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(cè)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(duì)栽培技術(shù)管理、環(huán)境監(jiān)控、水肥管理、病蟲(chóng)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(duì)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(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，溫室監(jiān)控的智能化程度也越來(lái)越高。目前我國(guó)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(duì)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(zhǎng)階段對(duì)外部環(huán)境的要求，開(kāi)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(shì)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(zhǎng)。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(chǎng)，連接西北市場(chǎng)的西安，區(qū)位優(yōu)勢(shì)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(duì)達(dá)州市的溫室大棚作為研究對(duì)象，研究其智能控制技術(shù)，開(kāi)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(chǎng)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(wú)線通信方式和基于GPRS或GSM的遠(yuǎn)距離無(wú)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(guò)無(wú)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(guò)RS-485總線與下位機(jī)的從控制器連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǎng)，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(duì)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(shí)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(dòng)電路組成，主要負(fù)責(zé)對(duì)采集來(lái)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(duì)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(guò)nRF905傳送信號(hào)，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(kù)中；用戶可以通過(guò)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(gè)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(dòng)控制程序來(lái)啟動(dòng)相應(yīng)設(shè)備對(duì)環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。
2.1.2 通信模塊
　根據(jù)系統(tǒng)對(duì)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(píng)價(jià)后，本系統(tǒng)決定采用符合RS-485電氣標(biāo)準(zhǔn)的MAX485芯片來(lái)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(gè)發(fā)送器/接收器對(duì)，非常適合溫室大棚規(guī)模擴(kuò)大時(shí)的測(cè)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(zhǎng)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(jià)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(gè)信道。它是一個(gè)真正的基于無(wú)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(kāi)發(fā)環(huán)境下的在線調(diào)試，提供強(qiáng)大、靈活的開(kāi)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(kāi)關(guān)，在電路中起著自動(dòng)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(shí)，下位機(jī)軟件將運(yùn)行驅(qū)動(dòng)程序來(lái)開(kāi)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(duì)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(duì)室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)、控制設(shè)備工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)、掉電保護(hù)；通過(guò)PID控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)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(gè)系統(tǒng)的管理核心，主要完成對(duì)下位機(jī)的參數(shù)配置、對(duì)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(kù)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(guò)一個(gè)溫室監(jiān)控系統(tǒng)來(lái)處理，管理系統(tǒng)分為8個(gè)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(zhǎng)階段生長(zhǎng)環(huán)境的決策，以此為不同生長(zhǎng)階段的蔬菜提供最佳生長(zhǎng)環(huán)境。
　環(huán)境監(jiān)控模塊：對(duì)溫室內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)調(diào)整使室內(nèi)環(huán)境維持在蔬菜生長(zhǎng)的最佳狀態(tài)。
水肥管理模塊：主要負(fù)責(zé)營(yíng)養(yǎng)液配置、灌溉量決策、灌溉量監(jiān)視。
病蟲(chóng)害管理模塊：主要負(fù)責(zé)病害診斷、蟲(chóng)害診斷及病蟲(chóng)害防治等。
查詢統(tǒng)計(jì)模塊：主要負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)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(shí)間、肥料的成分等決策。
　參數(shù)配置：主要對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)延，提高環(huán)境控制的準(zhǔn)確度。
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