基于FPGA的蔬菜大棚环境参数监控系统

刘艳昌　左现刚　李国厚

摘要：为解决农业蔬菜大棚种植企业对大棚环境参数较难控制问题，设计了一种以FPGA、传感器、无线模块、GPRS模块和执行机构为硬件核心，以Kingview 6.55为软件平台的实时环境参数监控系统。该系统通过无线模块将FPGA采集到的大棚内参数值传到上位机，并对其采集数据进行分析和处理，实现了数据采集、处理、显示、存储及执行机构控制等功能。同时，农场主也可以通过GPRS模块以短信方式与手机终端实现数据查询和设备控制等功能。试验测试结果表明，该系统能够为农作物提供更佳的生长环境，且操作界面简单、成本低廉，有利于减轻农民负担、提高农作物的产量和品质，在农业和牧业领域有良好的的推广价值和应用前景。

关键词：蔬菜大棚；FPGA；GPRS；组态技术

中图分类号：S126 ；TP277.2文献标志码： A文章编号：1002-1302（2015）11-0533-04

收稿日期：2014-11-13

基金项目：国家级大学生创新训练计划（编号：201310467043）；河南省科技攻关计划（编号：132102310030）；河南科技学院高层次人才科研启动项目（编号：209010611001）。

作者简介：刘艳昌（1979—），男，河南鹤壁人，硕士，讲师，主要从事智能控制与信息检测技术研究。E-mail：523401923@qq.com。

通信作者：李国厚，博士，教授，主要从事计算机控制、无损检测、信号处理技术研究。E-mail：liguohou6@163.com在我国各地使用蔬菜大棚种植蔬菜的技术已经普及，尤其在北方地区蔬菜大棚种植已成为农民增加收入的主要途径之一[1-2]。蔬菜大棚环境参数的监测和控制对大棚内作物的长势好坏、产品产量和质量的高低起着关键作用，它主要受外界气候条件和大棚内生活环境影响较大，因此，在生产过程中如何及时将大棚内环境参数控制在适合蔬菜生长的范围内是大棚种植的关键。目前我国蔬菜大棚种植环境参数监控多数情况下仍采用人工值守主观判断和人工控制来调整各参数的机械设备，存在调节滞后、误判率高、生产效率低、占用人力资源多等缺点，且不能满足当前蔬菜大棚种植智能化、信息化的需求，除此之外，目前这类监控系统仍采用专门的通信线路来实现，成本高[3]，不适合广大农民的需求，因此本研究提出了一种基于FPGA的蔬菜大棚环境参数监控系统。该系统不仅可以实时采集与分析大棚环境参数（温度、湿度、二氧化碳浓度和光照度）的测量值，而且还可以根据测量值与设定值的分析结果，将控制指令以无线传输的方式传输给FPGA来控制驱动各机械设备对大棚环境参数迅速作出调整，另外，该系统还可以通过GPRS模块，采用定时发送和手机查询方式将报警信息和大棚环境参数以短信形式发送至农场主手机上，农场主可以在任何时间任何地点及时掌握大棚内农作物的生长环境情况，也可以以短息指令形式对现场设备的启停进行远程操作控制，从而实现大棚种植的智能化、信息化的现场管理，进一步提高生产效率。

1系统总体方案

该蔬菜大棚环境参数监控系统的结构如图1所示，系统硬件主要由上位机、FPGA控制器、传感器、现场控制设备、无线收发模块、GPRS模块等组成。

本系统有手动和自动2种工作模式，在手动工作模式下工作人员可以在现场通过控制面板上的开关按钮强制对各控制设备进行控制，也可以在监控室通过点击上位机组屏幕手动控制画面中的升温设备启/停、加湿系统启/停、循环风机启/停等模拟开关，从而控制现场各执行部件来改变大棚环境参数，达到满足作物适宜生长的条件；在自动模式下将空气温湿度传感器、CO2浓度传感器、光照度传感器采集到的信息传送给FPGA控制器进行数据处理后，通过RS232串口将数据传给无线收发模块，然后无线收发模块通过天线以无线方式将采集到的数据传给上位机，上位机通过Kingview 6.55软件编制的数据处理程序与用户设定的上限下限值进行比较，确定是否启动现场控制设备，若某传感器采集到的实际值在用户设定上下限参数范围之外，则产生对应报警信息指示，同时将相关启停控制设备指令通过天线以无线方式传给现场FPGA控制器来实现这些部件的启停，最终实现蔬菜大棚环境参数的自动控制。

2系统硬件结构

2.1FPGA控制器

为了节省开发时间，保证硬件系统能够稳定、快速采集和控制蔬菜大棚内各环境参数，较好地满足大棚每个监控点的需求，该系统下位机控制器采用KX2C5F+型FPGA开发板作为研发平台，其核心芯片为EP2C5T144。该系统采用FPGA作为主控制芯片，具有内部各功能模块相互独立、引脚丰富、编程灵活等特点，且便于电路的功能扩展。比如某站点原来没有土壤湿度检测模块，设计人员只需将设计好的土壤湿度检测模块添加进来即可，不用考虑该模块对其他检测模块的影响，设计处理十分灵活。

2.2温湿度传感器

系统温湿度传感器采用数字信号输出的温湿度一体式传感器DHT11。它采用1-Wire总线接口，测量温度范围为 0～50 ℃，精度为±2 ℃，测量湿度范围为20%～90%RH，精度为±5%RH，信号传输距离可达20 m以上，能够满足蔬菜大棚的温湿度测量要求。该系统温湿度检测点与FPGA控制器端口PIN_28连接距离小于20 m，则接上5.1 kΩ的上拉电阻即可。温湿度传感器的硬件连接如图2所示。

2.3二氧化碳浓度传感器

系统二氧化碳传感器采用红外CO2浓度传感器 MH-Z14 。它提供UART、模拟电压信号、PWM波形等多种输出方式，具有选择性好、响应时间快、寿命长、功耗低、精度高和抗水汽干扰能力强等特点。其测量范围为 0～5 000 mg/L ，精度为±50 mg/L，工作环境：温度范围为 0～60 ℃ ，湿度范围为0～95%RH，能够满足蔬菜大棚的CO2浓度测量要求。为了使发送和接收采集数据线闲置时其状态为高电频，要求各外接1个5.1 kΩ的上拉电阻，其二氧化碳传感器的硬件连接如图3所示。