基于物联网的智能温室测控系统构建

李胜　刘娜　王彦等

摘要：根据外部信息网与内部测控网及其交互方式的不同，比较分析了3种典型的物联网温室智能监控系统方案，分别是成本较低、简便、维护少的串行总线/以太网方案，以现场服务器和Web中央服务器为核心进行智能控制的基于Web的方案，充分利用无线通信技术的无线传感器网络/3G网络方案。3种方案很好地将测控网络与互联网融合，达到了温室网络远程监控的目的。

关键词：物联网；智能温室；测控

中图分类号：S126；TP393.03 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）19-4822-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.19.043

Abstract： According to the external information network， internal monitoring network， and the differences in interactive mode between them， this article analyzed three kinds of plan of typical greenhouse intelligent monitoring system based on internet of things： plan of serial bus/ethernet that is low cost， simple and less maintenance； plan based on web that can intelligently control the greenhouse with the field server and web central server as the core； plan of wireless sensor network/3G network that fully use wireless communication technology. It indicated that they all made good fusion of measuring and control network with internet， achieving the aim of remote network monitoring of greenhouse.

Key words： internet of things； greenhouse； monitoring and control

物联网是通过各种信息传感设备，如传感器、射频识别（RFID）技术、全球定位系统、红外传感器、激光扫描器、气体感应器等各种装置与技术，实时采集任何需要监控、连接、互动的物体或过程，采集其声、光、热、电、力学、化学、生物、位置等各种需要的信息与互联网结成的一个巨大的网络。其目的是实现物与物、物与人、所有物品与网络的连接，方便识别、管理与控制[1]。物联网的核心和基础是互联网，不过用户端不仅局限于个人电脑，而是延伸到任何需要实时管理的物品与物品之间[2]。

传统的智能控制系统多采用私有协议，彼此间难以互通，导致结构不透明，灵活性、扩充性不佳。从长远看，智能控制系统的发展趋势是走向开放，尤其是智能控制与互联网的融合是其中一个重要发展趋势。

物联网智能温室系统是将物联网信息传感设备及控制平台、互联网平台及终端、视频监控平台及终端以及农业自动化机械设备组合起来，从远程获取温室内环境参数、远程自动操作控制外部配套设备、远程诊断农作物病变3个方面入手，进行系统配置，实现远程、适时、便捷的控制功能[3]。结合中国的实际情况，从农业、农村、农民的实际需要出发，利用目前前沿的物联网技术、有线和无线传感器技术、嵌入式技术、GPRS/3G等网络平台等为广大农户提供多种类型的集数据采集、传输、处理和业务管理的温室智能监控系统，使分散的温室的远程监控与无处不在的互联网技术紧密的结合起来，服务“三农”。

目前的物联网智能温室系统外部信息网络主要是采用GPRS、3G移动互联网或有线的以太网通过TCP/IP协议接入Internet。内部测控网络一般采用基于串行总线的集散控制网络、各种现场总线网络或Zigbee无线自组织网络。根据具体应用选择不同的内外部网络及其网络间交互方式，产生了各种不同的智能温室系统。本研究对比分析了3种有代表性的物联网智能温室系统的实现方案。

1 系统构建方案

目前中国建设的连栋温室面积多在1～4 km2。这类温室面积适中，对温室的智能控制有比较迫切的需求。如何为这类温室提供可靠、经济的智能监控系统成为研究的重点。

1.1 串行总线/以太网方案

串行总线/以太网方案综合利用目前比较成熟的数字传感器技术、串行总线技术、嵌入式技术、TCP/IP协议和以太网的数据传输技术，为以较低的成本实现温室的网络智能控制提供了可行的方案。该智能监控系统上位机为远程PC，下位机包括单片机数据采集终端、继电器控制电路等，下位机通过网络接口模块直接接入以太网。该方案的主体结构如图1所示[4]。该方案是采用高速以太网作为上层信息网的核心，便于实现系统的远程控制，底层控制网仍然采用低速的串行总线网络。基于LPC2132Z主控芯片的数据采集终端起到了嵌入式网关的作用。RS232主要用于系统调试，也可以与采用RS232通讯方式的设备相连。RS485作为网关的输入输出通道。远程数据采集系统通过网络接口模块与以太网相连，由远程计算机发送任务请求或由采集系统主动传递数据给远程监控计算机，从而实现设备与Internet的互联[4]。

该方案具有布线简单、使用方便、系统控制器稳定、数据传输可靠性高，所需维护少等特点。采用有线方式很好地克服了无线网络抗干扰能力差、受障碍物影响大、信号传输不可靠、经常需要更换电池等缺点。对于传感器数量不多且位置较为集中的温室是一种较为经济的方案。

此外，很多方案也将网络接口模块设计成支持无线网络，将有线的传感器连接方式改为无线方式。

1.2 现场服务器/Web服务器方案

以太网/串行总线的混合控制网络通过嵌入式网关能够实现TCP/IP协议到串行总线协议的转换，进而达到高速的以太网和相对低速现场设备之间互连的目的。但是嵌入式网关的具体实现方法非常复杂和困难，而且协议的转换和信息的收发途径决定了其相对低下的通信效率[5]。将这些工作交给上位机温室现场服务器来处理是一种较好的解决办法。

现场服务器方案的上层信息网由Web中央服务器和现场服务器两层服务器组成。中央服务器一方面向温室现场服务器传递来自客户的请求和控制指令，另一方面将温室的各种环境信息反馈给网络用户。现场服务器主要负责控制温室现场设备，使其不仅能够按照用户的控制指令实现设备的开关等控制，而且还可以脱离用户自主完成默认的控制任务，同时还发送温室环境信息。客户端则仅仅需要浏览器，无需安装任何软件，即可在Internet上通过访问中央服务器实现对远程温室的控制。该控制系统的结构如图2所示[6]。

温室现场控制系统由温室现场服务器（上位机）、温室控制器（下位机）、继电器箱、各种传感器和加温调湿等设备组成，结构如图3所示[6]。温室现场服务器中运行着温室管理和控制程序，由数据采集、设备控制、默认控制逻辑及网络通信4部分组成。用户控制信息和温室环境信息由中央服务器传递。无连接或网路中断、阻塞时，温室现场服务器执行内部默认的控制策略[6]。

很多系统采用的是“操作者—Internet—远程设备”的体系结构，将Web中央服务器的功能集成到了客户端和现场服务器上。这样的结构不利于系统的动态调整和温室的集群管理。

1.3 无线传感器网络/3G网络方案

该方案为中国电信的智能大棚方案[3]，主要分为大棚现场、采集传输、业务平台和终端展现4层架构，如图4所示。

大棚现场主要负责大棚内部环境参数的采集和控制设备的执行。传感器的数据上传有Zigbee模式和RS485模式两种，RS485模式中数据信号通过有线的方式传送，涉及大量的通讯布线。在Zigbee传输模式中，传感器数据通过Zigbee发送模块传送到Zigbee中心节点上，用户终端和一体化控制器间传送的控制指令也通过Zigbee发送模块传送到中心节点上，省却了通讯线缆的部署工作。中心节点再经过边缘网关将传感器数据、控制指令封装并发送到位于Internet上的系统业务平台。用户可以通过有线网络/无线网络访问系统业务平台，实时监测大棚现场的传感器参数，控制大棚现场的相关设备。Zigbee模式具有部署灵活、扩展方便等优点。

控制系统主要由一体化控制器、执行设备和相关线路组成，通过一体化控制器可以自由控制各种农业生产执行设备，包括喷水系统和空气调节系统等，喷水系统可支持喷淋、滴灌等多种设备，空气调节系统可支持卷帘、风机等设备。

采集传输部分主要将设备采集到的数值传送到服务器上，现有大棚设备支持3G、有线等多种数据传输方式，在传输协议上支持IPv4现网协议及下一代互联网IPv6协议。

业务平台负责对用户提供智能大棚的所有功能展示，主要功能包括环境数据监测、数据空间/时间分布、历史数据、超阈值告警和远程控制5个方面。用户还可以根据需要添加视频设备实现远程视频监控功能。上述功能均可以让用户通过浏览器实时观看。

系统能够通过PC机IE浏览器（IE7.0版本以上）、Android操作系统（2.0.1版本以上）智能3G手机实时访问农业大棚内传感器数据，能够对农业大棚卷帘、喷淋等设备进行实时控制。

该方案较适于多座温室的规模化部署，对于规模较小的示范性温室也能起到很好的展示作用。系统的网络拓扑结构如图5所示。

2 结论

比较分析了3种典型的基于物联网的温室智能测控方案。它们都将传感器网络和互联网很好地融合在一起，并各具特色。由于温室的环境、规模、投资等因素各有不同，具体的智能监控方案不尽相同，需要针对不同的情况采用不同的内外部网络结构及其交互方式。如何构建更加简单、开放、经济的物联网智能温室系统值得我们继续深入研究。

参考文献：

[1] 徐彩娟.物联网技术在农业大棚中的应用研究[J].科技信息，2012（3）：302，305.

[2] 金 攀.“物联网”在设施农业方面的应用[J].农业工程技术·农产品加工业，2010（5）：40-41.

[3] 李国军.基于物联网技术的智能温室系统[J].甘肃农业科技， 2012（4）：22-25.

[4] 侯建华.智能温室远程控制系统的设计与实现——基于LPC2132[J].农机化研究，2010，32（12）：150-153，159.

[5] 陈建恩，王立人.基于以太网的温室测控系统架构方案[J].农机化研究，2003（4）：49-51.

[6] 苏晓峰，孙忠富，张百海，等.一种基于Web的温室远程监控系统方案设计[J].农业网络信息，2006（1）：18-21.