基于物联网的温室大棚一体化控制系统的设计

尚明华，胥兆丽，尹志豪，秦磊磊

(山东省农业科学院科技信息研究所，山东 济南 250100)

农业是国民经济的基础，更是安天下、稳民心的重要产业。我国传统农业技术水平落后，作物生产单一，专用品种缺乏，绝大多数还是要靠天吃饭，这极大地阻碍了我国经济的持续稳定发展[1-8]。随着农业科技的不断发展，如何让农业走向现代化，成了我国农业发展的重中之重。温室大棚可以为设施蔬菜和农作物提供适宜的生长环境，使其不再受季节的限制，提高其生产效率和产量。因此，温室大棚技术成为了我国农业发展的重点之一。

近年来，物联网技术快速发展，将其通过智能感知、识别技术与普适计算等通信感知技术与农业生产模式相结合，极大地促进了我国农业生产的精细化发展。为了增强现有日光温室的性能，提高温室大棚的生产效率，实现其蔬菜作物种植自动化，我们设计研发了一套温室大棚一体化控制系统，通过传感器节点构成监测网络，进而实现对温室大棚中的空气温度、空气湿度、二氧化碳浓度、光照强度、土壤水分等环境因子的自动监测与控制。

1 一体化控制系统硬件设计

温室大棚一体化控制系统的硬件部分包括一体化控制器和棚内设备。一体化控制器由主控制器、通信模块、触摸屏模块和电源管理模块组成，通信模块、本地控制模块、触摸屏模块和电源管理模块与主控制器连接。棚内设备通过通信模块实现与主控制器通信。

1.1 一体化控制器结构

一体化控制器由4部分组成，分别是控制柜、触摸屏模块、按键开关和供电系统。控制柜内包含主控制器、通信模块、本地控制模块和电源管理模块(图1)。

一体化控制器集成了空气温度、空气湿度、CO2浓度、光照强度、土壤水分、土壤温度等控制模块，可根据传感器采集到的环境参数数据，通过人工调节或自动调节模式输出控制信号给相应的执行单元来调节温室环境条件[9-11]。利用该系统能够使用户及时了解和调控农作物的生长环境信息，从而减少劳动成本、提高作物产量、减少农药和化肥使用量。

图1 一体化控制器外部及内部结构示意图

1.1.1 主控制器 主控制器用于接收并解析来自通信模块、触摸屏模块的数据信息，然后通过自动控制模式进行温室大棚环境自我调控；或通过手动操作本地控制模块(按键开关或触摸屏)向温室大棚内的相关设备发送控制指令，设备接收到控制指令后进行相应的动作，同时向主控制器发送状态信息。触摸屏模块可用于参数设置，并将设置好的参数信息传至主控制器同时可进行设备的操作。

主控制器通过GPIO口与触摸屏模块、电源管理模块连接，通过SPI总线与通信模块连接。

1.1.2 通信模块 通信模块由433 M无线模块、以太网模块、GPRS模块、WiFi模块、蓝牙模块、ZigBee模块或红外通信模块组成，用于跟温室大棚内的设备进行通信，对数据信息进行加密处理后，将数据信息传至主控制器。加密处理用到的加密算法包括TEA算法、MD5算法。

1.1.3 触摸屏 采用北京昆仑通态的液晶屏(图2)，型号TPC1061Ti。

图2 TPC1061Ti液晶屏

TPC106Ti是一套以先进的Cortex-A8 CPU为核心(主频600 MHz)的高性能嵌入式一体化触摸屏。采用10.2英寸高亮度TFT液晶显示屏(分辨率1 024×600)和四线电阻式触摸屏(分辨率4 096×4 096)。同时还预装了MCGS嵌入式组态软件(运行版)，具有强大的图像显示和数据处理功能。

触摸屏模块主要用于人机对话，显示主控制器发来的温室大棚环境参数信息、设备运行状态信息，同时可进行设备操作、参数设置。控制模式可选择本地控制、远程控制以及自动控制三种。自动控制模式是指主控制器可根据采集到的温室大棚环境信息，利用建立的自动控制算法，进行环境信息的自我调控。自动控制算法包括PID控制、模糊控制、解耦控制、神经网络控制、非线性控制、自适应控制。远程控制模式时可通过移动设备来操作温室大棚内的设备。移动设备为手机、PDA或平板电脑，通过通讯模块与主控制器通信。

1.1.4 电源管理模块 电源管理模块通过电力线连接到220 V或380 V交流电源,并与通信模块、本地控制模块、触摸屏模块连接。

1.2 棚内设备

棚内设备包括湿帘降温设备、喷雾降温设备、遮阳网、卷膜、大棚卷帘和棚内参数采集节点。通过在棚内布置多种传感器来获取棚内的环境信息。棚内参数采集节点包括空气温湿度采集节点、CO2浓度采集节点、光照强度采集节点(图3)。

图3 棚内空气温湿度、二氧化碳、光照强度采集节点

2 一体化控制系统软件设计

2.1 MCGS7.7嵌入版组态软件开发环境

硬件环境：一般要求主流PC机处理器，2 GB以上的内存，10 GB以上的硬盘剩余空间，CD-ROM驱动器等。

软件环境：要求Windows XP以上版本。

2.2 MCGS7.7嵌入版组态软件的安装

打开MCGS7.7安装文件夹，双击“Setup.exe”，弹出安装对话框(图4)，根据向导提示进行安装。

图4 组态软件安装向导

程序安装成功后，会在桌面生成快捷方式，如图5所示，双击“MCGSE组态环境”图标即可以运行程序，程序运行首界面如图6所示。

2.3 温室大棚一体化控制器系统软件操作说明

温室大棚一体化控制器系统软件开发完成后，运行于昆仑通态触摸屏TPC1061Ti上，触摸屏通电之后，将自行启动，启动画面默认为“环境监测”模块。

图5 桌面快捷方式

图6 组态软件运行界面

2.3.1 环境监测模块 该模块主要是用来实时显示当前的环境参数信息，如图7所示。如果控制器系统未接收到传感器采集节点发来的参数信息或者传感器节点处于离线状态，则相应的参数模块会处于“连接中…”的状态。

当显示的参数值在设定的阈值范围内时，参数值及参数边框都会显示绿色；当显示的参数值不在设定的阈值范围内或处于“连接中…”时，参数值及参数边框会显示红色，进行警示。

图7 环境监测模块

环境监测模块支持历史数据查询。例如，当点击“空气温度”标签时，会弹出空气温度历史曲线界面，可进行历史数据的查看，如图8所示。

图8 空气温度监测历史曲线

2.3.2 环境调控模块 该模块主要是用来操控温室大棚内的设备，系统界面如图9所示。

图9 环境调控模块

以“室外鼓风机控制”为例，当点击“室外鼓风机控制”标签时，会进入鼓风机控制界面，如图10所示。可通过手动或自动模式进行调控，自动控制模式下，鼓风机控制器可根据系统内部设定好的阈值范围进行自动调节控制；手动控制模式下，可通过“打开”或“关闭”按钮对鼓风机进行控制，同时，此模式还支持多段定时设置，默认情况下只有一个阶段的定时设置，用户可根据需求进行扩展。

2.3.3 报警信息模块 该模块主要用于设置环境参数的报警上下限，并支持报警记录查看，如图11和图12所示。

图10 室外鼓风机控制界面

图11 报警信息模块

图12 报警记录

2.3.4 语音播报模块 该模块可以手动输入想要播放的内容，并支持语音报警功能，如图13所示。当点击“播放语音”按钮时，首先播放输入框内的内容，之后播放当前环境参数信息。当温室大棚的环境参数超出设定的阈值范围，也会进行语音报警提示。

图13 语音播报模块

3 应用实例

我们在济南市历城区唐王(蔬菜)试验基地进行了一体化控制系统的实际应用，设备安装及分布示意图见图14—图16。通过传感器网络节点可将采集到的空气温湿度、光照强度、土壤温度、土壤水分等数据，传输到主控制器平台上显示(图17)。通过分析数据，一体化控制器可以自动发送设备控制指令，通过调节卷帘设备、卷膜设备和通风机等设备，实现了温室大棚环境条件的一体化控制。

图14 一体化控制器安装图

图15 唐王(蔬菜)试验基地控制设备示意图

图16 唐王(蔬菜)试验基地采集设备示意图

4 结论

针对温室大棚劳动成本高、产量低等问题，我们设计研发了本款温室大棚一体化控制系统，在济南市历城区唐王(蔬菜)试验基地的测试应用结果表明，使用该控制系统能够使用户更好地掌握农作物生长各阶段棚内环境信息，并进行精准调控，达到减少劳动成本、提高作物产量、减少农药和化肥使用量的目的。

图17 唐王(蔬菜)试验基地环境监测数据图