智能温室远程监控系统的研究与实现

1 系统结构
在现行的温室控制系统中，多采用基于PLC的温室控制系统、集散型控制系统、现场总线控制系统，这些系统操作不便、控制精度低、成本过高，且通信方式不灵活 [2]。为有效解决上述不足，本文采用如图1所示的上、下位机控制结构。其突出优点是能根据应用需求选择不同的控制方案，对大型连栋温室可采用上、下位机结合控制方案；对小规模农家温室，仅需要选择下位机系统单独完成温室控制。上、下位机采用RS-232串行通信或基于802.11b的无线通信，上位机系统通过Internet与远端计算机互连，实现温室环境与设备的远程监控。
2 下位机设计
下位机位于温室控制现场，由传感器、前端控制器和控制设备组成，如图2所示。主要实现温室环境数据实时采集、处理与显示；通过RS-232接口或无线通信模块，将监测的环境参数传输到上位PC机，并接受上位机的控制而产生控制决策；具有脱机运行功能，可在上位PC关机情况下独立工作，用户或者专家通过键盘预设环境参数及实时采集的环境参数，自主运行下位机决策程序，通过模糊运算产生智能决策，实现温室模糊智能控制。
 

2.1 下位机硬件设计
2.1.1传感器系统设计
根据温室作物生长特点和环境要求，选择性价比较优的传感器，如温度、湿度、光照、二氧化碳等类型的，设计相应的接口电路，使传感器采集的信息以0～10mA的电流信号形式输出，作为前端控制器的输入。
2.1.2前端控制器设计
前端控制器是监控系统的核心，以单片机应用系统为基础，外加传感器输入接口、控制输出接口、键盘接口以及LED接口电路等组成。选用ATMEL公司的ATmel48单片机系统， ATmel48通用性、可扩展性强、性价比高，内部集成4K的flash ROM及8路10位AD转换，与传统8位ADC相比，具有采集精度精确，控制精度更高的特点。

2.1.3通信模块设计
为满足不同控制需要，提高通信质量，设计通信子模块，提供有线通信和无线通信两种通信方式，方便的实现下位机之间、下位机与上位机的通信。
（1）基于RS-232串行通信  是温室控制中广泛采用的通信方式。其特点是电路设计简单，但抗干扰能力差，容易出错，且传输距离短（最长15m）、传输速率低（最高20kbit/s）。因此，基于RS-232串行通信仅适于温室规模不大、控制可靠性要求不高的情况。
（2）802.11b无线通信  是基于IEEE标准的通信方式。其特点是数据传送可靠，采用2.4GHz直接序列扩频，传输无须直线传播，距离长、速率高（最高11Mb/s） [8]。无线通信的设计，主要是通过主控器ATmel48单片机的I/O口，模拟SPI （Serial Program Interface）接口与无线模块（BGW200）通信。
2.1.4控制设备接口
在下位机的控制过程中，要根据需要对水泵、温控、光控等设施控制部件的开启、关闭等。选择合适的继电器型号，设计继电器接口电路，实现前端控制器对机械设备的控制作用。
2.2下位机软件设计
下位机软件固化在Flash ROM中，实现对下位机系统统一管理。设计目标：主要实现单片机系统的启动、状态检测、掉电保护；模拟信号的采集、转换、对照、存储以及控制信号的输出；通过模糊算法实现模糊控制；与上位机通信以及通信异常处理；相关环境参数处理与显示。采用C语言编写，使用仿真器在线调试，以及无线模块现场测试。采用结构化程序设计的方法，设计主程序和模糊控制子程序、I/O控制、A/D采样、时钟子程序、通信子程序，显示子程序等。程序采用基于查询和中断结合的运行机制。串口以及无线模块通信采用中断方式，A/D采集采用查询方式。
3 上位机系统设计
上位机位于管理室，由PC机组成，是整个系统的管理核心，主要由数据库管理、通信管理、控制决策生成等功能模块组成。采用可视化编程语言VB6.0和数据库管理系统SQL SEVER 2000，实现上位机系统功能和数据管理。
（1）数据库设计  建立作物生长环境数据库，设计温室环境数据表，存储下位机采集来的温室现场环境数据；设计温室历史数据表，存储每日平均环境数据；设计温室控制信息状态表，存储温室设备的开关运行状态；设计温室空闲表，存储温室种植的作物种类以及作物生长运行时间等；设计专家数据表，存储各作物生长的专家级数据，为控制决策提供依据。
（2）通信功能设计  基于Internet的远程通信子程序，应用控件Winsock（在TCP、UDP的协议基础上）实现；基于RS-232串行通信子程序设计，应用串行通信控件MSComm实现；基于802.11b的无线通信子程序设计，使用SocketWrench控件，发TCP/IP协议包到下位机的BGW200模块。
（3）控制决策生成  基于智能控制的思想，结合作物生长专家系统采取线性插值、相似度计算等方法，形成控制决策，并通过RS-232串口通信或无线通信模块传送到下位机。

4结语
本文是在分析温室控制现状、发展趋势以及存在问题的基础上，提出一个合理、完整的设计方案，并进行系统研制。经过反复多次改进和完善，智能温室远程监控系统如图3所示。开发过程中多次到温室现场测试，开发完成后也在我校设施农业专业教学基地试运行。结果表明，系统在实用性、稳定性、可靠性等方面满足生产实际要求。图3为温室系统实物图，图4为上位机管理系统实时控制界面，图5为温室实时数据采集与管理界面；图6为查询温室内作物生长状态界面。该系统并在2005年11月杨凌的国际农业高新技术博览会上展出，受到广大农户以及公司的普遍关注。
本文作者创新点：系统各模块独立设计，具有较大的灵活性和扩展性；集成无线通信模块，通信便捷可靠；上位机集成作物生长专家数据库使控制决策达到了专家级水平；下位机采用单片机系统，结构简单，同时增设模糊控制模块，确保了下位机单独工作时也可实现智能控制。