基于GPRS技术日光温室综合环境集散控制系统的研究与设计

王斌，吴锴，李志伟

（山西农业大学 工学院，山西 太谷030801）

日光温室由于结构简单、造价低廉，比较效益好，在我国得以迅猛发展。但日光温室是一个相对封闭的小空间，室内的生态环境自调节能力有限，经常出现某一个环境因素或多个因素的管理指标超限。然而，温室生态环境控制大多采用人工经验管理或单一温室简单自动控制，严重影响了日光温室生产栽培的成功和生产效益。随着我国农业向优质、高效、高产农业的发展，以及日光温室面积的不断扩大和各种新的自动化装备越来越广泛地在温室生产中的应用，以降低运行成本、提高效率、实现温室环境精确控制为目标的温室群集散控制与管理正成为当前研究的关键问题［1，2］。

目前，温室群自动控制系统采用传统的有线互连方式（如各种工业总线方式）通信。其不但成本较高，在高温高湿的环境中也面临众多问题：线路过长造成施工布线困难、总线驱动能力不足、通信速率受限、信号衰减和反射明显，线路老化短路现象十分严重，对维护依赖程度高，不适用地点较为分散和对价格较为敏感的日光温室群的控制［3］。由于有线通信方式在日光温室群自动控制系统组网应用中的不足，各种无线方式开始崭露头角。

本研究以STC89LE58RD＋单片微型计算机为控制核心，以温度为主参量的多因素综合优化调控为体系，利用中国移动提供的GPRS（通用分组无线业务）网络覆盖率高、永远在线、实时通讯、按流量计费、安全可靠等优点，很好地解决了数据无线传输、节点扩展等问题，实现了对节能型日光温室群的温、光、湿、气、水及气流速度等环境因素为调控对象的综合环境动态优化平衡控制，解决了日光温室的综合环境因素检测难题，在不改变日光温室“节能原则”的基础上实现了日光温室群综合环境的优化调控。

1 综合环境自动调控系统的模型设计

在研究日光温室微生态环境变化过程中，发现在光照度、气温、湿度、CO2浓度、水分等温室环境因子中，温度对作物生育的影响最显著［4～6］。如果以作物在一天内生育的不同适温水平或其上、下界温度作为状态变量，可把作物生育一天所需要的温度变化划分为若干个阶段。这若干个不同的阶段有序地连结成一体，成为能对综合因素平衡制控的优化参考模式［7］（图1）。

2 综合环境集散控制系统的实现

2．1 集散控制系统概述

图1 温度主元控制模式曲线Fig．1 Control model curve with temperature as principal paramete

系统主要由3部分组成：温室综合环境监控模块、GPRS数据传输模块、基于Web的温室群监控中心模块，如图2所示。系统通过温湿度传感器和光电三极管对温室综合环境因子：温度、湿度和光照进行监测，环境因子通过GPRS数传模块传输到温室群监控中心，并存储到数据库中；监控中心采用以温度为主参量的日光温室综合环境调控模型生成决策控制方案，通过GPRS数传模块回传到温室综合环境监控模块，实现对温室的灌溉系统、通风系统、保温系统、加热系统、报警系统、补光系统和二氧化碳发生系统的控制；在温室综合监控模块中集成应急控制模型，来处理意外突发事件，进一步提高了系统运行的可靠性；同时，基于Web的温室群监控中心模块还提供授权用户远程访问温室环境数据库和温室应急控制等功能。

图2 系统结构Fig．2 System structure

2．2 集散控制系统硬件结构

2．2．1 温室综合环境监控模块

如图3所示，模块以片内集成64 K Flash Memory的STC89LE516RD＋单片机为核心，且外围扩展了一片32 K Static RA M（CY62256）晶体振荡频率f osc＝11．0592 MHz。模数转换器采用具有采样／保持、电压基准、8通道、12位串行的MAX1271，完成棚内湿度、光照强度和温度传感器信号的A／D转换。模块采用DS1302时钟／日历芯片为控制提供时间依据，并采用带高速缓冲串行接口的MAX7219芯片驱动8位LED显示。强电控制部分选用目前较先进的过零型光耦合固态继电器作为输出功率控制电路，直接驱动电磁阀控制电动机、加热、灌溉等装置的通断电，实现对日光温室环境的调控。

图3 控制系统结构框图Fig．3 Str ucture Block Diagram of Control System

2．2．2 GPRS数据传输模块

如图3所示，GPRS数据传输模块选用WAVECOM Q2403 A ，该器件支持900 M／1800 M的双频GSM／GPRS，利用AT指令进行控制，拥有实时时钟和完整的支持通信与传真的协议标准，并且支持异步串行通讯协议。Q2403 A与STC89LE516RD＋单片机异步串行通讯口相连，通讯波特率为9600bps，实现单片机与GPRS模块Q2403 A的通信和控制。

2．2．3 基于web的温室群监控中心模块

如图2所示，该模块由一台拥有公网IP，并安装基于Web的温室群监控软件的服务器构成，实现温室群的远程监控和授权用户通过Inter net访问许可的历史或实时温室环境参数以及进行日光温室综合环境手动应急控制等。

2．3 集散控制系统软件设计

2．3．1 日光温室综合环境监控与GPRS数据传输模块软件设计

模块采用单片微型计算机专用语言Keil C51编写而成，主要完成日光温室综合环境信息采集、打包封装、控制信息解封装和环境因子控制等功能。软件的结构如图4所示。该软件采用模块式设计，结构分明、紧凑，程序运行可靠。

GPRS数据通信采用的是 TCP／IP over PPP方式，在系统中GPRS模块 WAVECOM Q2403 A没有内嵌TCP／IP协议，需要按照TCP／IP协议编写协议栈程序对采集到的环境数据进行封装发送和对接收到的控制信号进行解封装，由于单片机系统资源有限，移植完整的TCP／IP协议对系统资源占用太大，故对完整的TCP／IP协议族进行了合理的裁剪，采用精简的TCP／IP协议族及应用层、传输层、网络层、数据链路层，如图5所示。在发送数据时，首先应用层将采集到的日光温室环境数据和GPRS数传终端ID提交给TCP／IP协议栈；然后TCP／IP协议栈根据目的地址和端口将环境数据封装成完整的IP数据报，再提交至PPP层；最后该IP数据报经PPP层封装之后，通过串口逐字节地提交至Q2403 A并发送。在接收控制参数时，Q2403A首先将接收的数据逐字节地提交至PPP层；经PPP层将分散的各字节重组成一帧完整的IP数据报之后，再提交至TCP／IP层进行详细的处理，WAVECOM Q2403 A数据收发格式见表1。

图4 综合环境监控与GPRS数据传输模块程序框图Fig．4 Flow Chart of Program on Synthetical Environ ment Monitored and Contr olled and GPRS Data Transfer

图5 协议栈分层结构Fig．5 Protocol Stack＇s Layered Architecture

表1 WAVECOM Q2403 A数据收发格式Table 1 WAVECOM Q2403 A Receiving And Trans mitting Data For mat

2．3．2 基于web的温室群监控中心模块软件设计

该模块设计中选择Sun公司设计开发的适用于企业级计算的支持多层、分布式应用的J2EE平台，采用B／S三层分布体系结构模式，即：浏览器、Web服务器和数据库服务器，使用JSP（Java Server Pages）等构建基于web的温室群监控中心。网络操作系统为 Windows 2000 Ser ver；数据库服务器为SQL Ser ver 2000；Web服务器为A－pache Tomcat 5．0．16；数据库驱动接口为JDBC驱动。

监控中心主要功能为：

①温室群综合环境信息接收和分析处理，决策控制命令的发送。

温室群综合环境信息通过GPRS模块传送到Internet上，监控中心通过中心软件帧听网络，接收GPRS无线数传模块传来的UDP协议的IP包，解析出GPRS终端ID和环境参数（温度、湿度、光照强度），依据温室环境调控模型进行分析，生成控制方案，并向上位机发送控制信息，解析出的信息信息保存到监控中心的数据库中。

在UDP服务监听线程设计中，使用位于JDK中Java．net包下的Datagra mSocket和Datagra m－Packet类，来控制综合环境信息的数据报文。Datagra mSocket类用于创建接收和发送UDP的Socket实例，DatagramPacket类用于处理报文，它将GPRS终端ID和环境参数数组、目标地址、目标端口等数据包装成报文或者将报文拆卸成GPRS终端ID和环境参数数组。

②温室群综合环境信息和控制参数存储、远程访问和用户信息维护。

UDP服务监听线程接收到数据后，进行解析，将控制参数和GPRS终端ID以及环境参数提交到数据库服务器SQL Server 2000，存储到监控中心数据库中。［9］

系统软件设计中采用Tomcat5．0．16和JSP技术实现基于Web的动态网页交互技术，利用JavaBeans组件技术、多线程技术实现网络远程访问和控制，使用JDBC技术实现基于Web的温室群监控中心远程数据库访问和对登录监控中心用户的信息和权限的管理。当客户端登录到监控中心后，客户端浏览器以超文本形式向Tomcat5．0．16提出请求；To mcat5．0．16接受请求后，将需要访问数据库的请求转化为SQL语言，并交给SQL Server 2000；数据库服务器得到请求后，验证其合法性和访问权限，并进行数据处理，然后将处 理 后 的 结 果 返 回 给 To mcat5．0．16；To mcat5．0．16再一次将得到的所有的结果进行转化，以超文本文档形式转发给客户端浏览器。

3 结束语

基于GPRS技术日光温室综合环境集散控制系统采用以温度为主参量的日光温室综合环境调控模式，运用单片机控制技术和GPRS无线数传技术实现了对日光温室群综合环境的集散控制，并利用JAVA技术和数据库技术，实现了基于TCP／IP协议的日光温室群和监控中心间数据传输，并采用B／S结构模式，构建了基于Web的温室群监控中心，提供授权用户进行温室综合环境数据库的远程访问和对温室的应急控制等功能，经济有效地解决了日光温室环境多因素的检测和远程集散监控难题，在临汾市的初步应用取得了良好的社会效益和可观的经济效益。

［1］彭里．温室大棚检测控制系统的研究［J］．计算机工程，2000，26（12）：194－195．

［2］陈建恩，王立人，苗香雯．温室数据采集系统远程通信接口设计研究［J］．农业工程学报，2003，19（4）：259－263．

［3］孙忠富，曹洪太，李洪亮，等．基于 GPRS和 WEB的温室环境信息采集系统的实现［J］．2006，22（6）：131－134．

［4］王双喜，王海昌，李志伟，等．日光节能温室变温管理探讨［J］．农业工程学报，1998（增刊）：119－122．

［5］李志伟，王双喜，高昌珍．以温度为主控参数的日光温室综合环境控制系统的研制与应用［J］．农业工程学报，2002（3）：68－71．

［6］吴毅民．温室塑料棚环境管理［M］．北京：农业出版社，1990．

［7］《运筹学》教材编写组编．运筹学［M］．北京：清华大学出版社，1994（2）：23－56．

［8］徐爱钧，彭秀华．单片机高级语言C51应用程序设计［M］．北京：电子工业出版社，2000：20－160．

［9］里斯（Reese．G．），著；石永鑫，译．JDBC与Java数据库编程［M］．北京：中国电力出版社，2002：45－72．