jù)處理模塊
　數(shù)據(jù)處理模塊由主控模塊、通信模塊、A/D轉換電路和驅(qū)動電路組成，主要負責對采集來的數(shù)據(jù)進行融合處理、數(shù)據(jù)的轉發(fā)、數(shù)據(jù)的顯示控制及對環(huán)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(shù)據(jù)的采集。傳感器采集的數(shù)據(jù)由主控模塊融合處理后，經(jīng)由LCD顯示系統(tǒng)顯示，由通信模塊發(fā)送到上位機，并將其保存在中心數(shù)據(jù)庫中；用戶可以通過輸入系統(tǒng)或遠程主機在主控模塊上設置環(huán)境參數(shù)；如果室內(nèi)某個或某些環(huán)境因子不在環(huán)境參數(shù)設定的范圍內(nèi)，主控模塊可以驅(qū)動控制程序來啟動相應設備對環(huán)境進行調(diào)整。
2.1.2 通信模塊
　根據(jù)系統(tǒng)對可靠性和穩(wěn)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(tǒng)決定采用符合RS-485電氣標準的MAX485芯片來實現(xiàn)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(fā)送器/接收器對，非常適合溫室大棚規(guī)模擴大時的測控系統(tǒng)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(shù)據(jù)采集模塊
　數(shù)據(jù)采集模塊由一些傳感器節(jié)點組成，主要負責室內(nèi)各種環(huán)境因子數(shù)據(jù)的采集。根據(jù)當?shù)販厥掖笈锸卟松L特點及溫度、濕度、光照、二氧化碳和土壤水分等環(huán)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(shù)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(jié)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(wǎng)絡ZigBee/IEEE 802.15.4解決方案的片上系統(tǒng)，其內(nèi)部集成了CC2420射頻收發(fā)器，工業(yè)標準增強型8051 MCU內(nèi)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(nèi)資源，支持硬件調(diào)試，支持基于IAR7.20以上C51開發(fā)環(huán)境下的在線調(diào)試，提供強大、靈活的開發(fā)工具[9]。
2.3 環(huán)境調(diào)控模塊
　本設計選用繼電器作為控制系統(tǒng)的開關，在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉換電路等作用。在室內(nèi)某項或某些環(huán)境因子不在預設范圍內(nèi)時，下位機軟件將運行驅(qū)動程序來開啟或關閉加熱系統(tǒng)、通風系統(tǒng)、補光系統(tǒng)、滲灌系統(tǒng)和報警系統(tǒng)的設施控制部件，從而達到對溫室環(huán)境調(diào)節(jié)的作用。繼電器控制電路如圖4所示。

3 下位機軟件系統(tǒng)設計
　下位機的軟件系統(tǒng)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(tǒng)參數(shù)輸入子程序等。下位機軟件系統(tǒng)主要完成對室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測、控制設備工作狀態(tài)的監(jiān)測、掉電保護；通過PID控制算法實現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的控制；相關環(huán)境參數(shù)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(tǒng)設計
　上位機是整個系統(tǒng)的管理核心，主要完成對下位機的參數(shù)配置、對下位機采集的數(shù)據(jù)融合處理并將其導入到數(shù)據(jù)庫保存、根據(jù)農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)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(jiān)控系統(tǒng)來處理，管理系統(tǒng)分為8個模塊。其系統(tǒng)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(huán)境的決策，以此為不同生長階段的蔬菜提供最佳生長環(huán)境。
　環(huán)境監(jiān)控模塊：對溫室內(nèi)的環(huán)境進行實時監(jiān)控，及時調(diào)整使室內(nèi)環(huán)境維持在蔬菜生長的最佳狀態(tài)。
水肥管理模塊：主要負責營養(yǎng)液配置、灌溉量決策、灌溉量監(jiān)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(tǒng)計模塊：主要負責實時數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢及統(tǒng)計報表輸出等。
決策管理模塊：利用農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)，根據(jù)當?shù)氐臍夂驐l件和土壤成分等環(huán)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(shù)配置：主要對環(huán)境參數(shù)、設備運行參數(shù)、系統(tǒng)參數(shù)進行配置。
　設備控制：主要對輸入設備、輸出設備、加熱系統(tǒng)、補光系統(tǒng)等環(huán)境調(diào)節(jié)實施設備進行控制。
　本次設計根據(jù)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(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)可以實現(xiàn)對溫室大棚環(huán)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(chǎn)中的應用與推廣，對當?shù)販厥掖笈锸卟说姆N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(tǒng)的靈敏度，降低時延，提高環(huán)境控制的準確度。
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