摘要：我國(guó)處于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)化的新階段，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的智能溫室控制系統(tǒng)，自動(dòng)控制溫室中植物生長(zhǎng)的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)，為實(shí)現(xiàn)植物精細(xì)化、自動(dòng)化生產(chǎn)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率與農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量提供保障，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一。系統(tǒng)由環(huán)境參數(shù)采集子系統(tǒng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)、中心計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程通信子系統(tǒng)組成。采用模塊化設(shè)計(jì)，易擴(kuò)展和系列化，應(yīng)用不同領(lǐng)域只需更換傳感器。允許連接各種類(lèi)型傳感器，通過(guò)485總線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與"中心計(jì)算機(jī)"通信，"中心計(jì)算機(jī)"基于VB編寫(xiě)主控程序和可視化控制界面，采用Access數(shù)據(jù)庫(kù)，儲(chǔ)存、管理各傳感器和執(zhí)行器的即時(shí)、歷史數(shù)據(jù)，可導(dǎo)出Excel報(bào)表，生成全日、全周、全月的變化趨勢(shì)曲線圖；系統(tǒng)提供閉環(huán)、開(kāi)環(huán)控制兩種模式選擇；采用短消息、GPRS技術(shù)和基于Web的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控；也可直接用移動(dòng)手持器通過(guò)WLAN與485總線相連實(shí)現(xiàn)通信，獲取環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)、發(fā)出控制指令。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能溫室控制；雙串口通信

中圖分類(lèi)號(hào)：TP31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2013）12-2882-03

1 概述

我國(guó)是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)用水占國(guó)民總水量的70%以上，但是有效利用指數(shù)只有40%。提高農(nóng)業(yè)用水效率，發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，積極推廣節(jié)水灌溉技術(shù)，對(duì)保障國(guó)家水安全、糧食安全和生態(tài)安全，推動(dòng)農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，具有重要的戰(zhàn)略地位和作用。

利用傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、信息采集與處理技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)，研制適合國(guó)情、易于安裝、操作方便、價(jià)格低廉并具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)，對(duì)提高我國(guó)農(nóng)作物產(chǎn)量、節(jié)約用水、降低成本、減小環(huán)境污染均有重要意義。市場(chǎng)前景廣闊，而且具有較大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 本課題的主要研究?jī)?nèi)容

節(jié)水灌溉智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是利用傳感器技術(shù)、信息采集與處理技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)構(gòu)成的具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的節(jié)水灌溉智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

該系統(tǒng)由環(huán)境參數(shù)采集單元、控制單元、中心計(jì)算機(jī)和遠(yuǎn)程通信單元組成。環(huán)境參數(shù)采集單元包括土壤濕度、流量、EC、pH等傳感器和氣象站，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確采集土壤濕度、液體流量、電導(dǎo)率、酸堿度、光照強(qiáng)度、空氣溫度、空氣濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量等參數(shù)，送到灌溉控制單元?？刂茊卧鶕?jù)這些參數(shù)，按設(shè)定的任務(wù)控制灌溉電磁閥，實(shí)施精準(zhǔn)灌溉，并通過(guò)RS-485總線與中心計(jì)算機(jī)相連，上傳數(shù)據(jù)、接受指令。用戶通過(guò)與中心計(jì)算機(jī)相連的GSM短消息遠(yuǎn)程通信單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)水灌溉智能系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。如圖1所示。

該項(xiàng)目與傳統(tǒng)或現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下明顯的技術(shù)創(chuàng)新性：

1）控制單元可脫離系統(tǒng)獨(dú)立工作。為提高性?xún)r(jià)比，易于系列化，控制單元不連接中心計(jì)算機(jī)時(shí)也可獨(dú)立工作，本身既具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)收集、記錄和控制功能，實(shí)現(xiàn)灌溉網(wǎng)集群控制；

2）系統(tǒng)具有以時(shí)間、流量、光積累、土壤濕度為依據(jù)的多種灌溉模式，實(shí)現(xiàn)多樣化的精準(zhǔn)灌溉。并設(shè)有“累計(jì)灌溉時(shí)間限制功能”，防止灌溉過(guò)量；

3）系統(tǒng)分為閉環(huán)、開(kāi)環(huán)控制兩種模式，方便用戶，適應(yīng)各種應(yīng)用領(lǐng)域；

4）采用遠(yuǎn)程監(jiān)控方式，方便用戶，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

節(jié)水灌溉智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)兩大部分。

1）節(jié)水灌溉智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，本軟件基于VB編寫(xiě)主控程序和可視化控制界面，采用Access數(shù)據(jù)庫(kù)，儲(chǔ)存、管理各個(gè)灌溉、施肥控制單元傳送的大量即時(shí)、歷史數(shù)據(jù)，可以導(dǎo)出Excel報(bào)表，生成全日、全周、全月的變化趨勢(shì)曲線圖。

數(shù)據(jù)庫(kù)是節(jié)水灌溉智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)軟件的核心部分。分實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)兩種。其中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中存放的是變量的當(dāng)前值，并隨變量值的改變而改變。而通過(guò)記錄實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的變最數(shù)值，就形成了歷史數(shù)據(jù)庫(kù)。變量的歷史數(shù)據(jù)包含了存儲(chǔ)日期、時(shí)間、數(shù)值大小及對(duì)應(yīng)的變量等等信息。因此開(kāi)發(fā)節(jié)水灌溉智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)軟件時(shí)，可以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為中間環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)將工作現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行狀況在人機(jī)界面上實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示，同時(shí)把上位機(jī)發(fā)布的指令迅速送達(dá)主控制器。此外，還可將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)以實(shí)時(shí)曲線的形式反映在屏幕上、制作實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)表等等。而歷史數(shù)據(jù)庫(kù)可用于查詢(xún)、繪制變量的歷史曲線、制作歷史數(shù)據(jù)報(bào)表、記錄報(bào)警信息等等。如圖3.1所示。

參數(shù)設(shè)定界面包括灌溉閥設(shè)定、灌溉泵設(shè)定、數(shù)據(jù)記錄設(shè)置和傳感器通道設(shè)置等設(shè)定界面，灌溉閥設(shè)定可設(shè)定24只灌溉閥有效性及其開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并設(shè)有時(shí)間、流量、光積累、土壤濕度等參數(shù)設(shè)定，可根據(jù)時(shí)間、流量、光積累、土壤濕度為依據(jù)的多種灌溉模式，實(shí)現(xiàn)多樣化的精準(zhǔn)灌溉。并設(shè)有“累計(jì)灌溉時(shí)間限制功能”，防止灌溉過(guò)量。如圖3.2所示。

實(shí)時(shí)參數(shù)顯示界面可實(shí)時(shí)顯示灌溉設(shè)備狀態(tài)、土壤濕度實(shí)時(shí)參數(shù)和氣象站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。其中灌溉設(shè)備狀態(tài)包括各灌溉閥開(kāi)關(guān)狀態(tài)、累計(jì)灌溉量和光照積累量；土壤濕度參數(shù)顯示各土壤濕度傳感器實(shí)時(shí)濕度；氣象站數(shù)據(jù)包括室外溫度、室外濕度、光照度、風(fēng)向、風(fēng)速、雨雪信號(hào)、雨量等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示。

2）主控制器的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的C語(yǔ)言設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)如下功能：

1） 傳感器數(shù)據(jù)采集，包括土壤濕度、流量、EC、pH等傳感器和氣象站的數(shù)據(jù)采集；

2） 數(shù)據(jù)處理，在脫離上位計(jì)算機(jī)的情況下，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集、記錄和控制功能；

3） 控制功能，根據(jù)不同的設(shè)定，可實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)或閉環(huán)的灌溉控制功能；

4） 系統(tǒng)內(nèi)組網(wǎng)、通信功能，主控制器可實(shí)現(xiàn)與氣象站、無(wú)線傳感器、GSM短信模塊、上位機(jī)或其他控制器的通信、組網(wǎng)功能。

3）GSM短消息模塊采用SIM900A無(wú)線通訊模塊和單片機(jī)，借助公用移動(dòng)通信網(wǎng)，通過(guò)AT指令接收和發(fā)送短消息，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4 本系統(tǒng)實(shí)施案例

項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程當(dāng)中，發(fā)現(xiàn)部分農(nóng)田、大棚采用的有線監(jiān)測(cè)方案，布線成本高，安裝調(diào)試成本高，且維護(hù)困難，在生產(chǎn)中很容易把線碰斷，不便于移動(dòng)；重新設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)后，需要重新布線。

根據(jù)用戶建議，結(jié)合實(shí)際情況，增加了無(wú)線傳輸方式，部分采集、控制設(shè)備采用無(wú)線方式，利用太陽(yáng)能板供電，無(wú)需布線，可在任何條件的農(nóng)田、大棚、溫室內(nèi)安裝。無(wú)線采集設(shè)備、控制收納方便、輕巧便攜、方便移動(dòng)。

5 總結(jié)

本課題目標(biāo)是研制節(jié)水灌溉智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。課題利用傳感器技術(shù)、信息采集與處理技術(shù)、現(xiàn)代通信技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)構(gòu)建了具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的節(jié)水灌溉智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該文的工作及取得的研究成果總結(jié)如下：

1）灌溉、施肥控制單元可脫離系統(tǒng)獨(dú)立工作。為提高性?xún)r(jià)比，易于系列化，灌溉、施肥控制單元不連接中心計(jì)算機(jī)時(shí)也可獨(dú)立工作，本身既具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)收集、記錄和控制功能，實(shí)現(xiàn)灌溉網(wǎng)集群控制；

2）系統(tǒng)具有以時(shí)間、流量、光積累、土壤濕度為依據(jù)的多種灌溉模式，實(shí)現(xiàn)多樣化的精準(zhǔn)灌溉。并設(shè)有“累計(jì)灌溉時(shí)間限制功能”，防止灌溉過(guò)量；

3）系統(tǒng)分為閉環(huán)、開(kāi)環(huán)控制兩種模式，方便用戶，適應(yīng)各種應(yīng)用領(lǐng)域；

4）采用遠(yuǎn)程監(jiān)控方式，方便用戶，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

5）部分節(jié)點(diǎn)采用太陽(yáng)能供電及無(wú)線傳輸方式，節(jié)省了布線及安裝調(diào)試成本，方便應(yīng)用。

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