摘 要： 根据达州的气候条件，设计了以AT89C52单片机为核心的温室远程智能监控系统。该系统包括上位机和下位机两部分，下位机主要负责数据的采集、环境的监测与控制；上位机在温室环境远程智能监控系统的辅助下完成对栽培技术管理、环境监控、水肥管理、病虫害管理、查询统计、决策管理、参数配置、设备控制等工作。实验结果表明，该设计满足了对温室大棚环境远程智能控制的要求，达到了预期的效果。
关键词： 温室控制；监控系统；PID控制；传感器；智能监控
随着智能控制技术、网络技术和无线通信技术的发展，温室监控的智能化程度也越来越高。目前我国引进的温室环境智能控制系统大多成本较高，而自行研制的控制系统由于智能控制技术水平不高，加之不同地区的气候条件对温室环境影响很大，所以总体效果不理想[1-3]。因此，根据达州当地气候条件，结合不同品种蔬菜不同生长阶段对外部环境的要求，开发出与达州当地生产现状相适应的环境智能控制系统是大势所趋。
温室发展具有地域性，达州市地处亚热带北部，气候条件适宜绝大多数蔬菜正常生长。全市属丘陵山区，低山、丘陵、平坝兼有，农业的多样性、代表性明显，有利于蔬菜新品种种植和高新技术推广以及反季蔬菜生产。达州地处于川、渝、鄂、陕结合部，是川东北重要的交通枢纽，且背靠重庆大市场，连接西北市场的西安，区位优势明显。这些条件有利于发展温室大棚蔬菜生产。
基于以上原因，对达州市的温室大棚作为研究对象，研究其智能控制技术，开发结构合理、成本低廉、控制方便、集智能控制和智能决策于一体的温室远程智能监控系统具有重要的现实意义。
1 系统结构
目前，温室控制系统中的控制器主要采用单片机（MCU）、工业控制机（IPC）、可编程逻辑控制器（PLC）或现场总线控制系统（FCS）。采用的通信方式主要有基于RS-232、RS-485、CAN等总线控制模式，基于蓝牙或ZigBee协议的短距离无线通信方式和基于GPRS或GSM的远距离无线通信方式[4-6]。考虑到系统操作的方便性、控制精度、成本及通信方式的灵活性等特点，本文采用图1所示的上、下位机控制结构。下位机采用主从控制器结构，主控制器负责数据的采集，从控制器负责室内环境的监控，它们之间通过无线通信模块连接。这样可以降低控制的负担，提高控制的精确度。上位机通过RS-485总线与下位机的从控制器连接，实现对温室环境与设备的远程监控。
2 下位机硬件系统设计
下位机位于监控现场，直接负责数据的采集和环境的调控。本文根据当地的气候条件及对成本和环境控制精确度的要求，设计了图2所示的下位机系统结构。
系统由数据数据处理模块、数据采集模块、环境调控模块三大模块组成，共同完成实时数据的采集、环境参数的预设和室内环境的控制[7]。
2.1 数据处理模块
数据处理模块由主控模块、通信模块、A/D转换电路和驱动电路组成，主要负责对采集来的数据进行融合处理、数据的转发、数据的显示控制及对环境控制设备的控制等。
2.1.1 主控模块
主控模块由主从两块AT89C52 MCU组成，主机和从机之间通过nRF905传送信号，主MCU负责数据的采集。传感器采集的数据由主控模块融合处理后，经由LCD显示系统显示，由通信模块发送到上位机，并将其保存在中心数据库中；用户可以通过输入系统或远程主机在主控模块上设置环境参数；如果室内某个或某些环境因子不在环境参数设定的范围内，主控模块可以驱动控制程序来启动相应设备对环境进行调整。
2.1.2 通信模块
根据系统对可靠性和稳定性的要求，考虑到RS-485标准的共模抑制比高、抗干扰能力强、传输速率高、传送距离远的性能特点，综合评价后，本系统决定采用符合RS-485电气标准的MAX485芯片来实现下位机与上位机之间的串口通信。RS-485允许平衡电缆上连接32个发送器/接收器对，非常适合温室大棚规模扩大时的测控系统的扩展。MAX-485与下位机和上位机的连接电路如图3所示。
2.2 数据采集模块
数据采集模块由一些传感器节点组成，主要负责室内各种环境因子数据的采集。根据当地温室大棚蔬菜生长特点及温度、湿度、光照、二氧化碳和土壤水分等环境因子的要求，综合考虑不同传感器的性价比，最后决定采用SHT10数字式温湿度传感器、FDS-100型土壤水分传感器、SH-300-DH二氧化碳传感器和TSL2561光强传感器[8]。传感器节点芯片采用CC2430，CC2430使用2.4 GHz频段定义的16个信道。它是一个真正的基于无线传感器网络ZigBee/IEEE 802.15.4解决方案的片上系统，其内部集成了CC2420射频收发器，工业标准增强型8051 MCU内核，128 KB可编程闪存，8 KB的RAM，精确的定位引擎等丰富的片内资源，支持硬件调试，支持基于IAR7.20以上C51开发环境下的在线调试，提供强大、灵活的开发工具[9]。
2.3 环境调控模块
本设计选用继电器作为控制系统的开关，在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。在室内某项或某些环境因子不在预设范围内时，下位机软件将运行驱动程序来开启或关闭加热系统、通风系统、补光系统、渗灌系统和报警系统的设施控制部件，从而达到对温室环境调节的作用。继电器控制电路如图4所示。
3 下位机软件系统设计
下位机的软件系统主要包括主程序和设备控制子程序、通信子程序、显示子程序、系统参数输入子程序等。下位机软件系统主要完成对室内环境的监测、控制设备工作状态的监测、掉电保护；通过PID控制算法实现对室内环境的控制；相关环境参数处理与显示[10]。下位机主控程序的工作流程如图5所示。
4 上位机软件系统设计
上位机是整个系统的管理核心，主要完成对下位机的参数配置、对下位机采集的数据融合处理并将其导入到数据库保存、根据农业专家系统中的数据生成控制决策。为了便于管理，将上位机需要完成的工作通过一个温室监控系统来处理，管理系统分为8个模块。其系统结构如图6所示。
栽培管理模块：栽培管理模块主要负责不同蔬菜不同生长阶段生长环境的决策，以此为不同生长阶段的蔬菜提供最佳生长环境。
环境监控模块：对温室内的环境进行实时监控，及时调整使室内环境维持在蔬菜生长的最佳状态。
水肥管理模块：主要负责营养液配置、灌溉量决策、灌溉量监视。
病虫害管理模块：主要负责病害诊断、虫害诊断及病虫害防治等。
查询统计模块：主要负责实时数据查询、历史数据查询及统计报表输出等。
决策管理模块：利用农业专家系统，根据当地的气候条件和土壤成分等环境因素作出种植蔬菜的品种、施肥时间、肥料的成分等决策。
参数配置：主要对环境参数、设备运行参数、系统参数进行配置。
设备控制：主要对输入设备、输出设备、加热系统、补光系统等环境调节实施设备进行控制。
本次设计根据达州市的气候条件，结合智能控制技术的特点，构建了一套温室环境远程监控系统。本系统可以实现对温室大棚环境的远程智能控制，减低了温室蔬菜种植的成本，提高温室控制的方便性和可靠性，这有利于智能控制技术在温室大棚蔬菜生产中的应用与推广，对当地温室大棚蔬菜的种植具有重要意义。下一步的主要工作就是提高智能控制系统的灵敏度，降低时延，提高环境控制的准确度。
参考文献
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