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(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)端計算機互連,，實現(xiàn)溫室環(huán)境與設(shè)備的遠(yuǎn)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(hù),；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(yuǎn)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(jìn)行系統(tǒng)研制,。經(jīng)過反復(fù)多次改進(jìn)和完善,，智能溫室遠(yuǎn)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(dá)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。