基于物联网的农业大棚智能管控系统

2018-03-05李兴泽王福平

江苏农业科学 2018年1期

李兴泽，王福平

(北方民族大学电气信息工程学院，宁夏银川 750021)

近年来，农业大棚种植为提高人们的生活水平带来极大的便利，得到了迅速的推广和应用。种植环境中的温度、湿度、光照度、CO2浓度等环境因子对作物的生产有很大的影响[1]。但温室环境系统是一个非线性、时变、滞后复杂的大系统，难以建立系统的数学模型，采用常规的控制方法难以获得满意的静、动态性能[2]。根据温室棚内环境控制的特点，提出了一种基于物联网的农业大棚智能管控系统的设计。本系统主要分为3个子系统，包括上位机系统、传输系统和下位机系统。上位机系统包括控制中心、环境数据分析、环境数据存储和历史数据查询。传输系统包括GPRS远传模块、ZigBee节点无线传输模块和RS485有线传输模块，主要是传输传感器采集到的环境信息数据[3]。下位机包括环境信息采集模块和动作执行模块，通过多种传感器采集环境信息并实时上传，根据上位机发出的指令，执行相应的动作。3个系统相互联系、相互制约，有共同的目标和核心的控制策略，共同完成农业大棚智能管控任务。这样提高了农业大棚种植的科学化，管理的智能化。

1 系统总体架构

农业大棚智能管控系统主要包括控制中心模块、数据存储模块、网络传输模块、现场数据采集模块和动作执行模块。其中控制中心模块是系统的核心部分，它负责对现场数据的分析、存储和处理，供管理人员实时监测现场环境变化及查询历史数据，并作出相应的控制指令调节现场环境因子使其保持科学性。数据存储模块主要是对现场的视频数据、环境因子数据和一些分析报告进行存储，供管理人员查询和分析。网络传输模块由无线ZigBee和有线RS485结合GPRS组成，其功能是传输现场各子节点测得的数据信息，以供控制中心分析处理。现场数据采集模块主要是采集棚内空气温湿度、光照强度、二氧化碳浓度、土壤温湿度以及视频数据等的采集和控制。动作执行模块由自动浇灌子模块和卷帘控制子模块组成，根据控制中心发出的命令作出相应的调节棚内环境的动作。系统的总体结构见图1。

2 系统的硬件设计

2.1 下位机系统

下位机位于控制环境现场，主要由环境信息采集模块和动作执行模块组成，其系统结构见图2。下位机主要实现棚内环境数据实时采集、处理与显示，以及对温室环境的调节，通过RS485、ZigBee以及GPRS将测得的棚内参数传送到上位PC机，并根据上位机的控制决策而产生动作指令，控制执行机构进行调节；具有脱机运行功能，可在上位机关机情况下独立工作，管理人员或专家通过键盘预设环境参数及实时采集的环境参数，自主运行下位机决策程序，实现棚内自动控制[4]。下位机自主控制流程见图3。

2.2 数据采集控制模块

2.2.1 传感器的选择传感器用来对棚内空气的温湿度、土壤的温湿度、光照强度和二氧化碳浓度等进行数据采集。根据棚内作物生长特点和环境要求，选择精度较高、运行稳定、性价比较高的传感器是十分必要的。本系统采用的是搜博公司SM2801B型土壤水分传感器。SM2801B为搜博自主研发产品，采用工业级精密核心元件使其具有优越的准确性与长期稳定性。该传感器体积设计小巧，方便安装和携带，结构设计合理且密封良好，不锈钢探针保证适用性和广泛性。土壤水分检测传感器可长期埋设于土壤和堤坝中使用，与数据采集器配合使用，可作为水分及温度定点监测或移动测量仪器。SM2801实物及电路如图4所示。采用WTA-100土壤温度传感器，该传感器采用精密铂电阻探头制成，热响应时间少，减小了动态误差，可以准确地测量土壤深层、浅层、表层的温度，并且有着多种信号输出格式。WAH-C10温湿度传感器，采用的是不锈钢外壳，前端的对流口安装了过滤网，可有效地阻挡污物，测量精度高，稳定性好。WLS-TH100光照传感器采用硅光原理，可测量全部太阳和天空向下的辐射，接收的信号经过余弦修正，精度更高；还在传感器的电缆上加载了一个电阻，使得传感器的微安级电流转换成毫伏级电压信号。WSD-C200风速传感器采用坚硬的抗腐蚀抗老化的热塑性塑料，不锈钢外壳并电镀铝，使仪器更加简单和轻质量；并且输出信号为标准格式。图5为土壤温湿度传感器节点的硬件实物。

2.2.2 数据采集控制模块系统采用DMG-1数据采集控制模块，其核心为16位超低功耗单片机。它采用MODBUS规约，该规约具有开放、文本易得、协议简单等优点，是一种通用的数据采集控制模块。具备RS485接口和RE232接口，在使用RS485接口时具有更高的通信速率和更远的通信距离。

2.3 执行机构架构

本系统执行机构包括开窗系统、拉幕系统、风机-湿帘降温系统、温室加温系统、温室灌溉系统和视频监控系统。这些系统通过上位机对数据采集控制模块下达指令，利用电磁阀控制相应的系统开关，从而实现各系统的自动化、智能化。

3 系统的软件设计

3.1 ZigBee无线网络软件开发

本系统采用TI公司的CC2530无线芯片作为硬件支持和IAR公司的IAR Embedded Workbench集成编译环境作为基础，采用TI Z-Stack软件作为操作系统，在此基础上添加用来监测棚内环境的传感器模块参数读取函数，其中包括土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器和二氧化碳浓度传感器等。传感器数据的采集根据各传感器芯片的数据手册，安装协议规定的步骤进行数据的读取。

3.1.1 IAR集成开发环境 IAR Embedded Workbench(简称EW)是一套强大的软件开发工具，用于对汇编、C、C++编写的嵌入式应用程序进行编译和调试。该集成开发环境包含了IAR的C/C++优化编译器、汇编器、链接器、文本编辑器、文件管理器、项目工程管理器和C-SPY调试器[5]。程序通过其内置的针对不同芯片的代码优化器，能够为处理器芯片生成相当可靠和高效的FLASH/PROMable代码。图6为IAR开发环境主界面截图。

3.1.2 ZigBee协议栈应用本网络节点的软件设计是基于TI公司提供的Z-Stack-CC2530-2.2.2-1.3.0协议栈开发包中包含的项目工程模板创建，在工程模板的应用层框架中添加自己编写的程序和功能函数模块，同时TI公司项目工程模板中还提供了与CC2530芯片相关的底层函数库，如ADC操作函数库、UART操作函数库等，用户可以通过简单的API接口函数调用来实现自己想要的功能。这样就极大地方便了项目开发，有效地缩短了项目开发周期。Z-Stack按照IEEE 802.15.4标准以及ZigBee标准的层次结构进行编程实现，主要包括以下几个模块：APP应用层、HAL硬件抽象层、MAC媒体介质访问层、NWK网络层、OSAL操作系统层和Service服务、Security安全和ZDO等模块。Z-Stack协议栈采用了具有优先级的事件轮询机制，在系统初始化完成后即进入系统休眠模式，如有事件发生，则系统被唤醒，然后按照优先级的顺序依次对触发事件进行处理，待所有事件处理完成后，系统将再次进入休眠模式，开始等待下一事件唤醒。通过这种运行机制，Z-Stack协议栈能有效降低系统功耗。

3.2 数据传输的软件设计

各传感器节点完成数据的采集和转换后，剩下的工作就是把数据发送给协调器节点进行汇总处理。这就涉及到无线网络节点之间的数据通信了，传感器节点以什么样的格式和顺序将数据发送给协调器，协调器如何对收到的数据进行处理，那么就需要设计一个数据通信的协议，也就是确定数据包的帧格式。

3.3 控制算法设计

基于棚内控制方式，我们最终确定用模糊控制算法来设计农业大棚智能管控系统。模糊控制又称模糊逻辑，它是一种以模糊集合、模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的控制技术。最早是由美国的扎德(L.A.Zadeh)在1965年提出了模糊集合论，并在1973年他给出了模糊逻辑控制的定义和相关的定理。1974年，英国的Mamdani首次将由模糊语句组成的模糊控制器控制蒸汽机和锅炉，获得了实验室的成功。图7为模糊控制系统的结构框图。