一种移动式温室环境无线测控装置的研究

杨光 范志华 李爱琴 肖戟 刘洋

(吉林省农业机械研究院，吉林 长春 130022)

引言

我国经济发展迅速，农业现代化进程发展迅速，农业物资齐备，各地根据自己当地特点普遍建设了温室大棚，类型有日光温室、塑料大棚，均可以为农作物生长提供良好的生长环境。温室设施、工程是农业种植高效性的重要组成部分。

在农业现代化进程中，温室大棚种类较多，按类型分为薄膜单体拱冷棚，日光温室暖棚，双面坡温室大棚，连栋温室大棚，智能温室棚；以上温室大棚造价从几十元每平方米至近千元每平方米不等。价格较高的是全智能温室，根据农户需要建立一个适合农作物生长的环境条件，创造一个人工环境，产生适当的温度、湿度，解除农作物生长的环境限制。使不同的农作物可以在非应季的时节生长，以此来摆脱农作物对自然条件的依赖，创造更高的价值。对于连栋大棚，这种全智能温室一旦安装成功，系统结构已经固定，如果再进行变动或改动将会面临很大难度，针对这种智能棚的高造价、灵活度差的问题，本项目研发一套可移动式的测控装置，该装置能够灵活移动，其测控系统中的测量和控制部分均采用无线方式通讯，测量系统采用无线数据采集，控制系统可以串联到温室的控制箱，而数据的采集与处理通过移动车的上位工控机实现。工控机具有稳定性强、在恶劣环境中工作，可以满足测量和控制、数据采集与处理多种功能。在温室环境控制方面能满足环境要求，可以实现温室环境的控制与设置。

为推动吉林省棚膜经济高效发展，吉林省政府出台了《关于加快推进全省棚膜经济发展的实施意见》。该意见提出要实施“百万亩棚膜建设工程”，计划用5～10年的时间，在2030年底实现吉林省棚膜经济总面积突破6.67万hm2。因此，该项目的完成可加速助力吉林省棚模经济的发展。

1 功能

1.1 空气温湿度、土壤温湿度监测

空气的温湿度和土壤的温湿度是农作物生长的关键指标，除此以外有些辅助指标也需要进行测量，只有掌握了精准的温湿度等参数的准确数据，并能对数据进行采集、分析运算、控制、存储、发送，才能进行科学准确的控制，需要通过传感器测量的参数有大棚室内外空气环境温湿度、大棚内部土壤的温湿度等。本项目选用的高精度土壤温湿度传感器，产生4～20mA模拟信号。

1.2 光照度监测

温室大棚内光线的强度通过光感和光敏传感器进行监测记录，通过无线传输技术将测量的数据传送到移动监测车的工控机，通过数据采集处理和分析可以控制补光系统、遮阳系统等设备，实现光度的控制，如果提前进行过参数设置，则可以实现自动控制功能，在无人状态下实现控制。

1.3 二氧化碳浓度监测

在温室大棚内部署二氧化碳浓度传感器，实时监测温室中二氧化碳的含量，当浓度超过系统设定阙值范围时，通过无线传输技术将相关数据传送到移动监测车，由相关工作人员做出相应调整。

1.4 风向、风速监测

可以根据需要进行室外风向、风速监测，实时测控数据传入移动监测车。

1.5 分区域检测

为了满足温室实现不同种植作物的需求，将一个棚划分出多个区域进行控制管理，可实现测量不同区域内每个种植区域不同的环境参数，实现不同环境技术指标的控制。在采集数据后，用户可以通过上位机来查询、监测、分析各区域的环境数据。也可以根据不同需要对各个分区进行单独土壤环境控制。

1.6 数据保存

测量的数据可以根据客户需要进行保存，保存时间可以根据需要进行提前设定。

2 系统硬件设计

按照温室大棚种植作物种类，可以将大棚地块进行分区，本项目进行8块区设置，由于测量距离没有特殊要求，采用ZigBee无线传输技术即可实现信息传递的目的，由于该技术组网快捷，功率消耗小，能够快速组建ZigBee测量控制网络，测量的结果通过协调器与RS-485串口与上位机进行连接通讯，采用LABVIEW软件进行采集分析数据，根据数据分析结果比对设置参数要求，通过无线技术远程再控制大棚中执行机构的工作。由于本项目采用无线技术，需要测量4～20mA的传感器信号，其终端传感器和开关量采集卡需要采用蓄电池DC：12V供电。本项目需要测量参数有大气压力、风向、风速、土壤湿度、土壤温度、空气温度、空气湿度、CO2、光照。

2.1 基于zigbee技术的协议

本项采用ZigBee无线通讯模式，实现采集卡通过中继与上位机进行通讯。ZigBee技术是一种低数据传输速率的无线个域网，网络的基本成员成为设备。网络的设备按照各自作用的不同可以分为协调器节点、路由器节点和终端节点[1]。

表1 数据通信格式

图1 集测量控制与一体的采集卡

PC发送以下数据：

0×2头 0×30 0×36 目的ID×300×30 源ID×31层数×31 下行×33工作组

0×31 0×30 0×30 0×30 0×30 0×30 0×30 0×30 0×30命令 继电器数据(8)

0×3尾 0×41 0 39 累加和

Zigbee返回数据：

00 05 00 S01100001T0162016612341234V11.9 A0002095800010002F4

00---目的ID 05---源ID S01100001 S后为8路继电器数据 T0162016612341234 T后为4路温度数据 V后为供电电压值 A后面为4路ADC采集值 F4为累加和

表2 数据内容

表3 25芯插头说明

2.2 电源系统的设计

电源系统分为工控机电源及各个测控终端的电源，电源可以采用电池供电，也可以采用蓄电池供电，本项目工控机电源选择直流12V蓄电池转220V交流电供电，各个中端采用12V蓄电池供电。

3 系统软件设计

3.1 功能介绍

参数设置：根据温室大棚的种植作物的环境要求设置各项测量控制环境指标要求及参数。数据采集：可以实时采集数据信息。数据库建立：通过MYSQL软件建立数据库。数据存储与分析：可以将数据进行存储，并进行调用。控制方式：计算机自动控制与人工控制2种方式自由选择。

3.2 界面功能研发内容

3.2.1 主界面

程序主界面按功能类别分为4个区域：环境公共参数指示区，每个区域地块土壤环境参数显示及功能控制区，功能键控制区，按钮控制区。

3.2.1.1 公共参数显示区

该区域实时显示温室大棚的室外环境的空气温、湿度、风向、风速和室内环境的光照度、二氧化碳浓度、大气压力、空气温、湿度。

3.2.1.2 地块参数及功能控制区

该区域分别实时显示某一地块土壤温湿度的值和变化曲线、地块执行机构的智能和手动控制选择。

图2 主界面

温室共分8个种植地块，根据需要可以选择显示某一地块的实时情况。

3.2.1.3 功能键显示区

该区域主要包括应用程序中的智能控制与手动控制选择、参数设置、数据查询、室内外视频的设置及保存、应用程序的退出。

3.2.1.4 按钮控制区

该区域主要是对温室内的各执行单元机构进行控制，包括滴灌、通风、遮阳棚的开关、保温棚的开关、各个地阀门的控制。

3.2.2 参数设置

参数设置按钮按下后进入以下画面，可以对温室需要控制的参数进行输入，同时设置RS232、RS485的串口、数据采集的时间、多种地块的自动湿度控制限值等。

3.2.3 智能控制与手动控制

智能控制按钮被按下后可以在无人监管的情况下显示测量参数，同时进行数据的记录，并将数据进行分析，与设置的参数进行比较来自动控制温室大棚的各个电气控制量。

手动控制按钮被按下需要人工根据实际情况对温室大棚进行控制，通过电脑并控制风机的启动停止，对灌溉泵、遮阳等各个执行机构进行人工控制。

3.2.4 数据查询

对大棚的测量数据进行定时记录，记录的数据包括时间、风速、风向、光照、二氧化碳、室内温度、室内湿度、室外温度、大气压力、土壤温度1～8、土壤湿度1～8。该记录可实现存储路径的选择、可查询、打印功能，方便对历史数据进行分析。

图3 参数设置

4 程序架构

本项目的上位机程序采用labview程序编写，主体框架采用事件处理与生产者消费者循环组合程序架构，通过队列将程序中发生的事件进行判断，主程序采用状态机架构，通过“初始化”后执行“人工或自动的判断”“存储”“按钮的判断”“显示”“调用数据库按钮状态”，期间如果出现“手动与自动控制”转换事件，主程序将自动跳转去执行相应的控制程序。

对于While循环和分支结构，还有一种更强大的组合模式：允许一个单帧分支结构定义将在While循环内顺序迭代执行的一个或多个分支。这种模式有很多总变通，通常称之为“状态机”和“列队消息处理器”[2]。测量数据保存、预设参数设置作为生产者的事件子程序运行。该项目经过长时间测试没有发现问题，程序运行良好，数据采集基本有效。各个子程序功能均能够正常实现。

SELECT语句是SQL的查询。迄今为止所看到的所有SELECT语句都是简单查询，即从单个数据库表中检索数据的单条语句[3]。通过查询语句可以实现数据库信息的检索。

图5 程序框架

图6 访问数据库程序

5 数据库的设计

如果MYSQL是压缩版的话，需要以管理员身份运行“命令提示符”并安装MYSQL连接和驱动。D：Program Files(x86)mysqlin>mysqld--initialize-insecure--user=mysql，注意安装路径不要用中文字符。安装完后计算机管理中的服务有MYSQL57表示已经启动。

安装完毕后根据电脑的位数安装ODBC，如果是64位安装路径为C：WindowsSysWOW64odbcad32。建立DSN，目的为LABVEIW通过DSN操作数据库MYSQL。

ping服务器地址，如果ping不通就关闭防火墙。

安装控制MYSQL的软件：“navicat”，新建数据库jlau的字符集选utf8—UTF-8 Unicode，排序规则选utf8-general-ci。

单机电脑的程序也需要设置个固定的IP，单机电脑的网络连接属性中固定一个IP，如192.168.3.100，网关是192.168.3.1。这样电脑即使没有网络，程序也可以执行。

安装后常见错误解及解决办法：实时错误“-2147467259(80004005)：[Microsoft][ODBC驱动程序管理器]未发现数据源名称并且未指定默认驱动程序”。问题本质是数据库没有驱动成功，建议重新安装，一般问题是数据库的安装版本和驱动版本不同。

LABVIEW程序语句：

Driver=MySQL ODBC 5.3 ANSI Driver；server=222.168.61.190；DATABASE=jlau；UID=jlau7234；PWD=qwer1234；

update globalpara set value=′1′where code=′penguanbeng′

在移动测试车上的工控机上安装数据库并进行驱动mysql-connector-odbc-noinstall-5.3.7-win32，同时利用navicat.exe对数据库mysql进行设计，将程序运行中的基本参数及变量参数进行保存。

图7 数据库的参数设置

6 结束语

由于移动温室环境测试车的采集信号灵活性，可以有针对性地对不同温室大棚进行自动化管理，减少了人员的劳动成本及负担，该系统可通过自动或手动方式对温室大棚的各种设备进行控制，其中手动方式为按钮控制，自动方式是通过电脑自动控制。同时可针对植物生长的条件对大棚的温湿度等环境条件进行预先设置，达到无人值守的目的。该项目可以根据农业作物情况增加或减少传感器的数量与位置，方便农业生产中翻地、播种、施肥，避免了有线传感器的数量与位置受到限值的影响。在数据处理及分析功能上实现了环境数据的定时采集并存储，通过数据的调用及回放可分析农作物的生长情况与环境条件的关系，为科学种植提供有力的技术数据。在大数据分析时代，谁能掌握最优、最科学的生长数据，谁就掌握了科学种植的钥匙。