基于 IoT与WIFI的温室智能控制系统研究与设计

顾金花

摘要：对给予物联网以及无线通信技术的智能温室控制系统进行了系统研究，重点解决了传统温室控制系统在固定终端访问以及管理方面存在的局限性，实现了就要移动客户端对温室的图像 、环境因子等变量的远程访问，达到了对温室控制指令的超时间与空间的控制。结论表明，充分利用现代的物联网技术实现对温室的移动式控制对于降低人工劳动强度，降低企业的成本，提升温室管理的科學性与有效性具有重要的意义。

关键词：温室;移动控制;物联网;系统;研究

中图分类号：TP311        文献标识码：A        文章编号：1009-3044（2018）35-0254-02

温室的温度对于植物的生长效率具有重要的影响。温室环境控制是基于自然环境，通过温度控制设备对温室的环境变量进行智能调节，保证温室的环境变量都在作物生产的良好区间，通过这样的方式可以有效提升作物的生产效率，提升农业项目的经济效益。

目前在现代农业发展过程中，各种新的技术都获得了广泛的应用并有力推进了现代农业的发展，现代农业对温度控制提出了更高的要求，传统的温室控制方案存在着诸多亟待解决的现实问题.如基于PLC开发的基于按钮的控制系统无法实现远程实时控制，基于单片机的系统无法应对复杂大量数据的运算，同时对工作环境的适应性也较差.目前IoT技术和 WIFI技术由于其在性能方面的技术优势，为现代农业的新技术开发成为可能。基于以上原因设计一种综合了IoT技术和 WIFI技术以及工控机于一体的温室控制系统能够有效降低温室控制系统的成本，并有效提升系统的控制性能与环境的适应性。

1 硬件系统

1.1 硬件构成

温室控制系统采用了SIEMENS S7 -200作为下位机的控制器， SIEMENS S7 -200集成了48位的数字量输入与输出，包含了具有16个IO口的EM223模块，具有两路模拟信号驶入输出的EM232CN模块，同时还具有CP243工业以太网通信模块，本模块可以实现温度环境的数据粗函数、控制算法的编写、信号的采集以及控制信号的输出等方面的功能。系统的上位机则使用了WINCC 进行了组态开发，WINCC 具有良好的延续性与可扩展性，同时软件不受行业的限制，具有较强的通用性，同时系统的可靠性强。温室控制系统采用JAVA开发，因此系统具有较强的可移植性能，可以提供分布式、多线程、动态化的支持。

1.2 系统构建

本系统的系统框架构建如图1所示。系统的感知层通过传感器对温室的环境变量进行检测，并通过转换电路形成无线信号，通过ZigBee无线通信方式实现感知信息的传输与汇集，在此基础上由以太网模块进行自由通信协议数据的传输，工控机接收到对应的环境变量后再通过WiFi将数据传递到远程服务器。温室控制系统能够对整个温室系统进行有效的监控管理，并可以根据实际的使用场景配置不同的传感器，实现对湿度、光照、二氧化碳等不同变量的检测。

图1中控制层主要包含以下机构，首先是具有限位开光的执行机构，其次就是变频器，用来进行转速的控制，最后是开光量执行机构，用来控制加热器、补光灯等设备的工作。

2 软件设计

2.1 下位机程序

温室控制系统的程序采用了三种控制方式，控制逻辑遵循以下的优先级，即手机控制模式、远程终端控制模式以及智能控制模式。在程序运行的过程中，首先是通过串行接口将汇集点的信息传输到临时分配的内存空间，同时按照约定的算法将数据进行解析，并进行上传与存储，最后，以此作为依据判断系统的工作模式，在对应的工作模式下系统调用例子程序对环境数据进行实时处理，并给出操作意见或者对执行机构发出相应的指令。

2.2 上位机程序

上位机控制有首页、执行机构控制界面以及视频采集界面等。其中首页主要是电源控制、模式的选择以及用户的设置管理等方面的功能。用户管理是对用户的级别、权限进行设置，其中管理用户可以对系统进行全部的控制，而用户只能对功能模块进行操作，不能对信息进行删改。执行机构的界面则包含了与各个执行机构对应的案例以及工作状态的指示灯;视频采集界面包含了对温室内部情况的实时监控数据;最后就是环境信息的显示，本系统中采用了数据曲线的显示方案，可以对数据形成直观的了解，根据使用的需要还可设置报警记录对室内环境参数不在作物生长最优范围的记录和预警。

3 控制方式

3.1 移动终端控制

系统用户可以通过手机对服务器的数据进行实时访问，根据环境数据决定控制的执行机构以及机构的工作参数。最终通过移动终端的界面对服务器发出指令，并通过工控机实现对温室环境的远程控制。同时移动终端可以对紧急的事情进行报警并按照预警机制让用户进行回应。

3.2 固定终端控制

温室控制系统工作在固定终端模式的情况下，用户可以通过控制现场的工控机对温室内部的环境变量以及执行机构的状态进行读取，根据作物的实际需求与控制要求对环境变量做出控制决策。下一步就是通过触摸屏的按钮给下位机的控制器发送执行指令，实现加热器等执行机构的运转，对温室的环境变量进行实时的调控。在操作中无法进行辨识的用户，系统提供了智能控制模式，可以通过软件的分析自动实现对温室环境因子的调整，保证最佳的工作状态。

3.3 智能控制

针对部分的确季节不明显的情况，工作模式的选择不适应实际控制的需求。本系统开发了智能控制模式，此模式采用定时控制和模糊自适应控制相结合的控制模型，以此来实现温室环境的自动调节。感知层能对外界的光照、土壤、温度等都进行模糊化处理，通过解析模型对数据进行集中处理，保证温室的环境因子处于最优化状态，保证作物能够有最优的生长状态。

4 结论

智能温室控制和系统综合采用IoT技术、 WiFi通信技术，通过上位机以及下位机控制实现了能够实时响应，成本低、可移植性强、稳定可靠的温度控制系统，满足了目前农业温室控制的基本需求。同时系统具有不同的控制方式，用户可以根据需求进行移动终端控制、智能化控制以及工控机控制等不同的方案，满足了不同的应用需求。最后就是系统实现了智能化控制，降低了人力的成本，系统中的变频方案也节约了温室运行成本，同时，也使整个系统的使用寿命得到延长。集群化管理方式的应用实现了不同地区的多个温室得以统一管理。不同作物对不同环境的需求不尽相同，因此，在智能控制系统中，针对作物的特性建立自动控制、远程监控、移动监控模型都将是未来温度发展的新趋势。

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[通联编辑：朱宝贵]