基于物联网的植物生长控制系统研究

雷桂斌　王淑青　黄华达　江燎源　黄志威

摘要化学方法调节蔬菜水果的生长，对人体健康的影响，还有待人类更多的研究和认识。我国农业产业集中度低，农业科技的推广严重受到成本的制约。在温室内建立索道，用绳索牵引吊挂在索道上带传感器生长控制器，实现温室任意位置、准确和有效数据采集，减少了生长控制系统的成本。植物生长控制系统将植物栽培技术和嵌入式控制技术结合，预测剩余生长期的生长环境参数，执行装置运行控制命令，确保温室的环境变量在需要的区间内波动。同时，它降低工人的劳动强度，提高植物生长期控制精度，实现农产品的附加值最大化。

关键词环境变量；生长控制；性价比；物联网；嵌入式系统

中图分类号S126文献标识码A文章编号0517-6611（2014）22-07662-03

国际电信联盟将物联网定义为：通过二维标识码识读设备、射频识别（RFID） 装置、红外感应器、全球定位系统和激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物品与互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网是新一代信息技术的重要组成部分，物联网中所有的元素，所有的设备、资源及通信等，都是个性化和私有化的。其目的是实现物与物、物与人，所有的物品与网络的连接，方便识别、管理和控制。支撑层、感知层、传输层、平台层和应用层构成物联网产业5个层级，分别是物联网产业规模的2.7%、22.0%、33.1%、37.5%和4.7%，参与物联网感知层、传输层竞争的厂商众多，成为产业中竞争最为激烈的领域，技术进步较快。

蔬菜、水果和花卉在现在人们日常生活中是必不可少的物品，随着城市建设和人们生活质量的逐步提高，蔬菜、水果和花卉的需求数量和品种逐步增多，质量要求也逐渐提高，而且市场需求反季节条件下蔬菜、水果和花卉进行产出，传统栽培方式在这样的社会需求下已无法满足要求，因此需要更精确地对作物生长进行控制，因此良好的温室智能控制与管理系统对于蔬菜、水果和花卉来说是不可缺少的。我国蔬菜、水果和花卉种植面积是世界上最多的国家之一，种类丰富，有些是我国特有的品种，可以出口创汇创造很好的经济效益；蔬菜、水果和花卉是附加值较高的作物，更多的回报可以来自于智能控制和管理上的投入和建设。但是，目前我国花舟温室自动化程度还很低，现代化温室比例仅有2%，所以温室自动控制和管理系统在设施园艺方面的应用前景非常广阔[1-4]。

随着农业现代化的发展，温室种植因其涉及学科广、科技含量高、与人民生活关系密切，已越来越受到世界各国的重视。在温室条件下，通过检测控制植物生长的温度、湿度、光照、水肥量等植物生长条件，从而定量控制植物生长，能有效提高农产品的附加值，如定量控制花卉的生长期，能确保某一时间段的花期，避免因环境因素的改变而使花期提前或延后，使生产效益最大化。我国农业产业分散，集中度低，农业科技的推广严重受到成本的制约[5-9]。为此，笔者开展基于物联网的植物生长控制系统研究，旨在为精度控制植物生长状况及实现农产品附加值最大化提供参考。

1系统的总体设计

温室系统是耦合性的不均匀的非线性的惯性系统，智能温室的核心技术就是通过控制系统对温室的环境变量进行检测和调节达到适宜作物生长环境的目的。温室系统是非线性系统，很难建立精确的模型来定性地研究。温室内部的小气候是个复杂的能量和物质转化系统，环境变量种类多，不确定因素多，各变量之间进行着能量传递和物质交换。温室系统是不均匀的系统，即便是小型的温室也具有较大的面积，温室内部各个部分的环境变量分布不均匀，比如温室内不同的高度、同一位置不同时间点的温度都是不同的，而且引起这些温度变化的诱因是多方面的，有光照、气流、湿度等多种因素。

温室系统环境变量具有惯性。它并不是对外部调节立即响应，而是经过一段时间后才进行响应，温室内部环境变量响应外部调节的过程有一定的时滞。比如夏天室外温度过高导致温室内温度过高，通常要打开水帘和风机对室温进行降低，当水帘和风机打开后并不是马上就能降低温度，而是在水帘风机工作一段时间后温室内部的温度才会降低。

温室系统环境变量具有耦合性。温室系统包含了多个环境变量，其中一个变量改变，会影响其他变量发生相应的变化，各变量之间是相关的，各个变量的控制过程是彼此耦合在一起的。

由上述特点可知，温室系统是一个复杂的大系统，其具有多个输入量和输出量，对温室系统提出的控制要求又因不同的作物而又有所区别，因此建立精确的控制模型是高成本的、不适用的。通常，在温室控制当中往往采用的是区间控制，比如某作物只要外部的温度在一定的温度区间内就能很好地生长，在温室控制当中只要保证温室内部温度调控在这一区间即可，而没必要过分追求对温度的精确控制。

如图1、2所示，温室系统是不均匀系统，为了数据足够且准确有效，需要采集温室多个数据采集点的数据，增加采集点就增加硬件，就会增加系统成本。环境数据变化较慢，间隔一定时间采集数据是可行的方案。为了减少成本，在温室内建立索道，用绳索牵引吊挂的带传感器控制器，控制器可以在温室水平面内任意位置停留下来采集数据，在采集数据期间，控制器靠充电电池提供电源。照度传感器能调整方位角，采集不同方位角的光强。在停靠站，控制器连接充电器自动充电，减少维护工作量；控制器连接执行装置执行控制命令，调节温室的环境变量；控制器连接网络向管理人员手机发送检测数据，向服务器查询最佳控制参数。温室控制器控制运动控制子系统，运动控制子系统安装在停靠站。绳索的运动由步进电机牵引，运动控制子系统单片机控制步进电机的运动速度、停留和采集数据的时间间隔。

图1温室立面图2温室平面2系统的硬件设计

控制系统包括主控制器和辅控制器。主控制器包括ARM处理器、存储器、液晶显示屏、有线网卡、无线网卡、GPRS模块、摄像头、检测装置和改变环境变量的执行装置。检测装置包括空气温度传感器、空气湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、照度传感器；执行装置包括升温设备、降温设备、灌溉设备、喷雾设备、移动温室覆盖物电机和温室通风设备电机（图3）。辅控制器由AT89C52单片机、电源驱动模块和步进电机组成，接受主控制器的指令，控制步进电机的运动速度、停留、采集数据的时间间隔和协同主控制器采集数据。主控制器采用三星的S3C2440A处理器、TSL2561光强度传感器、SHT11温湿度传感器、TGS4160二氧化碳传感器。