摘  要： 根據(jù)達(dá)州的氣候條件,，設(shè)計(jì)了以AT89C52單片機(jī)為核心的溫室遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括上位機(jī)和下位機(jī)兩部分,，下位機(jī)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集,、環(huán)境的監(jiān)測與控制；上位機(jī)在溫室環(huán)境遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)的輔助下完成對栽培技術(shù)管理,、環(huán)境監(jiān)控,、水肥管理、病蟲害管理,、查詢統(tǒng)計(jì),、決策管理、參數(shù)配置,、設(shè)備控制等工作,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)滿足了對溫室大棚環(huán)境遠(yuǎn)程智能控制的要求,，達(dá)到了預(yù)期的效果,。
關(guān)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(shù),、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和無線通信技術(shù)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(jìn)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(shù)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(dá)州當(dāng)?shù)貧夂驐l件,，結(jié)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(dá)州當(dāng)?shù)厣a(chǎn)現(xiàn)狀相適應(yīng)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(dá)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(shù)推廣以及反季蔬菜生產(chǎn)。達(dá)州地處于川,、渝,、鄂、陜結(jié)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(dá)州市的溫室大棚作為研究對象,，研究其智能控制技術(shù)，開發(fā)結(jié)構(gòu)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(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義,。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　目前,，溫室控制系統(tǒng)中的控制器主要采用單片機(jī)（MCU）、工業(yè)控制機(jī)（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(lán)牙或ZigBee協(xié)議的短距離無線通信方式和基于GPRS或GSM的遠(yuǎn)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(diǎn)，本文采用圖1所示的上,、下位機(jī)控制結(jié)構(gòu),。下位機(jī)采用主從控制器結(jié)構(gòu)，主控制器負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集,，從控制器負(fù)責(zé)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(fù)擔(dān),，提高控制的精確度,。上位機(jī)通過RS-485總線與下位機(jī)的從控制器連接，實(shí)現(xiàn)對溫室環(huán)境與設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控,。

2 下位機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　下位機(jī)位于監(jiān)控現(xiàn)場,，直接負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和環(huán)境的調(diào)控。本文根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件及對成本和環(huán)境控制精確度的要求,，設(shè)計(jì)了圖2所示的下位機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),。

　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(shí)時數(shù)據(jù)的采集、環(huán)境參數(shù)的預(yù)設(shè)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(zhuǎn)換電路和驅(qū)動電路組成,，主要負(fù)責(zé)對采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理,、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)的顯示控制及對環(huán)境控制設(shè)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(jī)和從機(jī)之間通過nRF905傳送信號，主MCU負(fù)責(zé)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(jī),，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(yuǎn)程主機(jī)在主控模塊上設(shè)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(shè)定的范圍內(nèi),，主控模塊可以驅(qū)動控制程序來啟動相應(yīng)設(shè)備對環(huán)境進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)的共模抑制比高,、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高、傳送距離遠(yuǎn)的性能特點(diǎn),，綜合評價后,，本系統(tǒng)決定采用符合RS-485電氣標(biāo)準(zhǔn)的MAX485芯片來實(shí)現(xiàn)下位機(jī)與上位機(jī)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(kuò)大時的測控系統(tǒng)的擴(kuò)展,。MAX-485與下位機(jī)和上位機(jī)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(diǎn)組成,，主要負(fù)責(zé)室內(nèi)各種環(huán)境因子數(shù)據(jù)的采集,。根據(jù)當(dāng)?shù)販厥掖笈锸卟松L特點(diǎn)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(qiáng)傳感器[8],。傳感器節(jié)點(diǎn)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(luò)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(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)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(qiáng)大、靈活的開發(fā)工具[9],。
2.3 環(huán)境調(diào)控模塊
　本設(shè)計(jì)選用繼電器作為控制系統(tǒng)的開關(guān),，在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù),、轉(zhuǎn)換電路等作用,。在室內(nèi)某項(xiàng)或某些環(huán)境因子不在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)時，下位機(jī)軟件將運(yùn)行驅(qū)動程序來開啟或關(guān)閉加熱系統(tǒng),、通風(fēng)系統(tǒng),、補(bǔ)光系統(tǒng)、滲灌系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)施控制部件,，從而達(dá)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(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　下位機(jī)的軟件系統(tǒng)主要包括主程序和設(shè)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(jī)軟件系統(tǒng)主要完成對室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測,、控制設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)測,、掉電保護(hù)；通過PID控制算法實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)環(huán)境的控制,；相關(guān)環(huán)境參數(shù)處理與顯示[10],。下位機(jī)主控程序的工作流程如圖5所示。

4 上位機(jī)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　上位機(jī)是整個系統(tǒng)的管理核心,，主要完成對下位機(jī)的參數(shù)配置,、對下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)融合處理并將其導(dǎo)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(jī)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(jié)構(gòu)如圖6所示,。
　栽培管理模塊：栽培管理模塊主要負(fù)責(zé)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(jìn)行實(shí)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(fù)責(zé)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(fù)責(zé)病害診斷,、蟲害診斷及病蟲害防治等,。
查詢統(tǒng)計(jì)模塊：主要負(fù)責(zé)實(shí)時數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢及統(tǒng)計(jì)報(bào)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(dāng)?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(shè)備運(yùn)行參數(shù),、系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行配置,。
　設(shè)備控制：主要對輸入設(shè)備、輸出設(shè)備,、加熱系統(tǒng),、補(bǔ)光系統(tǒng)等環(huán)境調(diào)節(jié)實(shí)施設(shè)備進(jìn)行控制,。
　本次設(shè)計(jì)根據(jù)達(dá)州市的氣候條件，結(jié)合智能控制技術(shù)的特點(diǎn),，構(gòu)建了一套溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),。本系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對溫室大棚環(huán)境的遠(yuǎn)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(shù)在溫室大棚蔬菜生產(chǎn)中的應(yīng)用與推廣,，對當(dāng)?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(zhǔn)確度,。
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