温室监控系统

温室监控系统（精选十篇）

温室监控系统篇1

“温室”一词源于“温室效应”。它是利用“温室效应”, 在作物不适于露地生长的寒冷季节, 通过提高室内温度创造作物生长的适宜环境, 来达到作物反季节生产和提高作物产量的目的[1]。随着科学技术的进步, 温室生产已远远超过“温室效应” 的概念。目前, 现代温室综合运用农业科学、信息科学、管理科学和控制科学等相关学科知识, 可以对温室内的各种环境因子 (温度、湿度、光照、CO2 及施肥等) 进行自动控制和调节。根据室内动植物的生长习性和市场需要, 部分甚至完全摆脱自然环境的约束, 为其创造最适宜的生长发育环境[2,3]。现代温室打破了动植物生长发育的地域和时空界限, 在蔬菜种植、花卉种植、水产养殖及种养结合等生产领域得到了广泛的应用和推广。

1 温室远程控制方式

1.1 现场总线控制方式

现场总线技术是一种新型的以智能传感器、控制、计算机、数字通信和网络等为支撑的综合技术, 它能使设备间实现双向串行多节点的数字通信。现场总线技术具有的开放、分散、数字化和互可操作等特点, 使其能够广泛应用于各种控制系统的构建中。但是, 现场总线领域一直存在着通信标准不统一的问题, 其本身还不能形成一个全开放的互连系统。对用户来讲, 同一系统中基于不同现场总线的控制设备间的兼容性差, 则整个系统的信息传输速度较低, 控制实时性较差。因此, 现场总线技术在温室控制系统的发展和应用受到一定的制约。

1.2 无线通信技术控制方式—蓝牙技术

在每个温室监测设备中嵌入一个蓝牙模块, 利用蓝牙协议实现温室监测设备之间的无线通信, 从而减少了温室室内的布线。蓝牙的无线连接方便快捷, 可以很方便地实现温室监测设备与上位机之间建立和取消连接。与其他的无线连接方式相比较, 蓝牙技术采用2.4～2.485GHz的通讯频段, 以扩频跳频为通讯方式, 大大提高了通讯连接的抗干扰性, 也不需要设备间的对准。同时, 蓝牙设备的无线电发送的功耗也很小, 在不需要时可以将其置于低功耗的沉睡模式下, 在10m的通讯范围内不需要外加功放。但其通信距离短, 不适合远程通信。

1.3 以太网系统控制方式

在每个温室监测设备中嵌入一个以太网接口, 利用低端的处理器 (单片机等) +TCP/IP协议的方式来实现温室设备的Internet接入, 从而实现对温室监测设备的远程控制。该方式具有通信速率高、开放性好、应用广泛以及价格低廉等优点, 但是由于以太网需要有线的传输介质来进行通信, 对室内设备的移动性和灵活性进行了限制。

考虑各种方式的优缺点, 本文采用了一种蓝牙协议+以太网的组合方式来实现温室的程控制。

2 温室远程控制系统的总体方案设计

温室远程监控系统的组成结构如图1所示。系统主要由无线传感器系统、输出与驱动装置、数据处理与通信控制单元、远程控制系统等4部分组成。为实现温室内环境参数的检测及信号的传输工作, 将由普通的传感器构成的数据采集系统嵌入蓝牙通信模块共同组成无线传感器系统。输出及驱动装置是利用多路继电器和接触器等完成各环境调节设备的启停工作。数据处理及通信控制单元由单片机、以太网接口、蓝牙模块及外围器件构成, 实现了与无线传感器系统和远程控制系统之间的通信, 并完成对输出驱动装置的控制等。远程控制系统主要为用户提供操作、管理及监控温室环境参数等。

3 温室远程控制系统的硬件设计

根据图1所示, 在温室远程控制系统中, 温室内部采用基于蓝牙协议的无线通信方式, 远程控制采用基于TCP/IP协议的Internet方式进行, 利用单片机可以实现与以太网之间的通信[4]。本文只讨论温室内部基于蓝牙协议的无线监测的实现过程。

3.1 蓝牙协议简介

蓝牙协议是由蓝牙兴趣小组SIG (Bluetooth Special Interest Group) 开发的无线通讯协议, 主要面向近距离的无线数据语音传输, 完成电缆替代的核心应用。蓝牙的基本拓扑结构是微网 (Piconet) 。在微网中只有一个主设备 (Master) , 它可以同时与至多7个处于激活状态的从设备 (Slave) 以及至多达255个处于休眠状态的从设备建立连接关系。微网之间还可以形成散射网 (Seatternet) , 从而扩大了网络的规模, 提高了网络的工作效率。

蓝牙系统一般分成两部分实现:一是硬件部分, 包括蓝牙协议栈的下3个层次, 即无线收发、基础和链路客理层 (LMP) ;二是软件部分, 包括蓝牙协议栈的上层, 即L2CAP, RFCOMM , SDP, TCS以及一些蓝牙技术应用。由于每一个蓝牙设备都拥有一个全球唯一的地址码, 所以可以利用该地址码方便地实现对温室内无线传感器系统的控制。

3.2 无线传感器系统的硬件设计

无线传感器系统主要完成温室环境数据的采集和传输, 由传感器、微处理机及蓝压模块构成。

本文所设计的系统中, 温度传感器选用DS18B20, 湿度传感器选用HM1500, 气体传感器选用CGS-3100, 单片机选用AT89S52, 蓝牙模块采用ROK101007。由于所选择的传感器都是TTL电平输出, 可以直接与单片机相连接, 电路连接简单, 这里只给出系统的组成原理框图, 如图2所示。

传感器系统与数据处理及通信控制单元之间的无线通信是通过蓝牙模块ROK101007来实现的。ROK101007蓝牙通信芯片是爱立信 (Ericsson) 公司推出的一款适合于短距离蓝牙通信的无线基带模块。该蓝牙模块集成度高, 功耗小, 完全兼容蓝牙协议V1.1, 可嵌入任何需要蓝牙功能的设备中。该模块包括基带控制器、无线收发器和闪存等部件, 可提供高至HCI (主机控制接口) 层的功能。此外, 该模块还提供有USB, UART和PCM接口, 能方便地与主机 (host) 进行通信。在无线传感器系统和数据处理及通信控制单元中, ROK101007与处理器之间的电路连接采用串口通信方式, 其电路连接简单。

ROK101007的串行口为TTL电平 (3.3V) , 与单片机的UART引脚可以直接相连。其工作电压为3.3V, 而单片机的工作电压为5V, 所以需要进行电源的处理。另外, ROK101007的串口参数最大速率可达到1Mbps左右, 因此在实际进行串口通信时, 还应该考虑到串口速率匹配的问题。

4 温室远程控制系统的软件设计

温室远程控制系统的软件包括远程控制界面、数据库、以太网接口通信程序、蓝牙通信程序、控制算法、数据读取及处理程序等。本文只介绍蓝牙通信程序的实现过程。

温室远程控制系统主要实现的是对温室环境的远程控制, 故在设计时定义无线传感器系统中的蓝牙模块为从设备, 数据处理及通信控制单元中的模块为主设备。此两个系统中的处理器与ROK101007之间通过HCI (主机控制接口) 来实现对其硬件的访问和控制。HCI接口通信流程如图3所示。

当处理器和主机控制器通信时, HCI层以上的协议在处理器上运行, 而HCI层以下的协议由蓝牙主机控制器硬件来实现, 它们通过HCI传输层进行通信。由微处理器充当主机的角色, 其主机软件工作在HCI之上, 通过串口与HCI进行交互, 调用HCI命令, 处理HCI事件和数据分组。

初始化阶段, 蓝牙模块通过UART方式接收微处理器发送的HCI命令, 实现蓝牙设备的复位、启动、地址查询、跳频算法和自动寻呼等初始化操作, 与附近的蓝牙设备建立可靠的物理链路, 并对物理链路进行相应的加密。

在数据传送阶段, 蓝牙模块接收微处理器送来的HCI数据包, 经过HCI固件 (HCI Firmware) 转化为基带数据包, 并送给基带协议层 (Baseband) 处理, 基带对上层送来的数据进行解码, 将其转变为可以发送的位数据流, 按照设定的跳频算法, 采用高斯频移键控 (GFSK) 编码方式通过微型天线发送出去[5]。接收数据时, 以相反的过程将接收到的数据进行编码, 组合成HCI数据包格式, 并通过UART 口送微处理器, 从而完成蓝牙无线通信任务。

根据HCI接口的通信流程以及实际的工作情况, 温室远程控制系统中无线传感器模块的通用控制程序流程图如图4所示。

5 结束语

本文以蓝牙技术为短距离无线通信手段, 利用Internet进行远程监控, 实现了一种温室系统远程控制的设计方案。

整个方案功能齐全, 操作简单, 可扩充性强, 摆脱了布线系统的束缚, 提高了系统的抗干扰能力, 具有一定的应用推广价值。

摘要：蓝牙技术是一种短程无线数据与语音通信技术, 具有使用方便、可靠性高、低成本和低功耗的特性, 非常适合在温室环境监测中应用。为此, 论述了蓝牙技术的特点, 对基于蓝牙技术的温室远程监控体系结构进行了分析, 提出了采用蓝牙技术和以太网进行温室远程监控的设计方案;介绍了该系统的硬件结构及软件设计流程;阐述了该方案的具体应用。该方案通过Internet上的计算机, 能够实现对温室环境的远程监控, 利用该方案所设计的远程监控系统的可靠性、抗干扰性与灵活性得到了很大的提高。

关键词：温室环境,蓝牙技术,无线网络,远程监控

参考文献

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[6]朱刚, 谈振辉, 周贤伟.蓝牙技术原理与协议[M].北京:北京交通大学出版社, 2002:1-4.

温室监控系统篇2

应用温室技术进行农作物种植是实现我国农业现代化过程中的重要环节,温度和湿度是温室控制中的重要环境参数.为实现对多点温湿度数据的.自动监测,设计了以32位ARM处理器S3C44B0X为核心的多路数据采集和处理系统.该系统采用单一采集中心和多个智能采集节点的分布式结构,节点与中心采用RS-485总线进行通信,采集中心实时地收集、处理和显示各智能节点传回的温湿度数据,可有效提高数据采集工作的效率和稳定性.

作者：黄伟锋叶祥作者单位：黄伟锋(仲恺农业工程学院,机电工程学院,广州,510225;华南农业大学,工程学院,广州,510642)

叶祥(仲恺农业工程学院,机电工程学院,广州,510225)

基于GSM的智能温室监控系统篇3

关键词：温室信息；检测；单片机；TC35

温室信息的智能采集将成为今后农业发展的趋势，传统的温室信息采集技术是工作人员深入田间进行数据的采集与分析，耗资费时而且工作量大。随着网络技术的成熟，为了实现土壤水分信息远程监测技术，在现场采集的数据越来越多地采用各种有线或无线网络进行传输。

GSM系统是目前基于时分多址技术的移动通信体制中比较成熟、完善、应用较广泛的一种系统，GSM的短信息系统以其快捷方便而且廉价的特点拥有众多的用户，同时也为远程监控提供了一种新的技术手段。TC35是西门子开发的工业GSM模块，它是一个支持Text和 PDU两种短信息模式的工业级GSM模块，可以工作在GSM900和GSM1800双频段，利用TC35短信息（SMS）进行远程监控具有可靠性高、防盗拷能力佳、网络容量大、手机号码资源丰富、稳定性强不易受干扰、信息灵敏、成本低等优势，在对一些操作和监控的实时性要求不高的情况下具有很高的性价比。本文设计的是一种基于GSM的温室信息自动采集、监测、控制、传送于一体的智能控制系统。

1 系统总体结构与工作流程

系统主要由各类传感器、前端控制主机、显示设备、无线GSM通信模块、GSM网络、手机用户等组成，结构框图如图1所示。

探测传感器由温度传感器、湿度传感器、光照传感器等组成，显示设备是12864液晶，12864液晶每次可以显示4行汉字，显示的内容比较多，控制主机单元由单片机，驱动芯片等组成。采集的数据通过控制主机进行处理或实时数据通过GSM模块以短信的形式发送到用户手机。PC机通过GSM Modem可接收来自各控制主机的数据，也可向各采控制主机分别发送控制命令。数据采集命令请求可通过两种方式实现：一是手机用户通过GSM网络以SMS形式将一定格式的实时请求命令直接发送到数据采集终端；二是PC机用户可通过运行在该监测中心的决策支持系统与控制主机进行通讯。

温度传感器、湿度光照传感器采集到数据后通过STC89C58对数据进行分析将数据显示在12864液晶上，如果采集的信息达到设置的阀值，控制主机将自动做出反应驱动外围保温增湿等设备维持温室内环境在一定的范围内。如果用户需要当前温室数据信息，则可以发送相应短信内容到控制主机，主机将会将当前温室采集数据发送到用户手机，用户可以通过手机短信对温室内外围保温增湿等设备进行远程控制，其中用户控制优先级别高于系统自身响应。

系统可自动进行温室温度、湿度、光照控制，用户根据需要设定温度，当采集温度湿度光照高于或低于设定的值时，系统打开或关闭相应的继电器，从而启动相应设备工作。用户也可以通过手机发送短信来远程打开或关闭任意一路继电器。

2 系统软硬件设计

2.1 温、湿度采集模块

DHT21数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和长期稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件。与一个高性能8位单片机相连接，与单片机连接图如图2所示。每个DHT21传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中需要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20 m以上，使其成为各类应用场合中的最佳选择。DHT21为 4 针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而选择。

2.2 时钟模块

DS12C887芯片功能丰富，可以用来直接代替IBM PC上的时钟日历芯片DS12887，同时，它的管脚也和MC146818B、DS12887相兼容。DS12C887能够自动产生世纪、年、月、日、时、分、秒等时间信息，其内部又增加了世纪寄存器，DS12C887中自带有锂电池，外部掉电时，其内部时间信息还能够保持10年之久；对于一天内的时间记录，有12小时制和24小时制两种模式。在12小时制模式中，用AM和PM区分上午和下午；时间的表示方法也有两种，一种用二进制数表示，一种是用BCD码表示。有效保证时间的精确性。

2.3 串口模块

MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS—232标准串口设计的，使用+5 V单电源供电。MAX232是一种双组驱动器/接收器，片内含有一个电容性电压发生器以便在单5 V电源供电时提供EIA/TIA—232—E电平。每个接收器将EIA/TIA—232—E电平输入转换为5 V TTL/CMOS电平。接收器具有1.3 V的典型门限值及0.5 V的典型迟滞，而且可以接收±30 V的输入。每个驱动器将TTL/CMOS输入电平转换为EIA/TIA—232—E电平。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS—232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS—232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。系统串口连接如图3所示。

2.4 TC35模块

TC35模块主要由GSM基带处理器、GSM无线模块、电源模块（ASIC）、闪存、ZIF连接器以及天线接口等六部分组成。基带处理器作为 TC35的核心，它主要处理GSM终端内的语音和数据信号，并涵盖了蜂窝射频设备中的所有模拟和数字功能。TC35的40个引脚通过一个ZIF（Zero Insertion Force，零阻力插座）连接器引出。TC35能够支持标准的AT指令，设计中涉及TC35的18脚（RXD）、19脚（TXD）和15脚（IGT）其它管脚功能没有被使用，18、19管脚作为串口通信使用，15连接PIO，单片机可给 15脚一个低电平自动启动TC35模块，TC35可以和 STC89C58串口直接连接，TC35和STC89C58具体连接如图 4所示。在进行通信时，发送者将设置好的短信内容从发送方的手机发送出去，通过短消息中心进行转发，TC35接收到短消息后存储到SIM卡上，模块的控制器STC89C58读取短消息后根据需要取出有用的信息，最后将SIM卡上的信息删除，这样就完成一次单向的数据传输，设计中单片机接收TC35消息采用中断扫描方式，一旦消息到达 TC35模块，控制器调用串口接收程序来接收短消息。

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3 系统的软件设计

3.1 指令部分

单片机通过串口发送AT指令与TC35通信，AT指令较多这里只列出部分系统涉及AT指令，如表 1所示。每个AT指令以AT开头，以回车结束，对SMS的控制主要有3种途径：Block Mode、基于AT指令的Text Mode和基于AT指令的PDU Mode，本系统采用Text Mode发送和接受消息。

3.2 程序设计

系统软件主要包含以下几个功能：一是数据采集处理，将温室实时信息采集并显示在液晶屏；二是接收并分析用户短信内容根据短信内容系统做出相应反应；三是根据前一步短信内容分析将采集到的温室实时信息以短信形式反馈给用户。主程序流程图如图5所示。

程序对信息的处理是整个程序的关键，先对模块初始化，完成后模块做短信接收准备，若有短信对内容进行比较，处理之后回复提示信息给用户手机，如果错误则删除。主要程序如下：

Start_GSM（）；//开启TC35

Delay_ms（10000）；//延时大约10 ms，等待模块联网

UART_init（）；//串口初始化

GSM_INIT（）；//对TC35 模块初始化

while（1）

{

receive_ready（）；//接收短信准备

if（receiveready==1）//接受信息标志位置1，接受信息

{

read_message（）；//发送读取短信指令

receiveready=0；//接受信息标志位

sendready=1；

}

message_read（）；//判断短信，准备是否回复短信给目标号码

if（send==1）//发送短信标志位置1，可以发送

{

readcommend（）；//读取短信内容，判断相应指令是否正确

sendmessage（）；//发送回复短信指令

delete_message（）；//删除短信指令

flag=0；

for（Rx=0；Rx

{

SystemBuf[Rx]=0x00；

}

Rx=0；

send=0；

}

4 结束语

设计考虑到了温室的基本需求，由于采用较可靠、较成熟的GSM移动网络，所以精确度高，灵活性强，安全性上能得到一定的保证。该产品实现了温室信息的自动采集、处理、发送以及远程监测与控制，应用范围广，有很大的发展前景和实用性，相对于同类产品功能多、使用方便、价格低廉，相信一定会得到广泛的推广应用。

参考文献

[1] 卢超.度监测系统的设计[J]. 煤炭科学技术.2007，12：51—54.

[2] 潘斌，郭红霞. 短信收发模块 TC35 i的外围电路设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2004，（7）： 48— 50.

[3] 蔡旭，裴志蕾，卢超.基于GSM温度检测系统的设计[J].电子科技，2011，24—3.

发泡保温温室监控系统设计篇4

我国是世界上最大的设施栽培国家,我国的现代化温室围绕着节能、环保主题,向成套和自动控制方向发展。以智能温室为代表的现代化温室设施应用先进的科学技术,采用连续生产方式和先进管理方式,高效、均衡地生产各种蔬菜、水果、花卉、药材等。它可以不受地点和气候的影响,能够有效地改善农业生态、生产条件,促进农业资源的科学开发和合理利用,提高土地的产出率、劳动生产率和社会、经济效益。因此,现代温室在世界范围内得到了广泛的应用。

要实现温室的智能化,环境控制将会是关键,但温室环境控制是所有室内环境控制中最困难的。一般建筑物的环境控制几乎不受阳光影响,而温室则不然,室外环境状况对温室环境控制有着决定性的影响。一般的环境控制多只针对气温及湿度等,温室环境控制则还需兼顾光量、光质、光照时间、气流、植物保护、CO2浓度、水量、水温、p H、溶氧等。而且温室环境控制的对象种类繁多,都是在生长的生物,不同种类、不同品种的需求大不一样,即便是同一品种,在不同生长阶段的需求也不同,再加上受能源、资金、劳动力、生产资料等资源的限制及市场与天气变化的影响,温室环境控制必须在极有效率的状态下进行。完整的环境控制系统包括控制器(包含控制软件)、传感器和执行机构。在实际生产中采用这些控制系统可以大大节省劳动力,节约成本。目前的计算机环境控制系统通过采用综合环境控制方法,充分考虑各控制过程间的相互影响,能真正起到自动化、智能化和节能的作用。20世纪70年代,国外的温室生产开始以较快的速度发展,特别是欧美发达国家,如荷兰、美国等国家实现了机械化。

但是我国的温室发展离工业发达国家还有较大的差距,特别是我国北方地区,通常设计安装的单斜面塑料大棚供暖温室在冬季的保温效果达不到蔬菜正常生长所需要的温室环境,即使在温室内采用供暖措施,在极为寒冷的冬季保温效果也不尽如人意,而且大大增加了投资成本,不利于节省资源。针对上述缺点,本设计采用发泡保温的方法,PC机作为上位机,它可以接受下位机系统传输过来的信号,并可以通过它打印和查询下位机发送来的环境测量值,同时通过P C机还可以对控制标准值进行部分或全部的修改,实现对多个温室同时进行控制。本文选择了RS-232串行通信接口技术,以它为基础构成了整个温室的通信系统。同时以单片机为核心,构建了各个下位机的通信模块。

2 发泡装置在温室中的应用

为了使温室在北方地区更为适用,本文在传统温室的基础上,增加一层塑料,即采用两层薄膜来增强保温的效果。具体方法为:在储水池中加入一定量的肥皂水,通过管道将水运输到安装在薄膜之间的发泡装置并产生气泡,当气泡足够多时,就将双层薄膜撑开,气泡破碎后的水沿着薄膜流到水槽内,再通过管道将肥皂水运输到储水池内,以此达到循环利用的目的。为了检测发泡状况,在两层塑料之间加入若干个电极板,根据电容值与极板间距的关系,通过测量电容值的大小来达到检测发泡状况的目的。当检测结果不符合设定的标准值时,电机则控制发泡装置产生更多的气泡,以此来提高温室内的温度。这样既达到了增强保温效果的目的,同时也节省了开支,更具有应用价值。示意图如图1所示。

3 传感器类型选择

对传感器型号的选用应该首先考虑使用方便。对于温度传感器,本文采用AD590温度传感器。此种传感器是电流输出型温度传感器,以电流输出量作为温度指示,其电流温度敏感度为1μA/K[1,2]。它的输出电流精确地正比于绝对温度,可以作为精确测温元件。AD590只需要一个电源(+4V～+30V),即可实现温度到电流的转换,使用方便。对于湿度传感器,在温室环境的检测中,湿度主要包括空气湿度、土壤湿度,对温室内湿度的变化规律研究得到[2,3,4],温室内湿度的检测范围在20%RH～90%RH,测量精度保证在5%以内则可满足温室控制要求。选用湿敏电阻C H R-1为湿度传感器,湿敏电阻CHR-1为薄膜型湿度敏感元件,其阻抗随相对湿度变化成对数变化,响应时间短、稳定性好。测量范围2 0%～9 5%R H,精度±5%R H,漂移±2%R H/年,工作温度为0～80℃。对于土壤含水率传感器,选用FDS型土壤水分传感器[5],它的测量精度为±3%,工作温度范围为-30℃～70℃,只需要7～24V的工作电压。测量精度高、响应速度快、土质影响较小、密封性好、价格低廉。而电容式传感器,本文选用ZJ-YDWS1型电容位移传感器。它的工作电压为±15V,输出信号为0～±5.0V。它还具有灵敏度高,零漂小,频响宽,非线性小,精度稳定性好,抗电磁干扰能力强和使用操作方便等优点。

4 下位机系统硬件设计

下位机系统是温室控制现场的管理核心,起到承上启下的作用,输入通道连接传感器系统,输出通道连接温室控制设备,输入通道是温室现场环境参数的检测通道,输出通道是系统控制信号送出通道,系统结构如图2所示。

根据系统的设计目标,温室下位机可独立运行,实现温室环境的监控,系统在功能上应具有数据的独立处理能力,可自主实现数据的采集、显示,传输;系统在控制上应灵活方便;在投资上应尽量满足低成本要求,因此下位机系统采用单片机应用系统实现。

1)主处理器的选择:ATMEL公司生产的89C51单片机是一种低功耗、高性能的8位C M O S微处理器芯片。片内有4KB的闪烁可编程及可擦除只读存储器,与工业标准的8051指令集与引脚分布相兼容,并且采用C M O S工艺,功耗低,非常适合嵌入式应用场合[6],E P R O M允许在线对程序存储器编程,也可用常规的非易挥发存储芯片编程器编程。

2)系统模块划分:下位机系统是以单片机为基础的单片机应用系统,系统从功能上划分,设计内容应包括五部分:主控模块、数据采集模块、数据显示模块、输出控制模块、数据通信模块。

主控模块为单片机系统,是以单片机为核心扩展外围电路,如晶振、复位电路、定时/计数器。

数据采集模块是系统的信号输入连接模块,负责对模拟信号的采样,该模块主要对温室内传感器系统产生的信号采集,并对信号进行A/D转换。本系统中选用8位的逐次比较式A/D转换器ADC0809芯片进行模数转换,片内设置了多路模拟选通开关以及通道地址译码及锁存电路,将转换后的数据送入三态输出数据锁存器[7,8]。因此,能对8路模拟信号进行分时采集与转换。

显示模块的主要功能是显示系统时钟、标准环境参数以及现场环境参数。考虑到温室系统所显示这三项都是的都是简单的数字,所以显示模块采用七段码LED显示。系统时间在下位机启动时由上位机提供,现场环境参数由数据采集模块得到,标准环境参数由上位机内部管理系统提供。

通过对温室控制设备的研究[9],控制方法选用简单的开关量控制。下位机系统设计8路的控制输出,控制模块的电路主要由单片机系统扩展的并行接口芯片8255的PA口,接功率驱动芯片2803完成。

通信模块的功能是,一方面将下位机的数据传送到上位机,另一方面接收上位机传来的数据。由于温室控制对通信无实时性要求,因此采用RS-232串行通信。

5 下位机系统软件设计

下位机系统软件固化在EPROM2764中完成系统功能,系统程序设计基于查询和中断结合的运行机制,串口通信采用中断方式,A/D采集采用查询方式。软件采用汇编语言编写。

当系统上电启动后,主程序则从外部E P R O M的起始地址0000H开始运行,按照程序编写的顺序执行。根据系统设计需求,主程序主要完成系统的启动、系统初始化,主程序设计流程如图3所示。

6 上位机管理系统设计

由于北方地区冬季蔬菜的供应大部分都来自温室,由此可知温室数量之多,为了更好地对多个温室同时进行控制,本设计采用上、下位机结合的方法实现。上位机位于温室管理室,由PC机组成,是整个系统的管理核心,接受下位机系统传输过来的信号,并可以通过它打印和查询下位机发送来的环境测量值,同时通过P C机还可以对控制标准值进行部分或全部的修改,实现对多个温室同时进行控制。上位机管理系统主要由数据库管理系统和控制决策模型两部分组成。以可视化编程语言Visual Basic6.0为工具,以关系型数据库系统SQL Server 2000为平台,实现数据统一管理和上位机系统管理功能。

7 结束语

随着社会经济的发展,设施农业作为农业可持续发展的一个重要途径已越来越受到世界各国的重视,已成为农业现代化的一个重要方向和组成部分,温室环境智能控制是温室控制技术的关键,对温室农业的发展起着重要作用。国内在温室智能控制的研究方面还不够全面,所以研究适合我国国情的、操作简便且成本低的温室环境智能控制系统具有十分重要的现实意义和价值。单片机控制系统结合了温室智能控制技术,涉及各种与作物生长有关的传感测量、自动控制等多个方面相关知识。特别是本设计中发泡保温方法的应用,不但达到了增强保温效果的要求,且大大节约了成本,该系统的应用可促进农业资源的合理开发和利用,提高农业劳动生产力,对温室未来的发展起到了很好的促进作用。

参考文献

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温室监控系统篇5

第一章绪论

1.1项目背景

智能温室大棚是农业物联网的一个重要应用领域，是以全面感知、可靠传输和智能处理等物联网技术为支撑和手段，以温室大棚的自动化生产、最优化控制、智能化管理为主要目标的农业物联网的具体应用领域，也是目前应用需求最为迫切的领域之一。温室大棚以日光温室为主，温室结构简易，环境控制能力低。我国温室大棚的技术装备尽管有了较大发展，但是温室大棚种植普遍存在管理粗放、技术设施落实不到位、智能化水平低，导致单位生产效率低、投入产出比不高、农业产品质量安全水平起伏较大的现状，在温室环境、栽培管理技术、生物技术、人工智能技术、网络信息技术等方面和发达国家存在着较大差距。我国建设在南方的大型智能温室以生产花卉为主，北方的则以栽培蔬菜为主，少部分智能温室用于栽培苗木。

四川省成都市温江区响应国家号召，政府投资，在温江区实施高科技农业示范区，示范区位于成都市温江区，当地气候为亚热带季风气候，四季分明，七月份平均气温35℃，平均降雨量400mm,一月份平均气温9℃，平均降雨量300mm。全区占地面积为：24m*32m=768平方米，已经装有混凝土拱架塑料大棚，作为有机蔬菜以及园艺种植区域，产品规格为栋宽12米，间距4米，天沟（雨水槽底部局柱底高度）5米，顶高（屋脊到柱底高度）5.9米，屋面角度25度，外遮阳高度6.4米；排列方式为屋脊走向为：南北12m*4跨=48米，侧墙长（南北）：4米*8榀=32米。现计划在该整片温室大棚种植区域安装基于物联网技术的全方位随时监控管理的智能温室大棚系统，作为农业示范区域，以便以后在整个成都片区实行推广。1.2现存问题

首先是成本较高。一般来讲，一套智能化的控制系统成本主要包括硬件成本、运行成本和维护成本。硬件成本包括各仪器仪表、通信线缆等。整个系统也不能自由组合或者裁剪应用于不同的对象，使得难以得到推广和普及。同时，由于系统复杂、布线繁多、故障率高而且使得故障后的维修成本极大。另外，系统庞大造成的运行成本也不是一笔小费用。

其次是布线复杂。温室中有大量分散的传感器和执行机构，这些设备可能随着作物的改变而进行调整，同时错综复杂的线缆也需要重新铺设，工作量较大。为了科学、合理地实现大面积温室环境参数的自动检测与控制，电子检测装置和执行机构的设置不仅数量大而且分布广，连接着各个装置与机构的线缆，也因此纵横交错。当温室内生产的果蔬作物更替时，相应的电子检测装置和执行机构的位置常常需要调整，连接着各个装置与机构的线缆有时也需要重新布置。这不仅增大了温室的额外投资成本和安装与维护的难度，有时也影响了作物的良好生长。

第三，故障解决难。当数据无法正常接收时，检查人员不知道是线路问题还是节点故障。另外，目前的控制系统多采用基于现场总线的分布式模式，当总线出现故障时，虽然各控制节点尚能正常工作，但是上位机却无法正常管理整个网络，专家控制策略无法实施。

1.2项目意义

(1)实现广范围的测量，需求传感器节点多当前温室生产的首要特点就是监控区域很大，普通单个连栋温室都有几千平方米，而一个园区温室群的面积可能会在几百亩以上，因此需要大量的传感器节点构建传感器网络，在每个温室中采集诸如空气温度、空气湿度、光照强度、土壤湿度、营养液EC值、pH值以及室外天气参数等信息，除此以外，目前对作物生理参数的检测也逐渐受到人们的重视，因此将会有更多的传感器节点被用于温室生产。另外，用于驱动温室中执行机构的控制节点的数量也不能忽略。由此可见，温室对其监测与控制系统的首要需求就是网络容量大。

(2)检测点位置灵活变动

温室中大量分散的传感器，但随着作物的生长而需要不断调整位置；或者当温室内生产的作物更替时，相应的电子检测装置和执行机构的位置也常常需要调整；另外，温室的利用结构也会经常根据用户需要而不断改变，这就要求系统中各个节点能根据需要随意变换位置而不影响系统工作。

(3)节点数目可随意增减

作物生长阶段不同，环境因子对作物的影响可能也不同，生长初期可能对温度比较敏感，而后期可能对光照比较敏感，这就要求系统可以随意改变节点的类型和数量。除此以外，随着作物的生长，用户可能还需要对植物的生理参数进行监测而需要不断增加传感器节点。在某些科研温室中，也经常需要改变传感器节点的类型和数量，以达到精确监测与控制。上述这些情况都需要所用的监控系统的节点能随意增减。

(4)系统可靠性

系统故障而造成的经济损失不可估量。如果系统出现问题而未能被及时发觉和修复，那么可能对作物造成致命的伤害，尤其在一些恶劣的天气例如高温和寒冷气候条件下，这将直接影响产量和收益。另外，温室内湿度高、光照强、具有一定的酸性，都会导致线缆的腐蚀、老化，从而降低系统的可靠性和抗干扰性，这对于检查系统故障造成困难。例如，当数据无法正常接收时，检查人员不知道是线路问题还是节点故障，这对及时发现和解决故障带来不便。因此，温室测控系统必须要可靠。

2、方案概述

本系统结构及配套设施：主体骨架为热镀锌型组装、覆盖材料、自然通风系统强制通风系统、内遮阳系统、外遮阳系统、环流风机系统、加热系统、补光系统、配电系统、监控系统、智能控制系统。

智能化大棚是一个半封闭系统，依靠覆盖材料形成与外界相对隔离的室内空间，一方面要以通风换气创造植物生长优于室外自然环境的条件；另一方面，室内产生的高温高湿和低二氧化碳浓度，通过通风换气来调控，创造植物生长的最佳环境。

3、系统功能描述

3.1、智能温室大棚物联网感知层

智能温室大棚物联网的应用一般对温室的七个方面进行监测，即通过土壤、气象、光照等传感器，实现对温室的温、水、肥、电、热、气、光进行实时调控与记录，保证温室内的有机蔬菜和花卉生产在良好的环境中。

3.2、智能温室大棚物联网传输层

一般情况下，在温室内部通过无线终端，实现实时远程监控温室环境和作物生长情况。通过手机网络和短信的方式，监测温室传感器网络所采集的信息，以作物生长模拟技术和传感器网络技术为基础，通过常见蔬菜生长模型和嵌入式模型的低成本智能网络终端。通过中继网关和远程服务器双向通信，服务器也可以进一步做出决策分析，对所部署的温室中灌溉等装备进行远程管理控制。

3.3、智能温室大棚物联网智能处理层

通过对获取信息的共享、交换、融合，获得最优和全方位的准确数据信息，实现对智能温室大棚作物的施肥、灌溉、播种、收获等的决策管理和指导。基于作物长势和病虫害等相关图形图像处理技术，实现对大棚作物的长势预测和病虫害监测和预警功能。还可以将监控信息实时地传输到信息处理平台，信息处理平台实时显示各个温室的环境状况，根据系统预设的阈值，控制通风/加热/降温等设备，达到温室内环境可知、可控。

4、系统架构

5、系统网络拓扑

6、各子系统设计6、1 感知层

（1）无线传感网络

无线传感器网络（WSN）就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息，并发送给观察者。传感器、感知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素。

Zigbee网络组网

网关：Zigbee—3G ZigBee节点是可以组建Mesh网络的，设置一个ZigBee节点为网络协调器，其他每个ZigBee节点都可以当做路由节点来使用，也可以设置为终端节点但是就失去了路由功能。

（2）视频监控

摄像机： WIFI传感网络，对检测到的图像信息使用WIFI进行传输（3）设备供电

设备供电系统由最新的太阳能供电，AC 220V、DC 12V或者太阳能供电。

6、2

传输层

（1）网关：

3G无线网关：将Zigbe信号转化为3G信号进行传输（2）路由器

交换机

3G无线路由器、交换机，用于传输局域网和广域网的数据（3）供电设备：采用标准220V电源供电 6、3

网络层

(1)终端服务器：采用电脑作为服务器终端(2)云服务平台：

采用云服务器，对大量的信息进行处理和保存(3)监控中心：

采用球机型无线WIFI摄像机对温室大棚的情况进行采集(4)供电方式：

采用220V标准电压供电6、4

应用层

(1)电脑终端：

采用台式电脑或者笔记本电脑作为应用层终端(2)手机终端：

采用智能手机作为终端，对采集的信息进行处理(3)供电方式： 220V标准供电

基于物联网的温室智能系统研究篇6

关键词：ZigBee；无线传感器网络；温室智能管理

中图分类号：S625.3 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）27-0061-02

1 数字信息化

数字信息化的进步为人们社会生活提供了许多便捷，也日益影响着世界经济格局，已经全面渗透到人们生活当中。各个国家利用这一发展趋势也逐步将其利用到农业领域中。农业的信息科技化深深影响着农业生产，使农业在这种改革之下慢慢变成新型农业模式。在农业生产的每一个环节中都运用数字信息化模式，通过科学手段控制农业生产的全过程。目前，农业从以往传统模式向全智能模式转变，是现代农业发展的最终形态和必须经历的过程。

如今社会生活中使用无线技术的方面非常多，其中广为人知的是网络领域中的无线上网功能。无线技术在被社会运用过程中使用范围有限，总是运用在在某一特定单一的领域。随着科技发展无线技术也越来越被国家重视并且应用到水利工程项目中，其中ZigBee技术根据其自身特点在温室智能管理时起到了至关重要的作用，它的使用解决了以往对温室智能管理中出现的一系列问题，可以更完善数据的采集，也为以后对水利工程中的监测提供了保障。

2 ZigBee无线传感器网络技术

ZigBee技术是一种近距离、低功耗、低成本、低数据速率、低复杂度的无线网络技术，主要适用于自动控制领域。2000年12月成立的IEEE802.15.4工作组制定了其物理层和介质访问控制层的协议，2002年8月成立的ZigBee联盟在此基础之上定义了网络层、安全层和应用接口层标准。应用层的具体功能由用户根据实际应用自行开发，因此使该技术能够适用于更多的应用领域。

3 基于物联网的温室环境监控系统设计方案

3.1 总体设计方案

具体的温室监控因素主要可归纳为以下这些：温湿度、光照强弱和CO2浓度。因为这些因素是农作物生长最不可或缺的生长条件，在对以上这些环境参数监测后，紧接着使用系统来控制相应设备进行调整，如喷灌、补光、湿帘泵、地热发生器都可以实现对上面参数变化作出补救。

为实现温室的环境监控，需要及时合理的对多个影响农作物生长的因素进行由点到线再到面的监督和数据的收集，需要有大量的电缆或者光纤的帮助才能实现，而且实行起来非常费时费力，在土壤的作用下，电缆和光纤很有可能和对农作物施用的肥料发生有害的化学反应，在大雨、大雪、雷电等情况下很容易发生料想不到的麻烦，而且线都铺设在土壤之下，一旦有故障修理繁琐，耗时过长，很可能减值减收。

①往往利用节点模块实现温室环境监控数据的采集整理，能在ZigBee本身的网络和协调器之间传递信息，将节点端布置在室内可以实现数据的接收，整理和传递的作用。

②协调器的主要功能是通过建立协调节点连接计算机和传感器，建立集中网络和处理终端传递的数据进而利用UART传递到上位机。

③网口-串口转换调节器可以将数据在两种设备上及时互换，最终到达以太网IOTService，如果终端不是以太网则需要选择合适的适配器实现连接。

④装备有IAR Embedded Workbench的C/C++调节器和交叉编译器的终端往往是为了网络在硬件之间的建立，而装备有VS2005软件平台的计算机是为了实现温室内部的可视化监控，便于协调人与机器的互知，依靠科学的方法实现作物的高产，最终目标将温室参数放在节点下，使用统一标准和数据化调控起来。

3.2 开发平台架构

基于Visual Studio 2005编程环境，使用 MSComm控件完成监测管理软件设计。我们所添加的程序主要在API层，将已有的建立好的工程项目进行修改，添加自己所需要的应用代码，通过移植的方式来开发Zigbee项目。使用IAR打开工程文件后，即可查看到整个协议栈从ZDO层到APP层的文件夹分布。

无线传感器网络软件平台包括两部分：Z-Stack协议栈和温湿度应用程序。把用户新建的任务添加到系统中，将两部分通过操作系统结合到一起，才能协调有序地工作，这就是软件平台搭建的整个过程。

3.3 传感器模块

该模块是温湿度和相关光电传感器等模块，有2个传感器，分别是光电传感器和温湿度传感器，温湿度探头直接使用IIC接口进行控制，光敏探头经运放处理后输出电压信号到AD输入。

使用l0-v 12bit的AD采集器对光敏信号进行采集，使用专用的IIC接口进行温湿度信号采集。每一次的采样需要使用2字节描述，MSB方式，温湿度及光电传感器模块输出数据结构如下：

①需要采集温度等重要信息：温度的数据采用高字节，而温度数据则采用低字节；②需要采集湿度等重要信息：湿度的数据采用高字节，而湿度的数据则采用低字节；③需要采集光强度等重要信息：光强的数据采用高字节，而光强的数据则采用低字节。

在本文对温室系统中，采用如今市场上广为人知的SHT10来准确测量棚内的温湿度。这种传感器较对于以往传感器技术更能准确无误的测量棚内信息，使棚内的温湿度达到可控效果，来保证作物的生产结果，并且具有非常高的稳定性，不会出现数据混乱等突发问题。这种芯片另一种优点在于可以与系统的转换器做到直接连接，方便对系统整体进行控制和信息传递。

4 数据采集模块的调试

通过对数据的采集以及硬件调试中，通过焊接电路板，由于对程序不能有效下载。需要检查电源的供电情况是否正常，应用多功能电表检查，可知供电系统属于正常的。通过对检测线路问题的连接，也没有发现虚焊点。当排除上述问题后，开始对原理图的设计进行检测，最终检测得到在画PCB封装时因开关封装时出问题，将控制信号直接短接到地，将其断开后就能正常下载程序了。把程序下载到电路板里，得到数据采集模块对温室里的温度、湿度、CO2浓度和光照强度的实时采集。

5 结语

针对传统温室智能管理存在观测点少、数据采集慢、传输不可靠以及数据处理不及时等缺点，本文设计了基于ZigBee技术的无线传感器网络。它贴合各温室智能管理的实际情况，无论其实用性、可靠性、技术先进性、经济性等方面都有许多优势，极大提高了温室智能管理的科学管理水平，为ZigBee无线传感器网络在温室智能管理中的应用提供了一套行之有效的解决方案。

参考文献：

[1] Richa Arya，George Souliotis，Spyros Vlassis，etc.A 0.5 V tunable complex filter for Bluetooth and Zigbee using OTAs[J].Analog Integrated Circuits and Signal Processing，2014，（79）.

[2] Wissam Razouk，Garth V，Crosby，etc.New Security Approach for ZigBee Weaknesses[J].Procedia Computer Science，2014，（37）.

温室远程监控技术篇7

1. 适用范围

该技术可用于温室环境因子采集与远程监控。

2. 使用前准备

(1) 将可自动采集温度、湿度、土壤温度、土壤水分、光照强度、二氧化碳浓度等环境参数的无线传感器安装在温室大棚内的相应位置。

(2) 把数据接收装置安装在温室大棚内信号较好的位置。

3. 远程监控作业

(1) 采集的数据可通过无线方式接入互联网, 用户可以借助电脑或手机了解现场的环境参数。

(2) 若使用电脑远程查看数据时, 要登录设置的网络平台, 只需输入相应的用户名和密码即可。

(3) 使用手机查看数据需要交纳相应的上网流量费即可。

(4) 如果温室大棚内装有湿帘风机、卷帘机、灌溉等设备, 可以根据现场的环境, 利用电脑和手机对其进行智能控制。

4. 维护保养

(1) 传感器定期清洗擦拭, 延长使用寿命。

(2) 线路定期检查防止老化破损。

5. 注意事项

(1) 定期检查。由于该设备使用的无线传感器要安装在土壤中, 容易出现故障, 影响准确率, 因此要定期检查。

(2) 定期检查运行设备的自动开关, 保证工作自动化。

温室监控系统篇8

自动化生产、信息化服务是现代温室的发展方向,也是国家农业现代化建设的要求和发展方向。目前,基于网络的温室远程监控系统是采用Web服务端程序与应用程序交互实现的[1],并且只设计了基于Web的温室环境数据远程采集和查询等功能[2]。采用传统的远程控制方案往往由于系统复杂,不利于温室控制系统的开发和推广。

目前国内外的温室远程控制实现方案,普遍采用基于Socket的C/S模式和基于Web的B/S模式。两种模式各有优劣,前者可以提供良好的用户操作界面、开发相对比较简单;而后者具有无需安装客户端、穿透防火墙、维护简便的特点。基于Web Service技术实现的远程控制则结合了两者的优势。Web Service[3,4,5]是由URI(Uniform Resource Identifier,统一资源标识符)标识的软件应用程序,其接口和绑定可以通过XML构件进行定义,支持通过基于因特网的协议使用基于XML的消息与其他软件应用程序直接交互。Web Service具有以下几个特点:①完好的封装性;②面向消息、松散耦合;③使用标准协议规范;④高度可集成能力。

本研究提出基于Web Service技术的温室远程监控系统设计方法,以提高温室自动化的整体性和稳定性。

1 温室远程监控系统总体设计

温室控制系统总体分为3层:工控机现场监控层、中央监控层和远程监控计算机。其示意图,如图1所示。

温室现场工控机通过CAN总线实现环境参数(温湿度、光照和CO2传感器)数据的采集,通过控制执行机构设备实现温度、湿度、光照和CO2浓度的控制。继电器输出模块中输出信号控制电机或电磁阀,包括:外遮阳电机正反转、南北天窗电机正反转、内遮阳电机正反转、南北侧窗电机正反转、湿帘外翻窗正反转、湿帘水泵、湿帘风机、内循环风机、倒挂微喷、补光灯、CO2发生器、热风炉等。其中,内外遮阳和补光灯控制光照;天窗和侧窗、湿帘风机系统,热风炉可控制温度;CO2发生器可提高室内CO2浓度;倒挂微喷可提高室内浓度。

Web服务器和Web Service服务器都架构在中央监控系统中,远程用户计算机通过Internet可远程监控温室。为了实现温室集群控制,在同一个Web页面中控制全国各地的温室群,中央监控系统也可把Web服务器和Web Service服务器分开,单个温室群中的中央监控计算机只需架设Web Service服务器,Web服务器架设到远程的Internet上,用户通过访问Web服务器来实现所有温室的监控。

2 温室远程监控系统

2.1 Web Service远程控制

Web Service控制结构,如图2所示。

软件系统包括B/S模式Web服务器端程序、Web Service组件[6]。Web Service服务端作为中间层,连接着Web服务器端程序、远程应用程序和温室设备,它建立实际的数据库连接,根据用户的请求生成SQL语句检索或更新数据库。同时,Web Service组件控制温室设备的运转,将温室状态返回到客户端,中央Web服务器页面作为面向用户的界面层,负责处理用户的输入/输出。

JAVA和.Net是目前开发Web Service的最佳工具,由于系统需要利用温室PCI-CAN采集卡驱动来实现对温室数据的采集和设备的控制,但是通过Java直接操作驱动接口DLL函数库是一个技术难点,而且稳定性不高。因此,本项目采用ASP.Net开发Web Service。鉴于Web Service跨平台、跨语言的特性,可采用J2EE开发Web用户界面层,实现温室参数检测。温室监测模块和控制模块整合到Web Service,部署在Internet上(即将Web Service注册到UDDI注册表),发布温室监视模块和智能控制模块接口。在Web Service组件中,采用C#语言,调用PCI-CAN采集卡的底层编程接口API,并将温室控制逻辑封装在该组件中,从而提高控制的智能性。

基于Web Service的温室远程监控系统客户端的形式可以非常灵活,客户端可采用应用程序或基于Web模式,为使客户端所在任何地方方便地实现远程监控,本研究采用后者,不需要安装任何应用程序,只需要通过Web浏览器就能远程控制温室,其表现形式主要有JSP+Ajax、Applet+Java3D和Flash 3种。由于JSP+Ajax方法响应速度快,该系统采用JSP+Ajax方法实现。利用JSP可直接调用Web Service控制接口,用户通过Web页面就能对温室进行远程手动控制。结合Ajax动态页面刷新技术,能够使用户界面更加人性化,控制效率更高。

远程控制界面(如图3所示),显示温室天窗、侧窗、内外遮阳、倒挂微喷和湿帘风机等远程手动控制。Web页面再以SOAP协议与Web Service组件通信,将客户端的控制信号以string类型的参数形式传递给Web Service,让Web Service调用执行机构的运行函数,实现手动控制的功能。由于HTTP协议和SOAP协议是标准的Internet协议,可以穿透防火墙,基于Web Service的温室远程控制系统可真正意义上地完全实现Internet上的网络控制。

2.2 数据库访问

采用关系型数据库SQL Server 2000,利用Java数据库连接JDBC(Java Database Connectivity),在一个基于数据库的Web系统中,建立和释放数据库连接的操作将是系统中代价最大的操作之一。随着连接数的增多,将导致数据库系统中的内存泄露,最终可能导致系统瘫痪。利用连接池(Pool)技术可以有效地解决这个问题,提高系统的效率。首先,初始化一定连接数量的连接池,在使用过程中如果池中的连接数不够,再逐渐加入新的连接。由于池中的连接数不能是无限的,当达到最大数量时,池中就不能再加入新的连接。当JSP取出并用完一个连接后将该连接放回连接池中。

部分数据库连接池代码如下:

2.3 绘制曲线图

利用开源的JAVA项目的JfreeChart图表引擎显示温室内24小时的实时温度,CO2浓度和太阳辐射曲线图。JFreeChart核心类库主要由两个大的包组成:org.jfree.chart和org.jfree.data,前者主要与图形本身有关,后者与图形显示的数据有关。

部分实现代码如下:

3 结束语

基于Web Service技术,笔者利用ASP.Net开发了Web Service的温室远程逻辑控制软件,采用JAVA开发了基于Web模式的客户端,成功地通过Web Service中间件实现了跨语言、跨平台的温室远程控制系统。

本研究开发的温室远程监控系统已在校园网内实验温室中正常运行半年,系统稳定可靠。

研究结果表明,该方法对于智能楼宇,工业智能化领域的远程监控具有一定的推广价值及现实意义。

参考文献

[1]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.

[2]孙忠富,曹洪太,李洪亮,等.基于GPRS和WEB的温室环境信息采集系统的实现[J].农业工程学报,2006,22(6):131-134.

[3]CERAMI E.Web服务精髓[M].北京:中国电力出版社,2003.

[4]顾宁,刘家茂,柴晓路.Web Services原理与研发实践[M].北京:机械工业出版社,2006.

[5]Microsoft公司.XML Web Service技术内幕[M].北京:清华大学出版社,2003.

温室监控系统篇9

目前,我国传统农业处于向优质、高效和高产的现代化农业转化过程中, 温室栽培体现了现代农业发展的方向。依靠先进的科学技术,对温室内的环境因素进行监测和控制,才能给温室内的作物提供最佳的生长环境,而现在的温室控制系统大多是PLC温室控制和现场总线控制,这些系统存在操作不方便、接线不灵活和成本过高等缺点。为此,设计了基于WIFI的智能温室控制系统,传感器系统采集系统参量与需要的参量值进行对照,并采用相应的算法进行计算后输出,对加热系统、降温系统、加湿系统、通风系统、光照系统和二氧化碳喷施系统等进行控制。温室控制系统以上位机作为监控系统,上位机与下位机采用无线连接,从而实现更灵活的接线。监控系统将采集到的数据进行汇总、显示和记录,自动生成数据库,实现了温室设备的自动控制和远程遥控。

1 WIFI介绍

WIFI(Wireless Fidelity)技术即IEEE/802.11协议,WIFI无线网络是由 AP(Access Point)和无线网卡组成的无线网络,组网方式较为简单,主要技术优点是无线接入、高速传输以及传输距离远。其中,IEEE 802.11a与IEEE 802.11g的最高速度为54Mbps,在开放性区域通讯距离可达305m,在封闭性区域通讯距离为76~122m,方便与现有的有线以太网整合,组网的成本更低[1]。WIFI设备使用的频段为2.4~2.4835GHz的免许可频段,在频率资源上不存在限制,因此使用成本低廉也成为了WIFI技术的又一大优势。通常将AP称为网络桥接器或接入点,将能搜索到WIFI网络的地方称为热点区域,任何一个装有无线网卡的终端进入WIFI覆盖区域均可以通过AP来无线高速接入英特网。与目前国内已经比较普及的802.15.4标准和ZigBee网络比较,WIFI是更成熟的技术,在设备互操作上具备明显优势。

2 系统总体设计

以GS1010模块为核心,组成温度采集和控制操作的终端,用于温度和湿度等数据的采集、存储和传送,并执行控制指令。下位机传感器系统采集系统控制的参量,对数据进行处理后输出控制信号到执行器。以PC机为上位机,负责对各终端机采集到的温度数据进行汇总和分析,发送控制指令。用户可以直接通过上位机设定下位机的控制参数,如图1所示。

3 系统硬件设计及原理

系统硬件以GS1010低功耗模块为核心,包括基本供电电路、人机接口部分、传感器采集部分以及输出控制部分,基本结构如图2所示。

3.1 系统核心模块

系统以GainSpain公司设计的SoC芯片GS1010为核心,包含一个 802.11射频前端、媒体控制器(MAC)和基带处理器、片上FLASH、片上SRAM以及1个ARM核处理器。为了加快进度,设计采用成都无线龙通讯科技有限公司设计的GS1010低功耗模块,其主要特性如下:无线协议:IEEE 802.11 b/g兼容;射频工作频率:2.4~ 2.497 GHZ;实时时钟控制器/看门狗定时器,可编程事件报警定时器;I/O口:GPIO,UART,I2C,SPI,PWM,ADC;安全机制(802.11i):共享密钥身份验证(WPA2-PSK),AES硬件加密;标准:802.11i/k/e/d ,IEEE1588[2]。模块供电电源是1.8V,看门狗工作电池电压是1.2~3.6V,应用处理器32位ARM单片机,工作时钟频率44MHz;实时时钟震荡周期32kHz。

3.2 温度和湿度采集模块

温湿度传感器采用国产数字化的DHT21。它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器,应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术,确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式感湿元件和一个NTC测温元件,该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中,传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口使系统集成变得简易、快捷。超小的体积,极低的功耗,信号传输距离可达20m以上。DHT21为4针单排引脚封装,连接方便,供电电压5V,温度分辨率0.1℃,16bit,精度±0.5℃,测量范围-20℃~60℃。湿度分辨率0.1%RH,精度±3%RH(温度在25℃),±5%RH(温度在0~50℃),可以替代SHT10和SHT11。接线如图3所示。

3.3 光照采集模块

光照传感器选用on9658,它是一个光电集成传感器,暗电流小,低照度响应,灵敏度高,电流随光照度增强呈线性变化;内置双敏感元接收器,自动衰减近红外,光谱响应接近人眼函数曲线;内置微信号CMOS放大器、高精度电压源和修正电路,输出电流大,工作电压范围宽,温度稳定性好;可选光学纳米材料封装,可见光透过,紫外线截止,近红外相对衰减,增强了光学滤波效果。典型入射波长为 λp=520nm,可见光范围内高度敏感。研究表明,波长为400 ~ 520nm(蓝)的光照对叶绿素与类胡萝卜素吸收比例最大,对光合作用影响最大,所以on9658相对于典型波长为800nm左右光敏二极管测量更准确。On9658工作电压Vdd为2.4~12V,响应时间为2μs;温度范围-20~75℃。接线如图4所示。

3.4 CO2浓度采集模块

CO2浓度的采集选择国产的 MG811型 CO2 气体传感器。半导体气体传感器采用金属氧化物半导体烧结工艺,对被检测的检测气体具有灵敏度高、响应时间短、成本低、长期稳定性好等优点。小尺寸,低成本;长寿命,低功耗;对CO2气体具有高选择性;测量范围:0~10000×10-6;响应时间小于60s;恢复时间小于90s。由于需要外接加热电路,需要较高的功率。元件测量时,放大器阻抗必须在 100~1000GΩ之间 ,测试电流应控制在1pA以下,电压信号再经过滤波和放大[3],直接与GS1010模块的A/D转换接口相连接。

3.5 人机接口模块

人机接口选用ZLG7290芯片是周立功公司针对仪器仪表行业的需要自行研制的一款芯片。在具体应用过程中,它接收所要显示的数据,并将其显示在LED显示器上。该芯片能自动完成8位LED数码管的动态扫描和(最多)64按键检测扫描。该器件本身只需2根线就可与GS1010模块的实现接口,硬件连接简便,软件编程容易。尤其用在CPU担负繁忙数据处理任务的系统中,可节省CPU用于显示扫描的时间,更显出其优越性。I2C串行接口提供键盘中断信号,方便与处理器接口;可驱动8位共阴数码管或64只独立LED和64个按键;无需外接元件即直接驱动LED,可扩展驱动电流和驱动电压。系统需要16只按键和8位LED显示,接线如图5所示。

4 系统软件设计

系统的软件部分主要包括上位机软件系统和下位机软件系统。其中,下位机程序主要是在实时操作系统上建立的数据采集部分、算法处理部分、数据通信部分及人机接口部分;上位机软件系统主要包括通信模块和数据库模块。

4.1 下位机软件

所设计的下位机软件系统是在实时操作系统uC/OS-Ⅱ的支持下构建的。uC/OS-II只是一个实时操作系统内核,它仅仅包含了任务调度、任务管理、时间管理、内存管理、任务间的通信和同步等基本功能。没有提供输入输出管理、文件系统和网络等额外的服务[4]。uC/OS-Ⅱ良好的可扩展性和源码开放,根据需要对相关ARM源代码进行修改,包括改变传送间隔、增加传感器和增加外设等。

4.1.1 数据采集部分

不同传感器使用各自的驱动程序,包括温湿度传感器(其中DHT21的时序是必须要注意的)、光敏传感器以及CO2浓度传感器数据的读取。根据传感器的响应时间,设定CPU芯片内的定时器在不同时间中断,采集数据,并将数据存储在指定存储器中。

4.1.2 算法处理部分

为排除干扰因素的影响,采用了平均滤波法,对采集到的数据进行筛选,忽略异常数据,并对采集的数据和前4次采集到的数据取平均值。研究表明,温室作物的生长并不是取决于某一时刻的温度,而主要取决于在一个时间段中的平均温度水平。系统并不设置一个固定的温度值 ,温室中的温度在最高和最低温度范围内可进行变动 ,以求在一个较长的时间段内达到理想的平均温度。

根据作物种类和习性的不同,温室内各个时间段需要调节稳定在不同的温度,一般都要求晚上的温度比白天低些。白天温度高些有利于养分的制造,夜间温度低些可以减少养分的消耗,有利于养分积累。为此,用实时时钟定时在不同的时间段选择,不同的控制策略。计算机可以根据室外的气候,在使用最低能耗、充分利用温室中的现有设备的情况下进行调节,合理对加热系统、降温系统、加湿系统、通风系统、光照系统以及二氧化碳喷施系统等进行控制。程序结构如图6所示。

4.1.3 数据通信部分

系统有两套并行的通信接口,即串行接口和无线网络接口。串口在调试程序的时候可以作为控制端输入命令,在现场应用时也可以作为通信接口传送命令和数据,以便用户根据实际情况灵活接线。上位机发送命令到测控终端,测控终端接收后,判断是发送存储的温度数据还是改变控制参数,实现数据采样收集和现场控制的目标。上位机完成对各点温度的记录,便于统一管理;下位机将各个时间段的温湿度数据和操作器的状态等数据存储在GS1010模块的内存中,每隔一定时间向上位机传送一次,这样可以减少网络负担。

网络接口程序的编写可以调用GS1010模块附赠的API,完成对网络协议栈和WIFI网络传输的全部控制功能。网络通信程序使用TCP/IP协议下的流式套接字(Stream Socket)编写。Socket是网络通信的基本单元,它提供了不同主机间进程双向通信的端点。常用的套接字有两种,即流式套接字和数据报套接字[5]。任务通过对Socket的读/写操作实现网络通信功能,系统为了可靠地面向连接的通信数据流和无错误的传输,选用流式套接字。

4.2 上位机软件设

上位机是整个系统的管理核心,主要由数据库管理和通信管理等功能模块组成。采用Microsoft Visual Basic 6.0 编译上位机程序,采用数据库管理系统 SQL SEVER 2000数据管理。

4.2.1 数据库

建立温室作物生长数据库,包括设计温室环境历史记录数据表,存储每天温室的各种环境参数;设计温室控制信息状态表,存储每天温室设备的开启及停止时间和运行状态;设计温室作物生长状态表,存储作物的生长状态,以便根据不同状态采取不同的控制参数;设计专家数据表,存储专家数据为作物的控制决策提供依据。

4.2.2 通信功能

设计基于网络的远程通信子程序和基于串口的通信子程序,应用控件 Winsock(在 TCP、UDP 的协议基础上)实现基于IEEE/802.11b的无线通信子程序设计,使用 SocketWrench 控件发送和接收TCP/IP协议包,应用MSComm 控件通过串行端口传输和接收数据,用户选择应用网络或者串口通信。

5 结论

目前,温室监测和控制系统正向网络化、分布式智能控制以及生物信息的获取与处理等方向发展,无线网络以其独特的优势成为自动控制领域的研究热点。本文讨论了一个基于GS1010模块的智能温室测控系统的设计与实现。该系统是一种低成本的远程温度监控系统,充分发挥了ARM芯片相对8/16位单片机的优势,更好地实现了基于无线网络的温度远程监测和控制。系统设计功能齐全、操作简单、便于扩展,有一定的应用推广价值。

摘要：设计了一套以集成了WIFI功能和ARM内核的SoC芯片GS1010为核心的智能温室环境控制系统,实现了通过无线网络对智能温室内温湿度、光照和CO2浓度的监测与调控。监控系统将采集到的数据进行汇总、显示和记录,自动生成数据库,实现了温室设备的自动控制和远程遥控。整个系统操作简单,经济适用,控制精度完全达到要求,并且接线灵活,方便与现有的有线以太网络整合。

关键词：智能温室,监测,控制,WIFI,GS1010

参考文献

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[4]任哲.嵌入式实时操作系统UC/OS-II原理及应用(2版)[M].北京:电子工业出版社,2009:42-44.

温室监控系统篇10

温室环境信息自动精确监控已成为设施农业优质高产的重要手段。查阅文献可知[1,2,3,4,5],目前存在的温室环境监测控制系统可分为有线和无线两种。有线监测系统存在的共同问题是:布线繁琐、节点布置不灵活、容易出现监测盲区,可靠性差,检查维护成本高等问题。无线监测系统大部分只实现了单因子的简单控制功能;但重监测轻控制,界面单调不友好,对数据的二次处理差。为了适应温室环境监控智能化、高可靠性以及远程控制的发展趋势,基于单片机、无线传感、GSM及VB,Access数据库技术,设计了“温室环境信息无线监控系统”。

1 系统设计

“温室环境信息无线监控系统”包括监测系统和控制系统,主要由信息采集模块、数据传输模块、单片机控制模块、VB可视化监测平台、远程控制模块和控制设备等部分组成。其原理框图,如图1所示。

1.1 监控系统的硬件设计

本系统的硬件(监测和控制系统硬件)包括温湿度采集接口电路、无线发射/接收接口电路、光控电路、温湿度控制电路以及串口通讯的硬件设计。

1.1.1 温湿度采集接口电路

在单片机(从机)主控制器的控制下,利用DS18B20温度传感器和DHT21数字温湿度传感器,通过温湿度硬件接口电路(如图2所示)完成温湿度信息的采集[6,7,8]。

1.1.2 光控电路和温湿度控制电路设计

光控电路(如图3和图4所示)采用光敏开关,在白天阳光充足时,开关自动闭合,补光灯关闭;在晚上或阴天的情况下,开关自动打开,产生一个低于0.2V的电平信号IN1,使Q1导通,继电器J2工作,驱动光照装置,对植物进行补光。

本设计具有超阈值峰鸣音报警,下位控制“环境控制设备”功能。接口位于单片机AT89C51的P3.2口,P3.2口被置0,系统进行正常采样。但温湿度过限时,蜂鸣器鸣叫,利用温湿度控制电路(如图4所示),同步驱动继电器J1,J3,启动温湿度装置工作。

1.1.3 串口通讯的硬件设计

RS232串口通讯采用MAX232芯片,通过连接TXD,RXD,GND等3根线,完成和PC机的通讯,硬件电路如图5所示。

1.2 监控系统的软件设计

1.2.1 系统主机程序设计

系统主机遵循PC机的命令,接收到命令时分析该命令并呼叫对应分机;然后,把分机的数据通过串口传给PC机并在VB界面上显示。主机程序流程图,如图6所示。

1.2.2 使用nRF905发送和接受数据的子程序设计

利用nRF905无线发射/接收模块,通过SPI接口,依据通信协议,由从机将接收到的温湿度数据“打包”发送;主机接收数据包,解译后以一定的速率把数据移到微控制器内。其发送和接收流程图,如图7和图8所示。

1.2.3 串口通信程序设计

使用RS232串口通信的软件设计,首先应对其进行初始化,设置产生波特率的定时器T1,本装置波特率设置为9600b/s;然后,确定T1的工作方式,计算T1的初值,装载TH1,TL1;启动T1确定串行口控制。当发送数据时,等待TI置1,如果TI置1,则说明发送完成;当接收数据时,等待RI置1,如果RI置1,则说明接收完成[9]。发送数据的流程图,如图9所示。

1.2.4 GSM远程控制

GSM(Global System for Mobile Communications)全球移动通讯系统,俗称“全球通”,是第二代移动通信技术。其具有双向数据传输功能,支持GSM 07.05所定义的AT命令集的指令,可方便简洁地实现基于GSM的短信息SMS的收发、查寻和管理[10]。

基于OEM板,进行二次开发,采用基于AT命令的PDU模式,通过串口实现与8051单片机通信,将“温室环境信息控制指令”以中文短信的方式传递至从机,实现“环境设备”的远程上位控制。接收信息流程图,如图10所示。

1.3 VB可视化监控平台的设计

基于VB和Access数据库[11],设计“VB可视化监控平台”。其主要由空气质量、当前时间、视频信息以及对话框窗口4部分组成(如图11所示)。整个界面通过Frame框架将各部分有序划分,利用SSTab选项卡实现对话框窗口各选项的选择,使界面清晰友好、功能齐全、操作简单。

利用Morph display完成时间和环境信息的数值、指针显示;调用capcreat capture window建立捕获窗口,利用Picture控件载入实时视频信息;通过时钟控制采集与记录的频次,利用DataGrid,Adodc和ucHistogram控件进行数据的采集、存储、分析以及实时绘制二维数据图形;通过ComboBox,TextBox和Mscomm控件完成参数设置和串口通信。

1.3.1 “空气质量”模块

本窗口控制系统的工作与停止,通过数字、指针和曲线实时显示当前温、湿度值,当温度或湿度没有满足设定的阈值时,对应的指示灯将会变红进行指示报警。

1.3.2 “当前时间”模块

本窗口主要功能:一是为用户提供当前实时时间;二是为系统采集、存储信息提供时间坐标。

1.3.3 “视频信息”模块

本窗口可以播放用户提供的视频。另外,此窗口为视频的采集提供接口,可外接摄像头,采集监测点的植物长势视频信息。

1.3.4 “对话框窗口”模块

本模块包括4个下拉窗口:曲线图、数据记录、数据分析和参数设置。

1) “曲线图表”下拉窗口:

本窗口根据采集数据,实时描绘温度和湿度曲线,形象直观,方便用户观察数据随时间的变化情况。

2) “数据记录”下拉窗口:

本窗口以表格的形式显示采集来的信息,数据图表列分为序号及对应的时间、温度、湿度以及备注5栏。

3) “数据分析”下拉窗口:

本窗口包括“数据表”“索引条件”“数据分析结果”和“温湿度曲线栏”4部分。系统依据用户选择的索引条件,显示对应的数据表单、分析结果和温湿度曲线。

4)“参数设置”下拉窗口:

本窗口包括系统“基本参数”设置栏和“采点参数”设置栏两部分,可以对采样频点、采样时间间隔、温湿度阈值进行设置。

2 结束语

“温室环境信息无线监控系统”基于单片机、无线传感、GSM以及VB,Access数据库技术,实现了温室环境信息的监测与控制。本文设计了VB可视化监测平台:实现温湿度的实时无线采集、传输和多方式(指针、数字、曲线)同步显示;依据设定参数(采样时间、采样频次、备份时间),实现环境信息的同步记录、保存、处理分析;基于GSM完成了信息收发控制软件的设计,实现温湿度以及光照的上位远程控制。

本监控系统电路简单、抗干扰能力强、可靠性高,具有很强的灵活性和高度扩展性,安装灵活,维护简便。大棚温室、仓储库房、档案室、养殖场等对温湿度要求较严格的领域,具有广阔的应用前景。

摘要：为了解决目前温室有线监测系统存在监测盲区、组网复杂等缺陷,基于单片机、无线传感、GSM以及VB,Access数据库技术,完成无线监控系统的硬软件设计。从机接收温湿度传感器的采集数据,通过控制电路实现控制设备的下位控制;利用NRF905模块,将采集信息发送至主机;再由串口上传于上位机(PC机)。同时,设计了“VB可视化监控平台”,实现阈值、采样方式的设定以及数据的多方式实时显示和处理;利用GSM模块,实现温湿度以及光照的上位远程控制。整个监控系统电路简单、性能稳定、扩展性强,市场应用前景广阔。

关键词：温室,无线监控系统,单片机,VB可视化监控平台,GSM

参考文献

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