智能温室示范点控制系统应用分析

胡传干

随着农村城镇化、农业规模化和现代化水平的不断提高，农业生产对机械化、自动化和智能化的要求越来越高。设施农业智能化管控是实现设施农业生产自动化、高效化最为重要的环节之一，一直受到各国农业专家和研究人员的高度重视。

为全面提升农机化公共服务能力，江苏省现代农业装备科技示范中心跟踪国外先进技术，整合全省设施农业优势资源，紧紧围绕江苏省现代农业园区、三农科教基地建设，在江苏现代农机科技示范园建设智能温室示范点控制系统，打造智能农业管控中心和生态低碳、标准化的温室示范点。

1 系统整体实施方案

该控制系统划分为三个控制单元，是集室内环境信息采集、视频监控、手动控制、自动控制、本地生产管理、WEB远程访问、手机移动访问于一体的综合管控平台。可实现如下功能：

（1）通过风机、补光灯、湿帘等基础设施以及用于本地控制的PLC控制柜，实现对温室中温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度的调控。

（2）通过温室内环境传感装置实现对室内环境的实时监测。通过无线传感器对温室内的环境参数（光照、二氧化碳、温湿度等）进行采集，并由网关将数据实时传送到远程服务器，进行后期分析处理。

（3）实现了水肥一体化和节水灌溉系统自动化控制。通过轮灌，达到精细化、集约化灌溉的目的。

（4）实现了对温室内作物生长状况实时监控。每个温室单元分别配备一台高清云台，通过监控室服务器界面可以对温室内作物的生长情况进行实时监控。

（5）实现对示范点温室环境的远程自动控制。管理人员通过远程服务器发布的Web网页向无线网关发送控制指令，再由网关将指令发送至控制节点，从而控制风机、湿帘、内外遮阳等环境调节设备。系统能够在智能决策算法的驱动下智能调控温室环境参数。

（6）通过本地生产管理软件平台，用户可在本地对基地中农产品的温室环境参数、温室机构控制、视频回放等进行全方位、多角度的控制。另外，用户也能够通过手机App、Web网页等实现异地远程的温室信息采集、分析以及设备控制等日常温室管理工作。

2 系统硬件建设

系统的硬件主要由PC上位机、无线传输装置和嵌入式下位机3部分构成。

PC上位机主要由PC机、显示器、蜂鸣器组成，主要完成各种功能控制。

下位机在本系统中主要负责环境参数的采集，由嵌入式系统、显示装置、采集装置和执行机构组成。嵌入式系统由STM32F103RCT6型ARM微控制器构成核心运算单元，主要用来对各个传感器进行数据采集、处理、显示,并控制相应的执行机构完成相应的动作。此外，它还要对处理后的数据进行压缩，并发给无线发送模块进行发送。采集装置由温湿度传感器DHT81、光强传感器TSL2561、二氧化碳传感器MG811组成，用于对各种环境参数进行监控和测量。下位机的处理器会依据标准参数对采集来的数据进行处理、优化，最后输出能使农作物生长达到最佳状态的控制信号，从而控制执行机构调节光照、温度、土壤湿度和二氧化碳浓度，使农作物处于最佳的生长环境中。

无线传输装置由无线信号发送模块、中央处理器和PC机“智能温室控制中心”软件中的数据监控模块组成。无线发送模块先将采集到的数据进行编码，然后基于ZIGBEE协议将数据上传至互联网上。通过SMA扩展接口外接SMA天线，可放大信号增加无线通讯距离。图1为系统硬件结构框图。

3 系统软件设计

软件系统主要由上位机软件和下位机软件两大部分组成。

上位机各种功能通过“智能温室控制中心”软件控制来实现。该软件由数据采集模块、数据处理显示模块、图形界面模块、控制参数更新模块、SQL数据库等组成，主要用于数据采集、数据处理、控制参数更新和自动检测报警。

图1 系统硬件结构框图

下位机软件由应用程序、驱动程序和Linux操作系统3部分组成。当整个下位机初始化后，运行在Linux操作系统之上的应用程序首先会调入标准参数，接着会采集当前的光强、二氧化碳浓度、湿度和温度信号，然后会把当前值和标准参数一起加载到各自对应的控制模块中，最后处理器会对不同的采集模块采取不同的控制方法。该系统特别引用预测控制方法，根据对象的历史信息和未来输入来预测其未来输出。预测控制常用的控制算法有动态矩阵控制(DMC)、模型算法控制(MAC)和模型预测启发控制(MPHC)，各种算法都是建立在预测模型、滚动优化、反馈校正三项基本原理基础上。系统选择动态矩阵控制算法，首先依据刚刚采集到的一系列数据建立数学模型，依据数学模型和输出差值，通过反馈对输入进行反复滚动修正，直至满足精度要求。简言之，就是根据输入的温度和湿度量，通过最优控制执行机构完成相应的动作，从而使农作物所处环境的温度和湿度达到农作物生长所需的参数指标要求。总的来说，系统会针对不同的环境参数采取不同的控制方法，从而使环境参数达到农作物生长所需的最好的参数指标。

4 结论

该智能温室示范点控制系统是针对目前我国温室系统智能化现状设计的一种基于嵌入式下位机、PC上位机、无线传输模式以及分散控制方法的智能温室控制系统。由于采用了分散控制的方法，单个下位机依照PC机传来的标准参数就能够独立完成环境参数的采集和调控。PC上位机除了可以随时监测嵌入式下位机的工作状态外，还可以直接更新下位机工作所依据的标准参数，间接控制下位机的工作。此外，系统采用了基于ZIGBEE协议的无线传输方式，方便对下位机的监控，提高了系统的灵活性，扩大了适用范围。