新型温室环境因子调控装置设计与研究

许鹏，王先宏，贾民政

（北京工业职业技术学院 电气与信息工程学院，北京， 100042）

0 引言

近年来，我国在智慧温室环境因素的精确调控领域发展有了很大的进步，但真正能够进行全方位应用的基本都是大型化的植物工厂或农场，中小型和个人农场普及率还是很低。计算机智能控制、通信技术、电气自动化等高新技术与传统农业的契合度还很低。一个主要原因为农业智能化设施的应用开发采用的软硬件模式以及维护等成本相对较高，系统的可扩展性较差，普通中小规模用户基本无力承担。

基于我国农业发展中的实情，根据农作物生长适宜生态条件，采用低成本、开发维护简单的开源微控制器单元作为核心大脑，利用各种外围传感器模块,准确采集环境因子(光、热、水、气、肥等)以及作物生育状况等参数,建立相关作物生长环境的数学模型，并对数据进行统计分析、存储，根据作物生长所需最佳条件,设计动态人工智能控制算法，使有关系统、装置及设备有规律运作, 确保一切生产活动科学、有序、规范、持续地进行。从而使广大农户能够切实的享受到智慧农业发展的果实。

综上，开发一套成本低廉、使用简易且又能满足数字化、智能化控制要求的新型温室监测、调控装置，真正能让技术嵌入到普通温室种植用户中去，是有其非凡意义的。既能满足普通单片机控制器的所有控制要求，又兼顾了多媒体电脑的诸多处理能力。系统软件设计可实现模块化调用，功能升级方便，可操控性强。该设计系统完全可满足对作物生长环境的智能化控制和作物的科学管理,实现资源的优化配置,以达到作物稳产、高产、高效的现代精细化农业要求。

1 系统功能设计

系统设计分为两部分：

第一部分为总体监控设备部。设一台工控主机，承担全场区的总体监视功能。管理人员可随时通过主机调取各温室的各采集单元环境因子数据，生成趋势曲线、报表等实时数据。同时总监部也具有控制全局控制权限，在高级用户登录后，便可对各控制部的参数进行修改或执行控制动作。界面使用HMI液晶触摸或显示大屏。利用组态软件作为开发IDE来实施开发。

第二部分为各温室控制部。各控制部以开源控制器Raspberry Pi 4B作为核心控制服务器。该控制器为卡片式电脑，拥有具有丰富I/O接口和开发功能，使得开发的系统具有较强的移植性，便于系统后期一系列扩展需求。40针GPIO接口既有串行通讯接口，也包含了丰富的控制接口。可直接连接各种串行通信传感器实时监测数据，并根据监测的数据设置各种算法来实施控制卷帘步进电机、排气风机的各运转功能。

每个控制部的界面采用Python自带GUI（图形用户接口）工具tkinter进行开发。图形界面简单直观，适合中小型农业现场控制区域部署。控制部核心嵌入了各农作物的环境影响因子算法，可方便地根据设定条件，自动化、智能化地控制风机、电机等电气设备。

该系统分为控制核心、传感单元电路、控制电路三部分。控制核心采用开源电脑控制平台，平台自带GPIO控制接口。传感单元包括通过485有线连接和无线Lora通信两种方式。无线通信需要通过智能采集器进行485-Lora-485的协议转换。控制器将实时采集的数据进行分析、处理，采用模糊融合决策机制向相应的控制电路发出控制命令，及时调节温室内各种环境因子以达到精细化种植需要的各种设定条件。

控制部的功能：通过采集各点土壤温湿度参数，决策是否该对作物进行节水灌溉作业。灌溉温湿度条件满足冗余查询条件时，停止灌溉作业；温室空气温湿度环境监测参数作为对通风设备、空气加温加湿设备及卷帘机设备等是否启动以及排风机组工作转速状态进行控制判别条件；光照传感器单元作为卷帘步进电机工作状态以及补光灯设备是否投入运行的判别条件，进行控制作业；气体传感器可根据所种作物光合作用最佳需求CO2及特殊需求气体条件进行监测，当CO2气体浓度低于一定条件时即可启动气体补充装置进行二氧化碳施肥，当超标后即启动排风电机组工作，从而实现智能化的动态调节作用。

2 组态监控模块设计

■2.1 总监测部组态设计

图3 温室环境监测组态窗口

总体监测部分设置了各控制部部分的选择界面，进入相应选择界面后即可监测该温室的各项环境因子监测数据。并开发了监测趋势线路图，便于用户在设定时间段内从整体把握该因子的变化趋势，为农作物的生长和农业研究提供重要的资料依据。

总体监测部除了可以监测各温室的控制部数据外，也可向指定的或者总体控制部发送控制命令，进行总体控制。如一键关闭/停止，一键打开/启动各子控制单元的功能，简化操作步骤，缩短整体操控时间。

■2.2 传感监测模块

(1)传感器模块

该监控系统包括光照、空气温湿度、CO2浓度、土壤温湿度等传感单元。可实时监测温室中各环境因子。并根据控制策略控制灌溉、卷帘开合度、补光、加温、加湿、CO2气肥等一系列措施，动态调节各因子，满足不同作物的生长需求，达到精细化种植的目的。

(2)多传感器系统的敷设

485布线采用通用的8芯屏蔽双绞线,可有效防止和屏蔽干扰。总线上最多允许挂接128个总线设备，在不加中继器的情况下，总线长度不大于1200m，如果更长请选用其它专用485/232转换器或者加中继器，并选用更粗的通讯电缆。对于温室室内设备来说已完全可满足空间布线需求。

如果成本允许，也可直接用带Lora通信的传感器代替有线设备，直接同控制部和主监测部通信。

■2.3 数据采集/转换装置

采用485-Lora集中控制器作为组网核心，该装置主要作用就是实现多-多的485/Lora之间的数据传输，将无线Lora协议转换为485总线传输的标准Modbus协议。如图1总监部设计图所示，利用多个数据转换装置进行组网，建立农场自己的数据传输网络。

图1 总监设备部设计方案框图

图5 485多设备接线示意图

图6 协议转换装置组网

3 精细化控制模块

■3.1 联合控制策略

系统联动的控制方法采用一种融合粗糙集与证据理论的温室无线传感器网络环境控制决策方法，首先应用无线传感器网络构建温室环境控制设施，采集温室环境信息与控制执行机构运行;然后采用模糊C均值聚类方法实现连续数据离散化，利用基于信息熵的属性约简算法对专家决策表进行约简，采用均值划分的基本可信度分配函数获得样本在各焦元的基本可信度分配值:最后对各约简属性集进行证据合成，依据最大基本可信度分配函数法，判定应采取控制方法。具体数据处理步骤框图如图7所示。

图7 数据处理及决策步骤

控制部通过GPIO接口与电机驱动板进行连接，从而可驱动直流电机、伺服电机、步进电机等装置，达到精确控制的目的。

■3.2 直流风机转速控制

控制部Raspberry Pi通过图8所示电机驱动模块，可同时驱动两台直流电机，控制电机转动方向，实现温室的送排风控制。同时可根据联合控制策略对电机进行PWM调速控制。

图8 电机驱动模块

调速控制部分程序：

■3.3 卷帘控制装置设计

卷帘机采用双极型步进电机，可以通过图8驱动电路进行驱动控制。通过联合控制参数的设定值，调用不同的实参访问驱动控制函数来精确控制卷帘电机的旋转步进值，从而达到精确控制温室卷帘开合角度的控制要求。

部分控制程序：

x = int(input('输入一个整数（位于-400与400之间）来控制步进电机旋转：'))

4 控制部GUI设计

控制部图形用户接口（GUI）使用的是Python3内嵌的tkinter模块设计相关程序。如下所示从tkinter库中引入相关模块。

系统界面设计步骤及简单的初始代码可描述如下：

(1)建立窗口和标签

from tkinter import *

root=Tk( )

Label(父对象,options)root.mainloop( )

(2)设置相关功能按钮

Button(父对象,options)

(3)设置不同监测数据变量类别

系统监测各环境参数数据根据实际需要设定不同类别。tkinter模块变量类别(Variable Classes)有4个子类别，通过这4个子类别的数据于模块内的Widget控制的相关参数结合已完全可满足系统数据需要。4个数据类型设置如下：

a=IntVar #整型变量，默认值为0

b=DoubleVar #浮点型变量，默认值为0.0

c=StringVar #字符型变量，默认为" "

d=BooleanVar #布尔型变量，True为1，False为0

(4)建立框架标签

LableFrame(父对象,options)

除了上面的基本步骤外还可以通过Tkinter建立多个事件进行绑定，插入多个容器子控件以及进一步编辑Menu和Toolbars来不断完善交互界面设置。本系统GUI界面设置示意图如图9所示。

图9 GUI界面示意图

5 结论

本论文中设计的新型温室环境因子调控装置采用总监测部、各控制部的分模块控制模式。总监测部主要负责对整个农场区域各环境采集参数进行全域监测，同时还开发了一键功能，可快速部署。各控制部发挥开源卡片电脑强大的控制算例等功能，部署联合控制策略算法，控制各部设备达到对温室环境因子精准控制，实现精细化种植的最终目的。整套装置设计科学合理，各司其职的同时，又注重统筹兼顾原则。采用价格相对较低的卡片电脑既满足了高水平的控制要求，又实现了产品的低成本化，便于中小农场的部署使用，具有很强地实用价值。