温室大棚气象环境监测网络系统设计

刘俊宏 裴翀 卢会国 李从英

摘要：温室大棚在农业生产中可以有效减少自然灾害的影响，因此温室大棚的气象要素监测成为了迫切的需要。本设计中大棚不再是1个孤立的个体，而是将大棚组合为1个网络，单个大棚是1个节点，单个区域也可以是1个节点。设计了基于ADAM-4000系列的温室大棚气象环境监测网络系统，系统由环境参数采集端和监控中心2部分组成，采集终端以ADAM-4000系列为控制核心，负责采集温室大棚内的环境信息，通过串口把监测到的数据传送到监控中心上进行显示，并备份到数据库SQL Server里进行历史数据查询。

关键词：温室大棚；气象环境；监测网络

中图分类号：S24文献标志码：A论文编号：2013-0847

0引言

随着科技的进步，农业科学化程度的提高，自然环境的日益恶化，为了满足人们生活的需要，人们必须改变靠天吃饭的局面，同样为了提高产量，减少农作物受自然灾害的影响，温室大棚种植农作物已经在中国逐渐普及。因此，温室大棚的气象要素监测成为了迫切的需要。通过监测作物生长环境的气象条件和大棚外部环境，及时地利用自然环境或隔离外部自然环境对作物的伤害成为智能农业的一个永恒课题。

目前，国内外对温室大棚的研究[1]已经迈入了网络化、智能化阶段[2-4]，利用计算机技术和数据采集控制技术对温室环境进行控制，并实现了作业机械化、自动化等控制功能[5-6]。而在农业生产中，有许多因素影响着农作物的生长和产量，比如，环境温度﹑湿度﹑CO2浓度及光照强度等。然而，由于温室大棚的分散性﹑区域化较强，给环境数据采集带来了很大的不便。因此，本研究重视温室大棚内外的气象环境监测，然后根据实际气象环境条件进行调节控制，做到可脱离人工干预的自动调节，不再把大棚作为同一个孤立的个体，将其组合为1个网络，设计了1套基于ADAM-4000系列的温室大棚监测网络系统[7]，满足了远距离条件下温室环境信息监测的需要，采用该套系统可以将远程温室大棚内外的实时环境信息通过无线网络[8-10]传输到监控中心，监控中心的软件能够对这些数据进行显示、存储和查询等工作，以便指导农业生产活动来提高农业产值。

1系统总体设计

目前中国的温室环境自动控制系统，一般通过采集温度﹑湿度﹑光照﹑CO2等气候条件实现通过滴灌﹑微灌技术对营养液﹑温度﹑光照﹑CO2﹑施肥的远程控制等。本研究采用对大棚内的温度﹑湿度﹑光照和大棚外风速﹑风向的采集，以便监控大棚内外的气象环境参数的变化情况。

温室大棚环境监测网络系统由多个大棚和1个中心站组成，每1个大棚又是以气象环境参数采集传感器﹑采集器（ADAM-4000系列）和控制分中心组成。系统分层结构如图1所示。

气象环境参数采集端主要负责通过各种传感器获取温室大棚内的温度、湿度和光强数据和大棚外的风速风向数据，并将这些数据通过无线通道传送到监控中心；监控中心主要负责接收环境参数采集终端返回来的数据，系统树型逻辑图如图2所示。采用Visual Studio平台下C#语言设计的监控软件，具有动态曲线显示、数据备份等功能，该系统能为研究农作物的生长提供强有力的数据支持。

2详细设计

2.1气象要素传感器选择

2.1.1温湿传感器温室大棚需要获取温度、湿度参数信息，才能更好地掌握植物生长环境，但要求精度并不高，温度的精度1℃，湿度的精度达到5%基本可以满足需求，从性价比综合分析考虑，选择了JWSL-6ACW温湿变送器，它是传感、变送一体化设计的，适用于暖通级室内环境及通风管道的温湿度测量。采用DC24V供电，范围±10%；温度量程0~50℃，湿度量程0~100% RH；温度准确度±0.5℃，湿度准确度±3% RH。这里输出电流信号。

2.1.2光照植物的生长离不开光照，没有足够的光照就不能产生光合作用，产生光合作用最有效的波段在可见光波段，为了便于研究在不同光照强度下植物生长的情况，选择了TBQ-2总辐射表作为光照传感器，其测量原理为热电效应，感应元件采用绕线电镀式多接点热电堆，其表面涂有高吸收率的黑色涂层。热接点在感应面上，而冷结点则位于机体内，冷热接点产生温差电势。在线性范围内，输出信号与太阳辐照度成正比。为减小温度的影响则配有温度补偿线路，为了防止环境对其性能的影响，则用两层石英玻璃罩，罩是经过精密光学冷加工磨制而成的。

测量的光谱范围为280~3000 nm，灵敏度为13.039 μV/Wm2。在线性范围内，输出信号与太阳辐照度呈正比。

2.1.3风速风向传感器为了充分利用大自然环境，温室大棚经常需要打开窗户交换气体，但过小的风速无法快速有效地交换能量，可能需要采用排气扇帮助交换，过大的风速在打开窗户的情况下可能会造成大棚的损伤，需要及时关闭窗户或者通风门，因此检测大棚外的风速、风向十分必要而重要的事，本设计选择长春气象仪器厂生产的EZC-1型风速风向传感器，其中：

（1）风速传感器。EZC-1型风速传感器是一种高响应、低门限、三风杯的光电型风速计。传感器使用DC12V电源，风速信号为时间轴上的12 V脉冲频率信号，输出频率与风速成正比的信号。

风速与脉冲频率的转换，见公式(1)。

V(m/s)=0.1f(Hz)…(1)

即每10个脉冲为1 m/s的风速量。

（2）风向传感器。EZC-1型风向传感器也是光电型传感器，由单风标、格雷码盘、光电组件组成。输出对应当时风向的幅度为12 V的7位格雷码（每位格雷码只有电平高低的区别，习惯上高电平为1，低电平为0，转动时风向信号以2.8°的分辨率为步进变化，测量范围为0~360°）。

2.2数据采集和通信模块选择

根据系统总体结构图温室大棚的数据采集包括温度、湿度、光照、风向、风速、CO2，这些传感器的信号类型汇总，见表1。

考虑到研究经费的有限，本设计未购买CO2传感器，通过调研发现大多CO2传感器输出信号为电压和电流形式，因此为CO2留出采集端口。为了实现这些信号的采集通过查阅ADAM4000资料[11-13]，决定选择以下模块来实现。

2.2.1ADAM-4117模块ADAM-4117是16位A/D 8通道的模拟量输入模块，可以采用电压、电流等模拟量输入信号。ADAM-4117支持8路差分信号，具有4~20 mA、0~20 mA、±20 mA等电流量程。本研究选择4~20 mA量程。

如果测试电流信号，需在该通道的输入端口并联1个125 Ω的精密电阻。在电路中，分别并联了1只100 Ω的精密电阻，采用该模块采集3个电流信号和1个电压信号，即将温度﹑湿度﹑CO2和光照传感器接入ADAM-4117采集，如图3所示。

2.2.2ADAM-4080模块ADAM-4080有2个独立的32位计数器输入通道（计数器0与计数器1），可计数也可测量频率，采取非隔离输入方式，选择0-10V量程。

提供TTL输入和光隔离输入2种信号接口方式，并分别提供接线端口。接好线后，需要编程来确定哪种输入方式被激活。本研究采取非隔离输入方式来采集风速传感器信号。

2.2.3ADAM-4050模块ADAM-4050提供7路数字量输入和8路数字量输出，输入支持干节点和湿节点，对湿节点输入电压+3.5~30 V为高电平；低电平为0~+1 V。输出0~30 V集电极开路。7路数字量输入正好接入风向的7位格雷码数据采集，8路数字量输出用于控制其他设备（加温器、加湿器、灯光、排风扇、天窗等）。

2.2.4WSN-4520模块WSN-4520模块[14]是研华为物联网应用开发的无线网关，集成ZigBee无线功能﹑支持省电管理和多种I/O拓扑结构。基于IEEE802.15.4无线标准[15]，易于网络部署和扩充。通过工业通讯协议Modbus-RTU，WSN-4520可与研华其他产品，如ADAM等，组成SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition系统，即数据采集与监视控制系统）。

WSN-4520模块工作在2.4 GHz频段，室外传输距离为250 m（2dBl天线），串口通讯的端口类型为RS-485串口。

2.2.5系统连线环境参数采集端硬件主要包括ADAM-4520串口转换模块、温湿度传感器JWSL-6ACW、光强传感器（总辐射表TBQ-2）、风速风向传感器(EZC-1)以及ADAM-4000系列的数据采集等模块组成。系统连线如图3所示。

3系统实现

系统初步实现实时显示个气象要素的值，包括读取温度、湿度、风速、风向及光照强度的显示，以及温湿度、风速风向的实时曲线图。通过曲线图，各气象要素值的变化趋势一目了然，便于更好的大棚内外的环境要素。

3.1数据读取与显示

将各传感器采集到的环境参数输出的信号，通过ADAM-4000模块的采集，采用RS-485方式接入WSN-4520模块，WSN-4520模块通过无线传输到连接计算机端的另一个WSN-4520模块，然后通过PC端软件自动读取，显示在软件界面上，如图4所示。

3.2实时曲线图

在C#中，绘制曲线图需要使用Graphics类提供的DrawLine方法和使用Pen类绘制线条。将读到的温度﹑湿度﹑风速﹑风向分别存入1个一维数组，在画点连线时，再读出这些字符串。大棚内温湿度实时曲线和大棚外风速风向实时曲线如图5所示。

4结束语

本设计主要是模拟多个温室大棚，并将这些大棚编号，为方便读取到大棚内外的气象环境参数，使用了多种传感器，并将这些数据通过无线发送到监控中心的计算机上。设计在系统界面和功能上还有许多不足之处，并且在控制大棚方面没有相应的措施，还需要在后期的工作中不断完善。但是，此设计基本实现了所需要的功能，为大棚气象环境参数的获取的控制提供了便利。

参考文献

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