許鵬，王先宏，賈民政

（北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，北京， 100042）

0 引言

近年來，我國在智慧溫室環(huán)境因素的精確調(diào)控領(lǐng)域發(fā)展有了很大的進(jìn)步，但真正能夠進(jìn)行全方位應(yīng)用的基本都是大型化的植物工廠或農(nóng)場(chǎng)，中小型和個(gè)人農(nóng)場(chǎng)普及率還是很低。計(jì)算機(jī)智能控制、通信技術(shù)、電氣自動(dòng)化等高新技術(shù)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的契合度還很低。一個(gè)主要原因?yàn)檗r(nóng)業(yè)智能化設(shè)施的應(yīng)用開發(fā)采用的軟硬件模式以及維護(hù)等成本相對(duì)較高，系統(tǒng)的可擴(kuò)展性較差，普通中小規(guī)模用戶基本無力承擔(dān)。

基于我國農(nóng)業(yè)發(fā)展中的實(shí)情，根據(jù)農(nóng)作物生長(zhǎng)適宜生態(tài)條件，采用低成本、開發(fā)維護(hù)簡(jiǎn)單的開源微控制器單元作為核心大腦，利用各種外圍傳感器模塊,準(zhǔn)確采集環(huán)境因子(光、熱、水、氣、肥等)以及作物生育狀況等參數(shù),建立相關(guān)作物生長(zhǎng)環(huán)境的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析、存儲(chǔ)，根據(jù)作物生長(zhǎng)所需最佳條件,設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)人工智能控制算法，使有關(guān)系統(tǒng)、裝置及設(shè)備有規(guī)律運(yùn)作, 確保一切生產(chǎn)活動(dòng)科學(xué)、有序、規(guī)范、持續(xù)地進(jìn)行。從而使廣大農(nóng)戶能夠切實(shí)的享受到智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的果實(shí)。

綜上，開發(fā)一套成本低廉、使用簡(jiǎn)易且又能滿足數(shù)字化、智能化控制要求的新型溫室監(jiān)測(cè)、調(diào)控裝置，真正能讓技術(shù)嵌入到普通溫室種植用戶中去，是有其非凡意義的。既能滿足普通單片機(jī)控制器的所有控制要求，又兼顧了多媒體電腦的諸多處理能力。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)模塊化調(diào)用，功能升級(jí)方便，可操控性強(qiáng)。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)完全可滿足對(duì)作物生長(zhǎng)環(huán)境的智能化控制和作物的科學(xué)管理,實(shí)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)代精細(xì)化農(nóng)業(yè)要求。

1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為兩部分：

第一部分為總體監(jiān)控設(shè)備部。設(shè)一臺(tái)工控主機(jī)，承擔(dān)全場(chǎng)區(qū)的總體監(jiān)視功能。管理人員可隨時(shí)通過主機(jī)調(diào)取各溫室的各采集單元環(huán)境因子數(shù)據(jù)，生成趨勢(shì)曲線、報(bào)表等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。同時(shí)總監(jiān)部也具有控制全局控制權(quán)限，在高級(jí)用戶登錄后，便可對(duì)各控制部的參數(shù)進(jìn)行修改或執(zhí)行控制動(dòng)作。界面使用HMI液晶觸摸或顯示大屏。利用組態(tài)軟件作為開發(fā)IDE來實(shí)施開發(fā)。

第二部分為各溫室控制部。各控制部以開源控制器Raspberry Pi 4B作為核心控制服務(wù)器。該控制器為卡片式電腦，擁有具有豐富I/O接口和開發(fā)功能，使得開發(fā)的系統(tǒng)具有較強(qiáng)的移植性，便于系統(tǒng)后期一系列擴(kuò)展需求。40針GPIO接口既有串行通訊接口，也包含了豐富的控制接口?？芍苯舆B接各種串行通信傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并根據(jù)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)設(shè)置各種算法來實(shí)施控制卷簾步進(jìn)電機(jī)、排氣風(fēng)機(jī)的各運(yùn)轉(zhuǎn)功能。

每個(gè)控制部的界面采用Python自帶GUI（圖形用戶接口）工具tkinter進(jìn)行開發(fā)。圖形界面簡(jiǎn)單直觀，適合中小型農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制區(qū)域部署?？刂撇亢诵那度肓烁鬓r(nóng)作物的環(huán)境影響因子算法，可方便地根據(jù)設(shè)定條件，自動(dòng)化、智能化地控制風(fēng)機(jī)、電機(jī)等電氣設(shè)備。

該系統(tǒng)分為控制核心、傳感單元電路、控制電路三部分?？刂坪诵牟捎瞄_源電腦控制平臺(tái)，平臺(tái)自帶GPIO控制接口。傳感單元包括通過485有線連接和無線Lora通信兩種方式。無線通信需要通過智能采集器進(jìn)行485-Lora-485的協(xié)議轉(zhuǎn)換?？刂破鲗?shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，采用模糊融合決策機(jī)制向相應(yīng)的控制電路發(fā)出控制命令，及時(shí)調(diào)節(jié)溫室內(nèi)各種環(huán)境因子以達(dá)到精細(xì)化種植需要的各種設(shè)定條件。

控制部的功能：通過采集各點(diǎn)土壤溫濕度參數(shù)，決策是否該對(duì)作物進(jìn)行節(jié)水灌溉作業(yè)。灌溉溫濕度條件滿足冗余查詢條件時(shí)，停止灌溉作業(yè)；溫室空氣溫濕度環(huán)境監(jiān)測(cè)參數(shù)作為對(duì)通風(fēng)設(shè)備、空氣加溫加濕設(shè)備及卷簾機(jī)設(shè)備等是否啟動(dòng)以及排風(fēng)機(jī)組工作轉(zhuǎn)速狀態(tài)進(jìn)行控制判別條件；光照傳感器單元作為卷簾步進(jìn)電機(jī)工作狀態(tài)以及補(bǔ)光燈設(shè)備是否投入運(yùn)行的判別條件，進(jìn)行控制作業(yè)；氣體傳感器可根據(jù)所種作物光合作用最佳需求CO2及特殊需求氣體條件進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)CO2氣體濃度低于一定條件時(shí)即可啟動(dòng)氣體補(bǔ)充裝置進(jìn)行二氧化碳施肥，當(dāng)超標(biāo)后即啟動(dòng)排風(fēng)電機(jī)組工作，從而實(shí)現(xiàn)智能化的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)作用。

2 組態(tài)監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

■2.1 總監(jiān)測(cè)部組態(tài)設(shè)計(jì)

圖3 溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)組態(tài)窗口

總體監(jiān)測(cè)部分設(shè)置了各控制部部分的選擇界面，進(jìn)入相應(yīng)選擇界面后即可監(jiān)測(cè)該溫室的各項(xiàng)環(huán)境因子監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。并開發(fā)了監(jiān)測(cè)趨勢(shì)線路圖，便于用戶在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)從整體把握該因子的變化趨勢(shì)，為農(nóng)作物的生長(zhǎng)和農(nóng)業(yè)研究提供重要的資料依據(jù)。

總體監(jiān)測(cè)部除了可以監(jiān)測(cè)各溫室的控制部數(shù)據(jù)外，也可向指定的或者總體控制部發(fā)送控制命令，進(jìn)行總體控制。如一鍵關(guān)閉/停止，一鍵打開/啟動(dòng)各子控制單元的功能，簡(jiǎn)化操作步驟，縮短整體操控時(shí)間。

■2.2 傳感監(jiān)測(cè)模塊

(1)傳感器模塊

該監(jiān)控系統(tǒng)包括光照、空氣溫濕度、CO2濃度、土壤溫濕度等傳感單元。可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫室中各環(huán)境因子。并根據(jù)控制策略控制灌溉、卷簾開合度、補(bǔ)光、加溫、加濕、CO2氣肥等一系列措施，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)各因子，滿足不同作物的生長(zhǎng)需求，達(dá)到精細(xì)化種植的目的。

(2)多傳感器系統(tǒng)的敷設(shè)

485布線采用通用的8芯屏蔽雙絞線,可有效防止和屏蔽干擾。總線上最多允許掛接128個(gè)總線設(shè)備，在不加中繼器的情況下，總線長(zhǎng)度不大于1200m，如果更長(zhǎng)請(qǐng)選用其它專用485/232轉(zhuǎn)換器或者加中繼器，并選用更粗的通訊電纜。對(duì)于溫室室內(nèi)設(shè)備來說已完全可滿足空間布線需求。

如果成本允許，也可直接用帶Lora通信的傳感器代替有線設(shè)備，直接同控制部和主監(jiān)測(cè)部通信。

■2.3 數(shù)據(jù)采集/轉(zhuǎn)換裝置

采用485-Lora集中控制器作為組網(wǎng)核心，該裝置主要作用就是實(shí)現(xiàn)多-多的485/Lora之間的數(shù)據(jù)傳輸，將無線Lora協(xié)議轉(zhuǎn)換為485總線傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議。如圖1總監(jiān)部設(shè)計(jì)圖所示，利用多個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行組網(wǎng)，建立農(nóng)場(chǎng)自己的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。

圖1 總監(jiān)設(shè)備部設(shè)計(jì)方案框圖

圖5 485多設(shè)備接線示意圖

圖6 協(xié)議轉(zhuǎn)換裝置組網(wǎng)

3 精細(xì)化控制模塊

■3.1 聯(lián)合控制策略

系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)的控制方法采用一種融合粗糙集與證據(jù)理論的溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境控制決策方法，首先應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建溫室環(huán)境控制設(shè)施，采集溫室環(huán)境信息與控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行;然后采用模糊C均值聚類方法實(shí)現(xiàn)連續(xù)數(shù)據(jù)離散化，利用基于信息熵的屬性約簡(jiǎn)算法對(duì)專家決策表進(jìn)行約簡(jiǎn)，采用均值劃分的基本可信度分配函數(shù)獲得樣本在各焦元的基本可信度分配值:最后對(duì)各約簡(jiǎn)屬性集進(jìn)行證據(jù)合成，依據(jù)最大基本可信度分配函數(shù)法，判定應(yīng)采取控制方法。具體數(shù)據(jù)處理步驟框圖如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)處理及決策步驟

控制部通過GPIO接口與電機(jī)驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行連接，從而可驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等裝置，達(dá)到精確控制的目的。

■3.2 直流風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制

控制部Raspberry Pi通過圖8所示電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，實(shí)現(xiàn)溫室的送排風(fēng)控制。同時(shí)可根據(jù)聯(lián)合控制策略對(duì)電機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速控制。

圖8 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

調(diào)速控制部分程序：

■3.3 卷簾控制裝置設(shè)計(jì)

卷簾機(jī)采用雙極型步進(jìn)電機(jī)，可以通過圖8驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。通過聯(lián)合控制參數(shù)的設(shè)定值，調(diào)用不同的實(shí)參訪問驅(qū)動(dòng)控制函數(shù)來精確控制卷簾電機(jī)的旋轉(zhuǎn)步進(jìn)值，從而達(dá)到精確控制溫室卷簾開合角度的控制要求。

部分控制程序：

x = int(input('輸入一個(gè)整數(shù)（位于-400與400之間）來控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)：'))

4 控制部GUI設(shè)計(jì)

控制部圖形用戶接口（GUI）使用的是Python3內(nèi)嵌的tkinter模塊設(shè)計(jì)相關(guān)程序。如下所示從tkinter庫中引入相關(guān)模塊。

系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)步驟及簡(jiǎn)單的初始代碼可描述如下：

(1)建立窗口和標(biāo)簽

from tkinter import *

root=Tk( )

Label(父對(duì)象,options)root.mainloop( )

(2)設(shè)置相關(guān)功能按鈕

Button(父對(duì)象,options)

(3)設(shè)置不同監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變量類別

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)各環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定不同類別。tkinter模塊變量類別(Variable Classes)有4個(gè)子類別，通過這4個(gè)子類別的數(shù)據(jù)于模塊內(nèi)的Widget控制的相關(guān)參數(shù)結(jié)合已完全可滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)需要。4個(gè)數(shù)據(jù)類型設(shè)置如下：

a=IntVar #整型變量，默認(rèn)值為0

b=DoubleVar #浮點(diǎn)型變量，默認(rèn)值為0.0

c=StringVar #字符型變量，默認(rèn)為" "

d=BooleanVar #布爾型變量，True為1，F(xiàn)alse為0

(4)建立框架標(biāo)簽

LableFrame(父對(duì)象,options)

除了上面的基本步驟外還可以通過Tkinter建立多個(gè)事件進(jìn)行綁定，插入多個(gè)容器子控件以及進(jìn)一步編輯Menu和Toolbars來不斷完善交互界面設(shè)置。本系統(tǒng)GUI界面設(shè)置示意圖如圖9所示。

圖9 GUI界面示意圖

5 結(jié)論

本論文中設(shè)計(jì)的新型溫室環(huán)境因子調(diào)控裝置采用總監(jiān)測(cè)部、各控制部的分模塊控制模式。總監(jiān)測(cè)部主要負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)農(nóng)場(chǎng)區(qū)域各環(huán)境采集參數(shù)進(jìn)行全域監(jiān)測(cè)，同時(shí)還開發(fā)了一鍵功能，可快速部署。各控制部發(fā)揮開源卡片電腦強(qiáng)大的控制算例等功能，部署聯(lián)合控制策略算法，控制各部設(shè)備達(dá)到對(duì)溫室環(huán)境因子精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)精細(xì)化種植的最終目的。整套裝置設(shè)計(jì)科學(xué)合理，各司其職的同時(shí)，又注重統(tǒng)籌兼顧原則。采用價(jià)格相對(duì)較低的卡片電腦既滿足了高水平的控制要求，又實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的低成本化，便于中小農(nóng)場(chǎng)的部署使用，具有很強(qiáng)地實(shí)用價(jià)值。