温室远程监控技术（精选十篇）
温室远程监控技术 篇1
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。
温室远程监控技术 篇2
关键词：北方寒地；温室环境；PLC技术；MCGS组态技术
中图分类号： TP277.2；S126 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2015）10-0510-03
我国是农业大国，温室作物生产水平相对较低。温室生产过程中，温室温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度等环境因子直接或间接影响温室作物的生长和产量[1]。其中，温度、湿度这2个环境因子影响效果较为显著。温室环境监控系统是在充分利用自然资源的基础上，通过监测并改变环境因子，如温度、湿度、光照度、二氧化碳浓度等环境因子来获得作物生长的最佳条件[2-4]。我国大部分温室集中在北方地区，冬季温度往往低于0℃，必须依靠温室环境监控系统创造适宜的温室作物生长环境。为了满足北方地区现代化农业生产的要求，研究人员设计了温室环境监控系统[5]。该系统可以实现实时对温室环境因子中的温度、湿度进行监测，利用可编程控制器（PLC）处理采集的数据，通过调节相关执行机构自动调节温室环境因子，实现温室环境信息采集[6-7]。系统整体运行稳定性强，温室环境因子调节效果好，整体设计要求合理，能达到增加作物单位产量、改善作物品质、调节作物生长周期、提高经济效益的目的。
1 系统组成
温室作物生长过程中，温室温度、湿度是决定作物高产与否的关键性因素。对于现代农业温室系统来说，最佳的温室调控效果是根据温室作物不同生长期提供适宜的温度、湿度，保证温室作物快速、正常生长。本系统是以PLC为核心的温室监控系统，采用PID控制方式，以MCGS组态触摸屏（昆仑通态公司）为上位机，显示温室当前状态，进行自动控制切换、手动控制，将数据生成实时曲线、历史曲线，完成数据的记录、存储。执行机构主要包括温度控制机构、湿度控制机构。其中温室增温采用低温热水地板辐射采暖技术，通过控制通风装置、遮阳装置调控降温。采用喷灌系统给温室加湿，通风装置降低温室湿度。整个系统构成若干个完整的回路，实现对温室温度、湿度的实时监测与控制[8]。系统组成如图1所示。
2 硬件配置及工作原理
2.1 硬件配置
PLC采用PLC CPU 224XP（福州奈特电子科技有限公司），
该款PLC为国产PLC，完全兼容西门子S7-200 PLC CPU 224XP，具有24个输入点数、16个输出点数、2个 0～10 V 模拟量输入、1个模拟量输出、2个RS 485接口。 西门子EM235模拟量输入输出模块在本系统中作为模拟量输入输出模块采用，其主要作用是将传感器采集到的PLC无法识别的0～10 V 或0～20 mA模拟量转换为PLC可识别的数字信号，执行机构所需要的0～10 V或0～20 mA运行信号是逆过程，从而完成整个数据采集及执行机构控制闭合回路。
温度检测部分选用SBWZ系列温度变送器，分度号为Pt100，精度为0.2%F.S，工作电压为24 V直流电，输出为4～20 mA电流，量程为0～100 ℃，通过与Pt100热电阻连接完成温度检测。输出信号为4～20 mA电流信号。湿度采集部分选用SWR-100土壤水分传感器，输出信号为0～10 V直流电压。温度采集和控制硬件连接如图2所示。
人机交互部分采用MCGS组态触摸屏，与PLC的通信采用RS-232数据传输，从而完成实时状况的显示及相关数据的存储。
2.2 工作原理
本温室环境监控系统中，温湿度传感器将检测到的温湿度值通过温湿度变送器传送给PLC的模拟量I/O，将传送过来的模拟量转换为数字量，并将结果传送给PLC。PLC将检测到的温湿度值与设定值进行比对，并按照设定的控制规律对误差值进行运算，将运算结果通过PLC的模拟量I/O，将数字量转换为执行机构可识别的0～10 V电压信号或0～20 mA电流信號。驱动相应执行机构完成特定动作，从而实现温室环境的实时监测、在线控制。
3 软件设计
3.1 上位机软件设计
上位机软件设计采用MCGS组态软件，MCGS组态软件是基于Windows平台开发出来用于快速构造、生成上位机监控系统的组态软件系统，此组态软件可在Microsoft Windows XP/7等操作系统上运行。能够为用户提供解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集并进行采集数据的存储、处理实时数据和历史数据、危险报警和系统保护安全机制、系统流程控制状态显示、监控画面动画显示、历史和实时趋势曲线的绘制以及企业监控网络等功能。使用MCGS组态软件，在相对较短的时间内，用户可以轻而易举地完成系统运行稳定、监控功能全面、系统维护量小并且具备专业水准的计算机监控系统的开发工作。MCGS具有操作简便、可视性好、可维护性强、高性能、高可靠性等突出特点，已成功应用于石油化工、钢铁行业、电力系统、水处理、环境监测、机械制造、交通运输、能源原材料、农业自动化、航空航天等领域，经过各种现场的长期实际运行，系统稳定可靠[9]。
根据系统要求，人机交互界面设计如下：（1）监控主画面（图3）。显示温湿度传感器检测到的温室温湿度等参数，进行相关参数的设定及专家建议值的显示；进行系统自动控制与手动控制的切换，执行手动控制相关动作；系统出现故障时，进行报警提示并记录相应的报警信息。（2）实时趋势曲线画面。根据实时监测到的温室环境参数生成实时趋势曲线，温室管理人员可方便、直观地观察温室环境各参数的变化趋势。（3）历史趋势曲线画面。根据记录的温室各参数生成历史趋势曲线，并进行数据存储。以便日后农学专家进行相关试验研究，并提出适合温室农作物生长的各项参数最佳值，为温室管理者提供专家意见、管理意见。
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3.2 下位机软件设计
STEP7-Micro/win32是西门子公司专为SIMATIC系类S7-200研制开发的基于Windows平台的应用编程软件。用户可以使用个人计算机创建、编辑、修改程序，STEP7-Micro/win32的图形编辑器可以检查语法的正确与否，并支持在线实时监控用户程序的运行状态，也可以根据用户需要强制执行某个参数或状态。本系统采用此编程软件中的PID功能指令，将采集到的温室环境参数按照采样时间执行PID功能指令，按照PID控制算法规律，根据PID功能指令当时给出的比例、积分、微分数据，计算输出量，并通过相应的执行机构完成温室环境的实时调控，软件流程图如图4所示。
根据温室环境监控系统系统需求、系统组成，将PLC的输入端子、输出端子分配如表1所示。本研究以温度监控部分为例，阐述了 PLC在温度检测和控制上的原理和编程。温度传感器Pt100将检测到温度通过温度变送器SBWZ，信号为4～20 mA电流信号，经过500 Ω电阻，输出信号转换为0～10 V 电压信号，通过PLC自带模拟量I/O将采集到的模拟量转换为数字量，并将处理结果传送给PLC。PLC将检测到温度值与设定值进行比对，如果检测值高于设定值，则通过PLC进行PID运算，降低低温热水地板辐射系统中热水供应管端比例阀的开度，调整冷水混合与热水混合的比例，从而使得流经整个低温热水地板辐射系统的水温下降，达到降低温室温度的目的（图5）。
4 结论
温室环境监控系统是一个非线性、时变大、惯性大的相对复杂的系统，在整个控制因素中，温湿度监控尤为重要，直接影响温室作物的生长和产出。该温室环境监控系统采用PID调节，可通过实际生产经验和专家建议设定PID控制参数，达到最佳的控制效果。该系统整体设计合理，系统稳定性强，控制效果好，超调量小，能够很好地实现对温室环境温湿度进行监测，满足温室作物对生长条件的要求，达到了增加作物单位产量、改善作物品质、调节作物生长周期，提高经济效益的目的。
参考文献：
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[4]王 秀. 多功能智能溫室监控系统设计[J]. 安徽农业科学，2011，39（13）：8086-8088.
[5]高 路. 北方寒地温室大棚自动测控系统设计[J]. 时代报告：学术版，2011（8）：299.
[6]李锡文，杨明金，杨仁全. 现代温室环境智能控制的发展现状及展望[J]. 农机化研究，2008（4）：9-13.
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[8]章海亮，刘雪梅，刘燕德. 温室环境下多变量的控制系统设计[J].农机化研究，2010（4）：147-150.
[9]李 毅. 枕式包装机上位机监控系统设计[J]. 电脑知识与技术，2010，6（13）：3541-3542.耿永志. 农村社会治理的农民参与研究——以垃圾治理为例[J]. 江苏农业科学，2015，43（10）：513-516.
基于GSM技术的温室环境远程监控 篇3
而GSM (Global System for Mobile Communication全球移动通信系统) 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, 且应用最广泛的一种系统。GSM能提供短消息、语音通话、数据通信三大功能, 在一些不需要非常严格实时处理、数据传输量和速度不是很高的测控系统中, 应用GSM短消息功能进行数据传输和控制指令的传输。它具有通讯成本低, 不受通信线路及地区限制、保密性高、可靠性高、抗干扰能力强等特点, 使用方便、灵活, 通讯快捷。
本文阐述一个基于GSM模块无线传输的远程温室环境监控系统, 配用相关的传感器, 利用单片机进行多参数的数据采集和指令响应, 结合内置的无线通信模块和GSM网络, 实现参数的自动采集与无线传输, 降低了测量的工作量、节约成本、提高效率。本文重点给出远程温室环境监控系统的实现方法和软件设计。
1 系统组成及工作原理
1.1 系统组成
本系统基于G S M技术, 采用计算机与单片机之间的无线通信方式工作, 主系统由中心站系统和测控基站系统组成。中心站系统包括服务器及应用软件、GSM模块、数据库系统;测控基站系统包括单片机系统、传感器、GSM模块。
1.2 系统原理
集中监控中心由一台装有主站监控软件的PC机和通信装置组成, 通信装置与PC机通过串口连接。主站读取GSM设备接收到的短消息从而获得远端传来的测量数据, 包括温室内的空气温度、空气湿度、光照度和空气中二氧化碳浓度等信息, 并且可以发送控制指令并通过GSM设备转换为短消息, 被远端控制设备接收 (或报警时将短消息发送给远端工作人员手机) 。从而实现远程监控温室环境的目的。
2 硬件设计
2.1 控制中心站
中心站包括P C机和G S M通信模块。G S M通信模块采用德国S I E M E N S公司的GSM专用调制解调器TC35, 它可以工作于双频段EGSM900/GSM1800;具有语音、数据、短消息和传真传送功能;带一个RS-232接口;工作电压范围达8~30V, 在仅传输数据时, 电压范围为5.6~3 0 V;支持GSMphase2/2+;支持AT命令;具有标准的工业接口和完整的SIM卡阅读器。
2.2 信息反馈基站
基站包括单片机系统、GSM通信模块、传感器。单片机采用美国TI公司生产的MSP430、F149系列。其主要特点有:低电压、超低功耗;16位RISC结构, 简洁的27条内核指令和高效的查表处理方法;内置高精度A/D转换器、看门狗定时器、TimerA/B, 具有串行同步异步通信接口USART, 允许7位或8位串行位流以预先编程的速率或外部时钟确定的速率移入移出MSP430F149;通过设定波特率来实现与TC35的串行通信。
3 系统软件设计
本系统的重点就是解决监测中心站与远程监测分站的远程无线通信问题。系统中采用G S M无线通信模块T C 3 5实现两者的数据通信, GSM无线通信模块TC35通过AT命令来进行控制, 数据传输采用短消息方式。因此下面主要对G S M的AT指令、监测中心站和远程监测分站短信的收发程序进行介绍。
3.1 GSM AT指令基本介绍
单片机和GSM引擎之间采用AT指令实现相互之间的通信, 单片机发出的AT指令用来建立通信链路, AT指令集的命令格式帧都以AT开头, “AT”或者“at”的前缀必须出现在每一个命令行的开始。
3.2 监控中心站短消息发送程序
短消息收发程序通过AT命令实现。发送短消息时, 先将短消息中心号码、对方号码、短消息内容编码成PDU格式, 然后计算出短消息的长度, 发送A T+C M G S=<1ength>
3.3 监控中心站短消息接受程序
短消息接收使用定时器周期性串口查询方式。短消息到达后, 计算机接收到指令
3.4 远程监测分站设计
远程监控分站的主要任务是通过A/D进行转换并处理外围传感器采集的数据;显示接收到的短消息 (控制指令) ;通过键盘按键触发发送实时数据给监控中心或管理人员;控制GSM无线通信模块TC35接收和发送短消息。用单片机接收和发送短消息与PC基本相同, 不同之处在于要将PDU格式的短消息以ASCII码的形式发送给GSM模块TC35。单片机控制TC35接收和发送短消息是通过RS232的串口通信实现的。在监测中心站中已经给出接收和发送短消息的程序流程, 在此不再赘述。
4 结语
本文给出了一套基于GSM短信息的温室远程监控系统的体系方案及其模块功能, 论述了利用短消息实现远程通信的具体方法。实现了对温室数据进行远程采集和处理功能, 并通过GSM通信模块TC35与监测中心站通信, 能够实时了解设备状态, 控制设备, 可以充分发挥自动仪器的功效, 节约成本, 提高效率, 有很高的推广价值和市场前景。
摘要：利用覆盖全国大部分地区的GSM网络资源, 发挥网络覆盖率高, 传输特性好等优势, 配置相应的传感器, 及时采集温室环境中的各种数据, 然后把各数据采集终端的监测数据发送到监控中心, 并进行相应的数据处理, 在第一时间利用短消息方式发送到用户手机上, 从而让管理人员足不出户就可以掌握温室环境的第一手资料, 为正确做出决策提供了有力帮助。本文重点设计了一个基于GSM短信新温室远程监控的系统, 并给出了系统结构, 软硬件的设计, 并着重论述了利用短信息实现远程通信的方法。该系统具有结构简单、工作可靠、安装方便等特点, 同时该系统的成功运行证明了短信息应用于温室环境监测是可行的。
关键词：GSM,短消息,远程监控,温室
参考文献
[1]彭桂兰, 张学军, 张新东.温室环境计算机测控技术的研究现状和发展趋势[J].现代化农业, 2002 (5) :9～11.
[2]郭丙君, 俞金寿.基于GSM的远程监控系统[J].自动化仪表, 2004, 28 (5) :5～7, 66.
[3]朱光喜, 张耀华.如何解析GSM短消息[J].通信技术, 2003 (3) :54～56.
温室远程监控技术 篇4
关键词：温室监控；无线传感器网络；ZigBee
中图分类号：TP273+.5 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2012）10-0019-06
温室是一个相对封闭的环境，其自我调节能力有限。为满足农业生产的要求，需要对温室各项环境参数进行人为调控，以便创造一个更加适合作物生长的环境。建立温室监控系统，对温室环境信息进行监测和控制，成为实现温室生产自动化和高效化的关键手段。传统的温室监控系统基于有线通信方式，存在诸如布线复杂、维护困难、传感器节点不能灵活部署等一系列问题，在一定程度上限制了温室监控系统的普及应用。随着现代信息技术的快速发展，WiFi、蓝牙、UWB、RFID、ZigBee等多种无线通信技术相继出现。其中，WiFi、蓝牙等由于成本高、功耗大等缺点，无法在温室监控领域大规模推广应用；而基于ZigBee的无线传感器网络作为一种全新的信息获取技术和处理技术，具有节点规模大、體积小、成本低、自组网等特点，在农业环境监测领域具有广阔的应用前景。
本研究针对当前温室环境监控系统存在的问题和不足，设计了一种低功耗、低成本、组网灵活、人机界面友好、可方便进行现场和远程管理的温室环境信息无线监控系统，并进行了成功应用。
1 系统总体设计
1.1 系统需求分析
温室环境具有昼夜温差大、空气湿度大、气体交换能力差、光照强度弱、土壤酸性强等特点，温室内种植作物种类较多且呈生长动态变化，监测面积大、监测参数多。此外，温室生产对监控系统的总体应用成本和系统可靠性也比较敏感。通过调查分析，当前大多数温室监控对环境参数的采集需求集中在空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、CO2浓度6项因子，除此之外，少数温室还需要采集营养液EC值、pH值以及室外天气因子等信息；传感器节点数量应可随意增减，并可根据作物生长、种类更替或温室空间结构变化等的要求随时改变自身位置而不影响系统的正常运行；系统应界面直观、分析全面、使用方便，且应用成本较低等。
1.2 系统总体结构
结合温室监控系统的特点和上述功能需求，本研究将无线传感器网络技术、ZigBee技术和嵌入式技术有机结合，设计了基于ZigBee无线传感器网络的温室监控系统。整个系统的层次结构如图1所示。
系统总体上由监控节点、网关节点、上位机系统三层组成。监控节点包括传感器节点和执行器节点，部署在温室监控区域，并通过ZigBee协议自动组建统一的无线传感器网络。各传感器节点将实时采集的温室环境数据以多跳路由方式汇集到网关节点，各执行器节点实时接收由网关节点发送来的控制命令，并控制风机等执行机构。网关节点可通过串口方式实现本地通信，也可通过以太网、GPRS等方式实现远程通信，为监测数据和控制数据的上传下达提供支持。上位机系统提供用户操作界面，实现用户与系统的管理交互操作。
2 监控节点设计
2.1 节点硬件设计
监控节点是构成温室监控系统的基础，是承载无线传感器网络的信息感知、执行控制及网络功能的基本单元。按照任务分工的不同，监控节点分为传感器节点和执行器节点两种。
2.1.1 传感器节点 传感器节点硬件设计的核心是微处理器芯片。节点微处理器在无线收发模块的协作下完成数据采集、数据处理、无线通信等功能。本研究设计的无线传感器节点硬件结构如图2所示。节点的硬件设计重点考虑了低成本、低功耗、稳定、可靠等因素。
（1）CC2530：综合考虑成本与性能等因素，选择集微处理器模块和无线收发模块于一体的单芯片解决方案CC2530。CC2530是由美国TI公司推出的用于IEEE802.15.4和ZigBee应用的片上系统，也是目前众多ZigBee设备产品中表现最为出众的微处理器之一。其主要特点如下：片内集成增强型高速8051内核，支持最新ZigBee2007 PRO协议；支持2.0～3.6 V供电区间，具有3种电源管理模式：唤醒模式0.2 mA、睡眠模式1 μA、中断模式0.4 μA，具有超低功耗的特点；高密度集成化电路。基于CC2530设计的节点只需极少的外围电路即可实现数据的采集及发送，极大地提高了系统的可靠性并降低了系统功耗。
（2）传感器：在传感器选择方面，要求具备较高的精度及较低的功耗。本设计共采用了5种传感器，其技术参数分别为：SHT11数字温湿度传感器，检测电流0.5 mA，待机电流0.3 μA，温度精度±0.5℃，湿度精度±3.5%RH，接口为I2C总线；ISL29010数字光强传感器，检测电流为0.25 mA，待机电流0.1 μA，测量精度±50 lx，接口为I2C总线；H550数字型CO2传感器，工作电流15 mA，精度为±30 mg/L，接口为I2C总线；SLST1-5数字型土壤温度传感器，测量电流1.5 mA，待机电流1 μA，测量精度±0.5℃，接口为单总线；FDS100模拟型土壤湿度传感器，工作电流15 mA，精度小于等于3%，输出为模拟信号。上述传感器中，除FDS100模拟型土壤湿度传感器外，其余均可挂接在I2C数据总线上。
2.1.2 执行器节点 执行器节点可根据上位机的控制指令对温室内的风机、遮阳帘等设备进行开关控制。执行器节点包含了驱动器电路，但不包含传感器电路，除此以外，执行器节点与传感器节点的硬件结构大致相同。执行器节点的驱动电路主要用于控制与执行机构相连的电磁阀等开关设备，可输出多路高低电平控制信号。数据通讯采用主从方式。
2.2 节点软件设计
本研究中传感器节点的片内程序基于Z-Stack协议栈开发，开发环境为IAR7.51A。Z-Stack是TI公司于2007年4月推出的ZigBee协议栈，由于全面支持ZigBee2006与ZigBee PRO特性集，并符合最新智能能源规范，得到了业界的普遍认可和广泛应用。该协议栈中提供了一个名为操作系统抽象层（OSAL）的协议栈调度程序。对于开发者而言，除了能够看到这个调度程序外，其它任何协议栈操作的具体实现细节都被封装在库代码中。在进行具体的应用开发时，通过调用协议栈提供的API函数接口即可完成相应操作，如网络设备初始化、配置网络、启动网络、发送采集数据、接收控制命令等，实现分布在多个温室中的无线监控节点的自组网络。此外，在节点软件开发中，为了进一步降低节点功耗，设计了灵活方便、可动态配置的定时采集数据、定时休眠及唤醒等功能。
3 网关节点设计
3.1 网关节点硬件设计
网关节点是实现无线传感器网络与外部通信网络之间协议转换的关键设备。它不仅具备数据传输功能，还具备设备管理功能，用户通过网关节点可以管理底层的各监控节点，了解各节点的相关信息，并实现远程控制。本研究在进行网关节点设计时，遵循了模块化的设计思想，将网关系统分为数据汇集模块、处理/存储模块、接入模块和供电模块，如图所示。
本设计基于S3C2416核心板，建立了无线传感器网络网关节点的硬件平台。网关节点硬件结构如图3所示。
3.1.1 数据汇集模块 即无线传感器网络中的协调器节点，实现温室环境数据的采集和汇聚。在本设计中，数据汇集模块和处理/存储模块之间的接口类型采用UART方式，通过串口进行数据通信。
3.1.2 处理/存储模块 是网关节点的核心模块。S3C2416核心板集成了基于ARM926EJ内核的Samsung S3C2416XH-40处理器，主频400 MHz，另外还集成了512MB DDR2 SDRAM和128MB Nand Flash，并提供了丰富的外围设备接口，从而最大程度地减少了系统开发成本，非常适合嵌入式设备高性价比、低功耗的需要。
3.1.3 接入模块 主要采用以太网的方式将网关接入外部網络。核心板集成了SMSC公司的本地高速以太网芯片LAN9220，在操作系统支持下可实现以太网数据传输。网络变压器采用HR601680，其主要作用是匹配阻抗、增强信号以及实现电压隔离等。另外，GPRS作为可选方式，采用Siemens公司的MC37I模块。
3.1.4 供电模块 负责网关节点的电源供给。此处设计的电源模块兼有热插拔和电压转换功能。供电方式包括市电、太阳能、蓄电池等。
3.2 网关软件平台设计
Linux是一种免费的、快速高效的操作系统，以代码开放、功能强大而又易于移植成为嵌入式操作新兴力量。嵌入式Linux是按照嵌入式操作系统的要求设计的一种小型操作系统，由一个内核以及一些根据需要进行定制的系统模块组成，其内核很小，同时具有多任务多进程的特征，非常适合于移植到嵌入式系统中去。本设计即是在S3C2416目标平台上移植了Linux2.6内核及相关驱动，并使用开源的LwIP协议栈替代了Linux系统的TCP/IP协议栈。之后，在嵌入式Linux和LwIP的基础上进行了网关节点应用层程序的设计。主要实现两个主要功能：通过Web服务器对网关节点进行配置；通过Modbus/TCP协议将Modbus串行通信链路与以太网相连。
3.2.1 Web服务器功能设计 在网关配置模式下，网关节点将作为Web服务器，而客户机则是任意一台使用交叉线与网关RJ45接口相连的计算机。
网关复位启动后，操作系统将启动Web服务。客户机通过浏览器向网关发出HTTP的GET方法的请求。网关收到该请求后对请求消息中的方法字段进行判断。若是GET方法，则表示是第一次请求，将固化在片外Flash中的Web页面和网关的配置信息返回给客户机。用户完成参数配置后点击提交，客户机向网关发出POST方法的请求。网关擦除片外Flash中原有的配置信息，然后写入新的信息，从而保证网关的配置在复位后不会丢失，配置信息在网关重启后生效。
3.2.2 Modbus/TCP协议转换功能设计 网关复位启动后，首先进行一系列初始化工作，最后启动Modbus服务器，以实现Modbus/TCP帧与串行链路中的Modbus RTU帧之间的转发。当客户机进行查询时，首先会向网关的502端口发起连接请求，网关执行中断服务程序，唤醒处于等待状态的Modbus服务器，并与之建立TCP连接，客户机随之发送一个Modbus/TCP请求帧并等待响应。网关对帧进行分析处理，最后生成一个Modbus RTU格式的查询帧并发送到串行链路中去。之后若收到串行链路上的RTU响应帧，则将该帧封装成Modbus/TCP应答帧，发送给以太网的客户机并断开连接。
4 上位机系统设计
上位机系统是用户进行温室日常管理所实际操作的软件平台。本设计在VS.NET开发环境下，基于SQL Server数据库和C#语言编写了温室环境信息监测系统管理软件，用以完成传感器节点管理和温室环境数据管理。主要功能如下：
（1）实时监测：用户可以集中查看温室现场最新的环境参数，以及现场风机、水泵等控制设备的运行状况，并可在当前界面进行控制调节，方便了用户的操作。
（2）历史数据：所有历史数据均存储于数据库中，用户可以通过多种方式对监测的数据进行查询，也可以将某时间段的历史数据生成曲线图，更加直观地反映温室环境的变化。
（3）设备控制：包括自动控制和手动控制两种模式。在手动模式下，用户可远程控制风机等设备的开关。在自动模式下，可根据环境监测参数自动调节风机等设备的开关。
（4）报警管理：用户可以定义多级报警条件，并可查看所有已设报警的详细信息。在报警条件中，用户可指定报警时的操作，如启动警报器、打开风机等设备以及发送报警短信通知等。
（5）节点管理：包括节点ID、节点位置、传感器类型及参数、采样周期、运行状态、更新时间等属性的显示和配置。用户可随时掌握现场所有监控节点的工作状态，及时发现设备故障。
5 系统应用
5.1 节点部署方案
本研究设计的系统在济南现代农业科技示范园的1#温室内进行了应用。在该温室蔬菜种植区内共放置了12个节点，其中传感器节点10个，执行器节点2个。此外，在温室管理区布置了1个网关节点。空气温湿度传感器、光照强度传感器、CO2传感器均和相应的传感器节点集成于一体，而土壤温湿度传感器则分别通过电缆与传感器节点相连，另一端插入土壤约8 cm，电缆长度1.5～2.0 m。各传感器节点通过固定支杆或悬绳倒挂的方式置于监测位置，节点离地高度一般为1.2 m左右。传感器节点均采用1节1#电池供电，执行器节点及网关节点采用直流供电。
5.2 系统应用情况
部署节点之间的通信距离平均约为20 m左右，监控节点与网关节点的最近距离约在100 m左右。经安装运行，网关启动后，节点绑定和自组织网络建立平均所需时间小于1 min。传感器节点采样频率设置方案为：空气温湿度2 min，土壤温湿度10 min，光照强度3 min，CO2浓度30 min。各节点在完成数据采集、发送之后，将自动进入休眠状态，直至下一个采样周期唤醒。经实际测试，系统可支持传感器节点的动态调整，新增节点、撤销节点或临时改变节点的位置时，整个无线传感器网络的运行没有受到影响。在上位机系统中，能够实时接收和显示由传感器节点采集来的温湿度、光照强度、CO2浓度等环境数据，并且可以查看各节点的实时运行状态。当采集的环境参数超过报警阈值时，若控制模式设置为自动控制的情况下，可根据报警处理规则自动启动相应的执行机构，实现温室环境的自动调控。
6 结语
本研究在調查当前温室环境的特点、应用需求以及分析现有监测系统存在问题的基础上，基于无线传感器网络和嵌入式技术，设计开发了一种基于无线传感器网络的温室环境信息无线监控系统。该系统能够实现传感器节点快速自组网以及对各种温室环境因子的实时采集、传输、显示，并可根据监测情况对相应的执行机构进行控制。通过网关节点系统和上位机系统可实现对各种传感器节点和温室环境数据的有效管理。系统具有低成本、低功耗、无需布线、组网灵活、人机界面友好等优点，很好地克服了传统温室监控系统存在的问题。该系统在农业示范园区进行了实际应用并取得良好效果，表明系统总体上技术成熟、性能可靠、适应性强，具有较高的应用价值和广阔的推广前景。
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温室远程监控技术 篇5
关键词：远程监控,GPRS,CC-Link总线,温室控制
0 引言
随着我国城镇化建设的推进、农村富余劳动力的转移与土地流转速度加快,必将推动我国设施农业的现代化和自动化。设施化农业的不断发展,对温室大棚环境控制系统的要求也越来越高,这些不但要求控制系统能够实现对作物生长环境的众多环境因子的检测和控制,还要能够实现数据的存储、管理与分析的智能化管理[1,2,3,4]。
温室环境因子一般包括:温度、湿度、CO2浓度以及光照度等。这些量的采集仅仅依靠人工管理会出现调节不及时、不准确等问题,影响植物的正常生长,工作效率比较低。温室农业具有地域广阔、偏僻分散、相对距离较远等特点,要实现对分散在各地的温室进行状态监控,并对现场环境信息和作物生长状况,进行优化管理和控制,没有一个远程分布式监控系统是很难实现的[5,6]。基于上述特点,针对农业温室环境的要求,提出了一种基于总线技术和GPRS远程监控系统设计方案。
1 总线及GPRS的技术特点
1.1 CC-Link现场总线功能及特点
CC-Link(Control and Communication Link,控制与通信链路)是亚洲地区的现场总线,具有通信速度快、数据容量大、通信稳定性高、维护方便等特点。同时,其具有备用主站功能、从站脱离功能、自动上线恢复功能、在线更换功能、通信自动恢复功能、网络监视以及网络诊断等功能。CC-Link不仅支持处理位信息的远程I/O站,还支持以字为单位进行数据交换的远程设备站及智能设备站。
CC-Link的特点:可以减少配线,提高效率,每个模块都可以被分配或安装在设备中;高速的输入输出响应,其通信速度可达10Mbit/s,并且响应时间快,可靠和具有确定性;主站与从站(远程站)之间的距离最长可达1.2km(156kbit/s),通过使用中继器或光纤中继器,最大可延长至13.2km;从站断开功能,即使一个模块系统因停电而失效不会影响其他正常模块的通信;自动复位功能,即自动加入数据链接;提供了一个可以信赖的网络系统,即使出现故障也可以帮助用户在最短时间内恢复网络系统[7]。
1.2 GPRS通信技术
GPRS(General Packet Radio Service,通用分组无线业务)是一种基于数据包的无线通信服务。它使用分组交换技术,通过在GSM系统上增加SGSN和GGSN实现无线分组交换数据业务,在无线接口上是采用了动态信道分配方式,所以仅在有效数据通信时才占用物理信道资源,即按需分配信道资源。信道是共享使用的,在需要时才有包产生,因此既可以长时间保持在线,又没有占用信道,比专用的连接要节省资源[8,9,10]。
GPRS数据通信是基于数据分组传送的,支持中高速数据传输,数据传输速度可达171.2kbit/s;能提供连续不断的数据通信业务,并永远在线,用户随时都可与网络保持连接;通信费用是按流量计算,即根据客户接收和发送数据包的数量来收取费用;不受地域限制,覆盖范围广,很少存在盲点,是一种经济便捷的通信方式,可以实现灵活的信息网络传输[11,12,13]。本系统的远程监控是通过GPRS通信与互联网来实现的,现场控制终端与GPRS模块连接,通过GPRS模块将现场数据传送至服务器,监控中心通过互联网访问服务器从而实现远程监控。GPRS模块上采用TCP/IP协议进行双向数据通信。
2 温室环境远程监控系统的总体结构设计
2.1 远程监控系统的功能描述
该温室环境远程监控系统采用无线通信模块对现场设备站的数据(温度、湿度、CO2浓度、风速以及光照度等参数)进行采集和远程控制,通过人机界面或上位机对温室内的相关参数进行设定,并将设定值与读取值进行比较运算,运算结果用于控制远程设备站的执行器如:加湿器、CO2发生器、供暖器、遮阳网、补光灯、窗户开启以及通风装置等。控制系统的总体设计架构,如图1所示。
2.2 远程监控系统的组网及其功能
根据控制要求,设计网络结构如图2所示。系统主要由GPRS无线通信模块、基于总线的PLC、现场操作站、远程访问系统、环境因子采集模块及执行控制设备等组成。PLC不断从现场采集数据,并由GPRS DTU通信模块通过RS232C串口将数据进行读取,发送到远程服务器;远程监控上位机通过访问该服务器,来读取和写入相应的信息。
GPRS DTU模块上串口的波特率、数据位、校验位以及停止位,其设定值应与主站PLC串口参数一致,就可以将现场设备站发往串口的数据通过GPRS网络传送到Intemet网络,然后再通过远程服务器将数据传送到远程监控上位机上。GPRS DTU端与服务器端的通信和协议转换的过程示意如图3所示。
2.3 控制系统硬件设计
2.3.1 PLC控制单元
总网控制PLC采用三菱FX3G-40MT的PLC,不仅具有高速的计算速度而且还便于扩展其功能。主站通信模块为三菱FX2N-16CCL-M。该模块作为主站和各个从站之间的通信,其扫描速度高达125ms。
远程设备站采用FX3G-48MR作为过程控制的中心控制单元,通过扩展模块FX2N-32CCL将远程设备站连入CCLINK网络,并与模数转换模块相连接来采集现场环境参数。
远程I/O站采用的是AJ65SBTB1-16D,作为远程数字输出端,来控制部分机械功能。
2.3.2 人机界面操作站
现场操作站选用Tinkpad-L330/Core i5.2.5G/4.0G/320G作为主计算机,配置19寸液晶显示器、打印机、UPS电源,操作站上安装组态王6.55组态软件,实现对现场设备状态的数据监控和视频监控功能。
现场配备有GOT1000/5.6英寸触摸屏,利用GT Designer3组态软件进行组态,通过RS422与总网控制PLC相连接。
2.3.3 GPRS模块及通信参数设置
采用了无线通信WG-8010 GPRS DTU模块,GPRS通信参数配置过程分为4步:选择通信协议;设置服务器地址和端口号;选择工作模式;设置DTU串口通信参数。通信协议采用的是北京天同诚业科技有限公司基于TCP/IP协议开发的Comway通信协议,其与COMWAY DATA-SERVER通信服务器建立连接,具体配置如图4所示。
3 上位机远程组态监控设计
上位机远程组态监控设计是基于组态王6.55版本软件设计的。组态王软件是融过程设计、现场操作于一体的工业监控软件,用户可以实时获得系统的信息。
3.1 组态软件与现场设备的通讯
现场设备采用的是三菱FX 3G PLC(在扩展口已加装了一块FX-3G-232-BD通讯模块),通过上位机与互联网的链接来监控与无线通信模块相连的现场设备。设备通讯的实现需要配置I/O通信,组态王通过I/O通道和PLC(在组态王中被称为“设备”)建立通讯,读写被监控的PLC数据;组态王所在的计算机和PLC作为通信的双方,需要各自配置相同的通信参数,才可以进行通信。现场控制器PLC的通信参数:波特率9 600,偶校验,数据位7位,一个停止位。因此,只需要对组态王所在计算机的串口配置相同的通信参数即可。
3.2 上位机组态监控的设计
通过建立数据库变量,然后将I/O变量与数据库变量进行关联,在变量组中选择所对应的软元件。依据控制要求设计完成的主监控画面如图5所示。
在运程监控画面中,可以实现对温室环境因子的采集和控制,通过输入设定值、环境平衡等参数,方便操作人员的操作管理;同时,可以监视现场设备运行状态,如工艺画面、报警记录、操作日志及报表输出等。
4 结论
基于虚拟仪器技术的温室监控系统 篇6
智能温控是近年来逐步发展起来的一种资源节约型高效农业发展技术,它是在普通日光温室的基础上,结合现代计算机自控技术和智能传感技术等高科技手段发展起来的,在计算机综合控制下提供与季节无关的适合作物生长的环境,以实现各种作物的优质、高效和低耗的工业化生产。
对温室环境进行控制,就是要实现能量消耗最少、作物产量最高和质量最好等多目标优化控制。利用信息传感技术和数据采集技术获得温室内生态信息,进行数据处理,从而指导施肥灌溉控制管理和温室管理的自动化、智能化与精准化,是实现这一目标的重要环节。
传统温室监控系统由硬件仪器来完成。本监控系统功能的实现采用虚拟仪器技术的思想,将传统的仪器硬件功能集成,即将硬件软件化。该系统能够对温室中的作物进行实时监控,并为其提供一个适合发育的环境,使温室环境达到最优,从而达到高产、高收和抗病虫害的目的。
1 监控系统设计
本系统采用传感器模块对温室内的湿度、温度、CO2、土壤水分、光照和水流量等参数进行实时监测,使温室内的环境接近人工理想值,以满足温室作物生长发育的要求。该系统由中央计算机、传感器和温室控制执行机构等3部分组成,如图1所示。
数据采集卡将采集来的与农作物生长有关的环境参数,如温度和湿度等主要信息,经A/D转换后变成数字信号,计算机接收该信号,完成数字处理。中央计算机用来进行温室数据的处理,将温室信息实时显示和存储,并且根据数据处理结果对温室进行控制。
2 虚拟仪器软件开发简介
本系统采用虚拟仪器技术(Virtual Instruments),充分利用计算机及其网络资源,将监控、分析和显示功能集成于计算机平台,将典型的硬件仪器软件化,形成温室监控系统,有目的的对温室环境参数进行控制,并以此虚拟仪器为基础构建温室远程监控系统。虚拟仪器的前面板界面接近于真实仪器面板,其功能及显示更加灵活,丰富多样。操作如同面对真实仪器,用户只需点击鼠标即可完成所有测量、控制和分析工作,且依据实际需要可进一步方便地扩展仪器功能,这只需要软件编程即可实现,实现了从仪器控制向软件控制的质的飞跃。
虚拟仪器开发平台Lab VIEW用于虚拟仪器开发时,程序一般包括如图2所示的几个部分。
2.1 用户界面
在利用Lab VIEW编程时,编程的面板被称为虚拟仪器的后面板。当在后面板上用图表和连线写程序的时候,虚拟仪器的用户界面同时在另一个面板上生成,这一面板被称作虚拟仪器的前面板。通过用户界面,使用者就可以很方便地操作虚拟仪器,而不是研究这台虚拟仪器的内部程序是如何实现的。
2.2 数据采集
数据采集卡选用台湾凌华的DAQ2010多功能数据采集卡。该卡主要技术特性为:32位PCI总线,即插即用;14位A/D分辨率;4通道同步模拟输入;采样频率最高可达2MHz;将数据采集卡直接插入计算机PCI扩展槽可方便的对信号进行采样。
2.3 数据分析
完成数据采集后,需要对数据进行分析和处理,为温室控制提供依据。
2.4 数据存储及读取
通常经过分析、处理的数据需要进行存储和管理,方便用户查询及调用。Lab VIEW提供了数据文件的存储和读取功能以及与数据库的接口函数。
2.5 程序控制
程序控制使数据采集、数据分析、数据存储与读取及用户界面保持一致。它包括管理程序执行流程的控制逻辑与用户定义的功能函数。
3 监控系统软件设计
3.1 开发工具
本系统采用可视化编程语言Lab VIEW7.1作为开发工具,结合本身自带的将数据写入电子表格文件,以便可以将数据以ASCII码格式保存到一个新的文件中,然后对温室环境的调节进行必要的人为控制,实现温室环境参数优化管理。可以用一个电子表格程序打开该文件,从而可以准确地反映出温室信息。系统软件结构图如图3所示。
3.2 模块功能
实时显示模块实现温室环境参数的实时监视。历史数据以文件形式记录温室环境参数的变化,并以数据表格和曲线图等多种可选方式显示;身份验证模块实现系统操作人员的权限控制。通过监视温室历史与实时环境参数,对温室环境的调节进行必要的人为控制,实现温室环境参数优化管理。
4 数据分析
通过硬件进行通道选择和传感器类型设置,可在一台主机上监控整个温室几种参数的情况,并将数据进行保存以供处理,分别将湿度传感器和温度传感器在标准湿度与温度下进行多次测量,记录测量结果如表1和表2所示。通过对比可知系统具有较高精度,已应用于温室监控。
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5 结束语
目前,我国农业正处于从传统农业向以优质、高产和高效益为目标的现代化农业转化的新阶段。环境控制工程作为农业生物速生、优质和高产的手段,是农业现代化的重要标志。本文介绍了使用虚拟仪器技术实现温室监控控制系统的设计,其设计的思路是采用一台远程计算机监控多个中央控制机。每台中央控制机监控多个子系统,子系统采集到温度、湿度、光照和二氧化碳浓度等信息,然后进行融合处理,为温室调节提供依据。
由于虚拟仪器的核心是软件,所以采用虚拟仪器技术构建监控平台,具有开发效率高、可维护性强的优点;其测试精度高,节省成本,便于设备更新和功能转换与扩充,因此虚拟测试仪在测控领域内有着很好的发展前景。
摘要：利用LabVIEW开发平台设计了基于虚拟仪器的温室监控系统,其基本思想是将传统的硬件仪器监控系统通过虚拟仪器技术来实现。为此,介绍了温室监控系统的组成及工作原理。该系统可完成温室内的温度、湿度、光照和CO2等参数的采集。通过监视温室历史与实时环境参数,对温室环境的调节进行必要的人为控制,实现温室环境参数优化管理。该系统具有分析效果好、投入成本低和功能易扩展等优点。
关键词：温室监控,虚拟仪器,LabVIEW,数据采集
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温室远程监控技术 篇7
1 该系统主要硬件的介绍
1.1 arduino
Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台, 包含硬件 (各种型号的Arduino板) 。Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境, 通过控制灯光、马达和其他装置来反馈、影响环境。板子上的微控制器可以通过Arduino的编程语言来编写程序, 编译成二进制文件烧录进微控制器[1]。
1.2 zig Bee模块
Zig Bee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗区域网络协议。根据这个协议规定Zig Bee技术是一种短距离, 低功耗的无线通信技术。其特点是近距离, 低复杂度, 自组织, 低功耗, 低数据速率, 低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域, 可以嵌入各种设备。Zig Bee可以工作在2.4GHZ, 868MHZ和915MHZ三个频段上, 分别具有最高250kb/s, 20kb/s和40kb/s的传输速率它的传输距离在10到75m的范围内。Zig Bee节点所属类型主要有三种, 分别是协调器, 路由器, 终端。同一个网络中至少有一个协调器负责各个节点地址分配理论上可以连65536个节点[2]。
2 系统总体设计
无线传感器采集节点能够通过大量的传感器节点的相互协作, 实时采集监测对象的信息, 然后将采集到的信息用无线模块发送出去, 并以自组多跳的网络形式传送到服务器, 最后客户可以通过手机电脑等设备远程查看和控制。其结构如图1所示。
图中的传感器采集节点主要是Arduino作为底板和Zig Bee无线模还有各个传感器组成传感器采集节点。本系统采用Zig Bee协议进行优化配置[3]:实现Zig Bee网络中的四种节点 (协调器节点, 路由器节点, 终端节点, 控制节点) 应用程序与Zig Bee协议镶嵌, 从而完成节点之间的成功组网和数据的无线传输, 最终为设备实时监测与控制系统提供基础通讯平台。
3 采集节点设计
采集节点可以采集空气湿度, 土壤湿度, 温室光照强度及二氧化碳浓度等环境因子。大气温湿度和光照强度以及二氧化碳浓度是影响作物生长的最主要因素, 因此, 将空气的温湿度, 光照以及二氧化碳浓度传感器作为系统的基本装备元件, 其余传感器可以根据不同的温室环境需求来进行扩展。采集节点选用Arduino作为微处理器, 为了实现监测参数的扩展我们采用了Arduino和Arduino扩展板连用已达到增加I/O口, 主板主要实现数据处理, 无线传输等功能。采集节点结构简图如图2所示。
大棚内的环境参数主要是通过无线传感器网络终端节点进行采集。由于系统采用模块化设计, 各模块之间的设计基本相同, 因此每个数据采集节点对环境信息的采集过程是相通的。终端节点采集数据的流程图如图3所示。
4 控制节点设计
控制节点主要是用来接受上位机发来的控制命令并执行命令, 以控制设备的启动与停止。控制节点通过控制固态继电器来控制交流接触器, 最终控制设备的启动与停止。设备状态信息通过继电器的常开触点采集, 触点闭合表明设备启动, 触点断开表明设备停止。控制节点可以控制风机, 遮阳帘, 加湿器, 加热器等被控设备。并采集设备状态信息。控制节点的微处理器采用Arduino, 其结构框图如图4所示。控制节点主要包括微处理器模块, 电源模块。
控制节点正常启动时, 打开串口, 设置好Zig Bee协调器的信道和ID号, 初始化协调器, 节点加入网络成功后, 当串口接收到来自处理器的相关命令时微处理器同样通过指令来控制该节点的被控设备, 控制节点总流程图如图5所示。
控制节点有5V和3.3V两个电压等级。节点的主要供电方式为5V, 由太阳能供电系统提供。Arduino控制板和固态继电器需要5V电压, Zig Bee模块需要3.3V电压。由于控制节点是强电与弱电的结合使用, 为防止强电与弱电之间相互干扰, 供电部分设计了稳压电路, 此电路一方面将强电与弱电隔离, 另一方面将弱电电压稳定在5V。
5 太阳能供电设计
温室大棚要实现准确控制作物生长情况, 就需要检测节点较多, 如采用常规的的电源供电方式需要架设电线, 由于温室内环境的影响, 电缆在高温高湿度的环境中极其容易腐蚀因此使用周期短效果差。温室的结构特点决定了其内部光辐射量强, 有利于采用太阳能供电方式来提供电力供给, 从而避免大量电缆架设, 采用该供电方式有利于能源节约[4]。太阳能供电系统, 由太阳能电池板, 太阳能控制器, 蓄电池组成, 太阳能电池板将光能转换成电能储存在蓄电池中以提供检测节点和控制节点的电力供给其结构框图如图6所示。
6 显示节点设计
为了更好的人机交流本系统设计了显示节点, 该节点采用Arduino为底板即微处理系统, 以协调器的身份加入网络, 用户可以通过显示节点查询各个采集节点的实时参数即通过键盘输入命令经过微处理器处理后向各个采集节点发出请求命令在由无线模块将请求命令发送出去, 这时各个采集节点收到请求命令后做出响应并将实时采集到的环境参数发送到显示节点, 经过微处理器的分析处理后由液晶显示模块反应给用户, 其结构框图如图7所示。
该显示节点具有最值分析功能, 均值分析功能, 不仅可以实现特定监测点的实时监测, 还能对整个监测区域进行总体监测。对单个特定监测点的监控是指对这个特定监测点的所有监测参数进行分析处理然后通过函数图像的形式显示该节点的参数变化趋势使得用户可以更直观的了解温室的环境变化[5]。
7 网关设计
由于用户不能随时的近距离观察温室的环境状况为了解决这一不便利因素该系统设计了网关就使得无论用户在哪里只要有网络的地方用户都可以通过移动通讯设备 (手机, 平板电脑和其他无线设备) 登上网关所绑定的网页实时的对温室环境参数的监控和管理;网关结构框图如图8所示。
网关通过Zig Bee协议从传感器节点接收到数据, 经过应用层与串口转以太网模块进行通信, 次模块与PC机通过英特网口相连, PC机通过访问模块的网址来访问环境参数。从而实现了Zig Bee信号向TCP/IP的转换。PC机通过模块IP地址, 将数据发送给该模块, 以太网模块与Arduino-uno进行串口通信, 实现TCP/IP向Zig Bee的转换。
8 结论
温室环境监控系统能实现的基本功能:1) 可24小时实时对温室的温度, 湿度, 光照强度, 二氧化碳浓度进行检测并可以通过Zig Bee无线模块实时传给主控。经过主控分析处理之后以数字和字母方式由液晶显示器显示监控信息;2) 由于传统的供电方式采用连线方式由此造成了走线复杂维修困难, 该系统采用太阳能电池板供电白天由于光照充足, 由太阳能电池板发电一部分供给各采集节点一部分供给蓄电池充电以提供夜间工作做时供电。在此由于光照强度是变化的所以太阳能电池板提供的电压是不稳定的因此我们设计了自己的稳压器以提供稳定的工作电压;3) 由于用户不能随时的近距离观察和监控温室的环境状况为了解决这一不便利因素该系统设计了网关, 使得无论用户在哪里只要有网络的地方用户都可以通过移动通讯设备 (手机, 平板电脑和其他无线设备) 登上网关所绑定的网页实时的对温室环境参数进行监控和管理。
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温室远程监控技术 篇8
随着我国农业生产方式的转变和农业科学技术的进步, 传统粗放生产模式下的温室装备已难以适应自动化生产和信息化生产要求, 提高温室作物产量和质量, 降低生产成本、减轻劳动强度是目前物联网农作物生产的迫切需求。为适应我国设施农业的发展和扩大生产规模以及实现产业化, 必须研发适合于我国农业特点的温室设施控制系统。如何方便有效地对温室农作物的生长参数进行监测和控制, 如何提高农业生产的信息化水平是目前设施农业、智能农业的研究重点。为此国内外对设施农业的自动化和信息化进行深入细致的研究:1) 20世纪中后期开始, 国外农业发达国家对温室设施环境的配套工程技术进行大量的研究, 比如荷兰、以色列、美国、日本、希腊等国家对温室内部环境因素 (温度、湿度、光照、CO2浓度、施肥等) 进行远程自动监测, 实现温室内部环境控制和作物栽培管理的智能化、网络化和信息化, 提高了温室农业生产效率, 大大降低了劳动生产成本;2) 我国设施农业起步较晚, 借鉴于国外农业设施的发展经验加快对我国温室设施农业的智能化、精准化和信息化水平, 在温室设施的环境管理、栽培模式、补光、除湿和增施CO2, 等方面取得了初步成效, 最具有代表性的是北京农业机械研究所研发的节能日光温室和温室环境智能控制系统和国家农业信息技术研究中心研发的温室环境监控和决策支持系统。
我国在温室设施农业上作出一些成绩, 但与国外相比还有很大距离, 比如环境调控技术与设备落后, 智能化程度不高, 对作物生长参数测控缺乏理论基础与量化指标;绝大多数园艺设施类型过于简易, 受限于设施环境的调控, 作物的生长测控不够精细;缺乏与我国相适应的温室优化控制软件;温室内物理模型、作物生长模型和温室生产模型不够合理等。
1 国内外发展情况及产业化前景
1.1 国外发展情况
当前, 美、日、韩、欧盟等国家地区正投入大量精力探索和研究物联网技术, 相继启动以物联网为基础的“智慧地球”、“U-Japan”、“U-Korea”、“物联网行动计划”等国家区域战略。2009年在美国总统与工商领袖的“圆桌会议”上, IBM公司提出“智慧地球”概念, 将物联网技术深入到电网、铁路、桥梁和公路等, 利用强大功能的计算机群, 精确地动态管理生产生活, 达到“智慧”状态。同年欧洲各国在布鲁塞尔召开物联网专题讨论, 发布新时期的物联网行动计划引领未来发展。日本和韩国分别提出“U-Japan”、“U-Korea”计划构想, 将物联网技术列为国家重点战略和新的增长动力。
物联网技术顾名思义就是物物相连的互联网, 是通过射频识别 (RFID) 、红外感应器、激光扫描器等信息传感设备, 按标准协议与互联网相连, 实现信息交换和通讯, 达到智能化识别、定位、跟踪、监控和管理。其中RFID作为基础性关键技术, 正处于迅速发展时期, 诸多国家物作为联网技术发展的重要产业正在积极推进。与此同时, 在制定标准方面, 各组织纷纷启动制定在传感器网络、泛在网络、物联网、近距离无线通信、IPv6、M2M等方面的相关标准, 其竞争日趋激烈。
1.2 国内发展情况
我国在物联网领域的布局较早, 中科院最早启动无线传感网络研究, 2009年首次研发物联网核心芯片“唐芯1号”, 覆盖传感网智能技术、传感网应用、传感网系统集成等物联网产业前沿领域。2010年工信部和发改委出台政策支持物联网产业化发展, 到2020年规划3亿多元资金发展物联网产业化。
在国家重大科技专项、国家自然科学基金和“863计划”支持下, 国内新一代宽带无线通信、高性能计算与大规模并行处理技术、光子和微电子器件与集成系统技术、传感网技术、物联网体系架构及其演进技术等研发取得重大进展, 先后建立传感技术国家重点实验室、传感器网络实验室和传感器产业基地等专业研究机构和产业化基地, 开展具有示范意义的重大应用项目。目前, 北京、上海、江苏、浙江、无锡和深圳等地开展物联网发展战略研究, 制定物联网产业发展规划, 出台扶持产业发展的相关优惠政策。从全国来看, 物联网产业正在逐步成为各地战略性新兴产业发展的重要领域。
1.3 产业化前景
当前在物联网发展进程中, 技术趋势呈现出融合化、嵌入化、可信化和智能化的特征, 管理应用趋势呈现出标准化、服务化、开放化和工程化的特征。应用大规模普及, 即将成为下一个万亿级产业物联网产业具有产业链长、涉及多个产业群的特点, 其应用范围几乎覆盖各行各业, 在其发展的同时还将带动传感器、微电子、视频识别等一系列产业的同步发展, 带来巨大的产业集群生产效益。随着经济形势的好转和物联网产业发展等利好因素推动, 全球RFID市场持续升温并呈现持续上升趋势, 2020年前全球接入物联网的终端达500亿个。制定技术标准来看, 目前国际上基本形成RFID五大标准组织分别代表国际上不同团体或者国家的利益。具体推广应用来看, 欧美地区技术应用较成熟, 比如美国RFID应用由军事应用向交通、车辆管理、身份识别和仓储管理等领域延伸;欧洲地区德国、英国、法国和荷兰等RFID产业发展领先国家在交通、身份识别、物资跟踪等领域也有了比较广泛的应用。
2 研究目的和意义
以物联网为基础, 通过传感网络上的各个传感器监测日光温室设施内果品种植的各种生长参数, 利用传感器技术、通信技术、计算机技术等检测数据进行传输、存储、分析, 把分析得到的结论性数据用于对果品种植的生长环境参数进行反向控制、调节, 达到测试-分析-调节-测试的闭环控制, 最终实现基于经济最优的温室环境参数调控和优化, 为实现温室的高效、优质、高产生产提供科学依据。同时, 记录温室果树生长参数, 给温室管理人员提供可视监控界面, 提高控制数据直观性, 保证整个系统良好的可控性, 实现温室果品种植的精细化、智能化控制, 缩短果树的生长周期, 提高果品的产量和质量, 最终达到提高农民生活水平和带动经济发展的目的。
目前温室设施普遍采用国外计算机智能控制系统, 如温室环境控制系统, 施肥灌溉控制系统, 工厂化育苗智能控制系统等, 这些系统一定程度上实现温室控制的智能化和自动化, 但往往存在投资过大, 系统维护不方便等各种发展制约瓶颈, 限制国外同类产品在国内的推广应用。开发价位低、实用性强的温室智能监控系统对推进我国设施农业的自动化、智能化进程具有重要的意义并具有较大市场潜力。我省日光温室量大面广的特点, 研发既符合我省农业实际水平和承受农民经济能力, 技术上不低于国外同类产品的日光温室智能集成控制系统是非常必要的。
3 研究内容
3.1 研发内容及拟解决的关键技术问题
(1) 温室信息化管理研究:利用信息化技术实现温室环境的数据采集和管理, 实时采集日光温室内的空气温湿度、土壤湿度、光照强度、二氧化碳浓度等环境参数, 实现作物生长的精准管理, 从而提高果品的产量和质量, 以温室内果树的生长参数为测试对象进行节点设计, 对节点进行传感器选择和整合, 分别设计子节点和主节点。子节点设计时, 需要把收集温度、湿度、光照、土壤水分、CO2浓度、PH值的传感器和Zig Bee套片集成在电路板上;主节点设计时, 需要把Zig Bee套片、CPU、LCD等进行整合并安装Linux操作系统。
(2) 研究太阳能技术在温室设施中绿色环保、低碳、低功耗的应用。将太阳能技术使用在日光温室大棚中, 让太阳能和市电共存, 优先使用太阳能供电, 以市电供电为辅。尽可能节能减耗。
(3) 研究果品信息的存储与共享方法建立果品安全生产可追溯体系。使用二维码技术实现存储果品的信息录入, 消费者可直观地看到果实的品种、品质、管理、生长及产地等一系列信息, 以确保产品的真实性, 避免假冒伪劣产品。
(4) 研究温室设施果树生长环境的远程测控方法。利用无线数据传输技术实现使用手机等终端实时监控设施内果树生长情况, 并利用远程计算机实现本地温室的通风、照明、浇水的智能化管理, 精准调控果树生长。以Zig Bee、Bluetooth、Wi Fi、GPRS、RFID等无线技术组建无线传感与控制网络, 通过中国移动的无线传输基站或者无线传输技术将手机与远程监控主机相连, 实现系统监测和信息共享, 可在任何地点实时监控设施内果树的生长情况。
3.2 特色和创新之处
(1) 在苏北地区首次实现温室果木生长环境的智能化测控与管理, 提高温室装备与管理水平, 推广应用果树精准管理技术;
(2) 在苏北地区首次实现温室果品的信息可追溯, 增加食品安全, 丰富消费者选择体验。
(3) 在苏北地区首次将太阳能引进温室生产, 探索节能减排新途径。
3.3 主要技术、经济指标及社会、经济效益
技术指标:1) 系统可测控的果木成长参数不少于温度、湿度、光照、土壤水分、二氧化碳浓度五项指标;其中温度测量精度1℃, 光照度精度100lx, 二氧化碳浓度精度100ppm;2) 对温室果木数据采集量不少于每分钟1次。系统可按分钟保存查询每分钟温室内环境数据;3) 利用二维码实现果品的产地、管理、收获、流通信息的可追溯。
经济效益:实现温室智能化和信息化管理, 节约劳动力成本10%。每亩温室增加效益1000元以上。
社会效益:通过技术更新与产业结构调整, 带动农民科技致富, 促进温室种植产业和智慧农业的发展。
4 研究试验方法、技术路线及工艺流程
4.1 研究试验方法
温室果树个体的生长有相应的产品来监测。果树生长环境中的CO2、光照和温度、湿度对其品质都有很大影响, 单纯监测果树个体意义不是很大, 也需要多环境 (需要根据不同的环境因子进行调控) 的对比, 同时需要长期的、实时的记录。通过分析各个不同环境因子、生长条件所结果实, 来对比差别:果实品质的差别、经济效益的差别、社会效益的差别等。物联网在其中的关键技术研究, 主要是无线传感网方面的传感器、数据采集、传输、处理, 并加以改良传感器。建立智能日光温室实验站, 实时采集果木的生长情况。这种对比性的实验对比数据, 是极度缺乏的, 但价值却是非常大。利用物联网技术, 对设施进行智能控制和信息化管理;利用无线传输技术来实时监控设施内果木生长情况;设施中太阳能技术低碳环保、低功耗的应用。使用二维码技术, 录入果实的相关信息。让购买者可以直观的看到果实的品种, 品质, 生长情况, 产地等一系列的信息。可以确保产品的真实性, 避免假冒伪劣产品。
4.2 技术路线及工艺流程
智能日光温室示范基地, 研究分析传感器的特点。根据传感器反馈的数据改变果木成长的环境。不同的设施内建立不同的生长环境。实时通过智能监控系统记录果木的成长情况。研究各个设施内果实的生长情况和果品质量, 并记录分析。
5 预期成果及效益
(1) 建立示范基地60亩, 每亩增加效益1000元, 带动本地区应用此技术, 促进本地区果品的安全生产。
(2) 研发出实用的日光温室设施果品生产智能监控和信息化管理系统, 不但有具体的产品形态, 而且能够在实际使用中确实起到智能调控达到增加效益的效果。
(3) 研发成果, 实现智能测试系统1套, 并能够达到预期的智能调控效果。
(4) 项目成果初步转化预期净利润40万元, 社会效益200万元以上。
6 结束语
徐州工程学院与徐州果树研究所签订了校企联盟合作协议成为产学研合作单位, 充分利用2家单位人才、设备、场地、资源等优势并组成了课题攻关研究组。目前徐州果树研究所已经建立试验基地200亩。其中, 日光温室、连栋大棚面积60余亩, 设施果品栽培技术比较成熟。项目组研究人员承担过相关的研究课题, 也为本项目的研究打下了坚实的研究基础。相关的研究课题有:江苏省科技支撑计划 (工业) 项目“半导体照明在现代设施农业中应用的新技术研发与示范” (BE2011197) 研究了温室照明设备的新型照明光源;徐州市科技计划 (工业) 项目“温室二氧化碳气肥增施系统研究” (X20060096) 研究了温室的二氧化增施方法与设备;徐州市科技指导项目“苏北地区温室信息化与物联网关键技术研究”研究了温室信息化技术方案与实现途径。
摘要：研发一种在核心技术上具有自主知识产权的果品种植大棚温室温度、二氧化碳浓度、光照度等环境参数的自动化采集、传输、查询、报警等信息化管理技术;利用无线数据传输技术实现远程计算机对本地温室的通风、照明、浇水的智能化管理系统;应用二维码技术存储果品种植、管理与流通信息, 实现果品信息可追溯;将太阳能技术应用在日光温室中, 尽可能节能减耗。通过技术更新, 示范带动设施果品精准管理技术, 推动设施果品产业向高端发展。
关键词：温室设施,果品生产,智能监控技术,研究与示范
参考文献
[1]徐志刚等, LED光源在现代农业的应用原理与技术进展[J].中国农业科技导报, 2011 (5) 。
[2]徐志刚, 崔瑾, 王立文.组培育苗气体微环境自动调控系统的研制与试验[J].农业工程学报, 2013 (06) 。
[3]王立文, 邵晓根, 席建中.一种低成本温室温度记录方法[J].农机化研究, 2009 (01) 。
[4]王立文.DS1302在温室CO2增施控制器中的应用[J].自动化与仪表, 2008 (12) 。
[5]邵晓根, 王立文.一种温室LED补光灯[P].中国, 徐州工程学院, 2013.12。
[6]王立文, 邵晓根, 席建中.二氧化碳施肥机[P].中国, 徐州工程学院, 2012.03。
温室蒜黄栽培技术 篇9
1. 蒜头选择
①要选大瓣蒜做种。大瓣蒜养分储存多，培育出的蒜黄粗壮、产量高。
②蒜头要紧实。蒜头越紧实，蒜黄长得越好，品质也越好。检查方法是：用手捏或紧握一下，有硬感的是好蒜头，发软的是劣质蒜头，软蒜头长出的幼苗较弱，影响产量和品质。
③看蒜瓣颜色。蒜头发褐的，剥开蒜皮，蒜瓣黄色为伤热蒜，伤热蒜发芽慢，芽子弯曲打钩，后期易干尖或烂瓣。应选用色泽白亮、颜色正常的蒜头。
④看根突。大蒜收获后，经过60天左右的休眠期才能发芽。当根部出现突起，幼芽伸长，芽鞘与新叶之间出现空腔时，说明大蒜已解除休眠。一般情况下，进入9月份大蒜即度过休眠期。
⑤看心芽。将蒜瓣纵向剖开，心芽越短，生产蒜黄所需要的时间越长，心芽长的品种蒜黄壮，如果心芽已伸出蒜瓣，则蒜苗易弯曲，产量低。
2. 蒜头处理
①剪蒜。蒜头上的干柄尽量剪短，防止割蒜黄时挡刀，并剪去蒜头上的根须，以利泡蒜。
②泡蒜。用凉水直接浸泡24小时，一般1千克干蒜可增重至1.3千克以上。
③剜蒜。将一大铁钉的尖头砸扁，插入泡好的蒜头根盘一剜，连老根盘和蒜根一同剜出，使蒜头不散瓣。也可将蒜头掰开，去掉老根盘和干蒜薹梗，然后再合起来栽下去，目的是促进早出苗、多发根。
3. 栽蒜
①铺沙。用河沙或沙土在场地上铺5～6厘米厚，耧平待栽。
②栽种时间。在日光温室内栽蒜黄，可根据温室的茬口和面积进行合理安排。一般情况下，应依据蒜黄上市时间来确定，上市时间前20～25天为栽植期。
③栽种方法。将整理好的蒜头一头挨一头摆在苗床上，蒜头之间的空隙用蒜瓣填上。总的要求是，蒜头要保持上齐，以利于蒜黄收割的茬口高低一致。每平方米用蒜头15～20千克。栽好后要在蒜头上覆盖河沙或沙土，厚度2～3厘米。
4. 遮盖
在蒜黄周围垒45厘米高的墙，上面覆盖席子遮光。
5. 管理
①浇水。栽蒜后要立即浇水，每平方米浇35千克左右。苗高6～9厘米时浇第二次水，每平方米浇水30千克。收割前3～5天浇第三次水，每平方米浇20千克。头茬收后不能马上浇水，待新苗长出后再浇，以防根部腐烂。二茬浇水可参照一茬，适量即可，不宜过大，以防烂根。
②温度。出苗前温度宜高些，保持白天26～28℃、夜间18～20℃；出苗后温度保持白天24～25℃、夜间16～18℃，这样苗子长得快、出得齐。
③追肥。蒜黄生产一般不施肥，如缺氮，可酌情用0.2%的尿素溶液泼浇。
④收割。栽后20～25天，苗高35～40厘米时可收一茬，如不想收第二茬就割深些。如收两茬，头刀割后要耧平沙土，15天后再收二茬，通常每千克大蒜可收蒜黄1.2～1.3千克。
（作者联系地址：河南省濮阳县农业局 邮编：457100）
温室远程监控技术 篇10
温室大棚作为新的农业生产设施, 已突破了传统农作物种植受地域、自然环境气候等诸多因素的限制。通过调控环境因子, 如光照强度、温度、湿度、二氧化碳等, 可以得到适合作物生长的良好环境, 对农业生产有重大意义[1]。随着我国的温室规模不断扩大, 温室环境的远程监控系统也正日益成为高校科研院所研究对象, 本研究是基于实验需要进行的部分实验, 在实验室条件内取得了成功。日后会逐渐完善, 使之能够推广到所有需要进行温室监控系统的单位或者个人,以便改善投资及劳力[2]。
2 硬件方案
该设计方案中, 分别由六个温湿度智能传感器、CO2浓度监测传感器、传感网络路由节点及一个协调器节点构成监测网络硬件基础[3]。传感器获取当前环境信息, 通过无线传感网络协调器送至监控平台。
2.1 传感器选择
1) 温湿度传感器—DHT11
图中,DATA用于微处理器与DHT11 之间的通讯和同步, 采用单总线数据格式, 一次通讯时间4ms左右,数据分为小数部分和整数部分。数据格式如下:
8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和。
2)CO2传感器——MG811 模块
为了达到实时检测二氧化碳浓度, 控制环境生长的目的, 选取了对CO2有良好的灵敏度和选择性, 受温湿度的变化影响较小的MG811 二氧化碳传感器模块。它具有良好的稳定性、线性, 对CO2浓度变化极其敏感。其具有AOUT、DOUT输出端口, 上电后可直接外接单片机, 通过单片机获取测得的模拟数值。
2.2 无线传感网络
在无线传感网络方案中, 采用Zigbee技术对温室内传感器节点进行组网。本研究在I A R E W8051 软件集成开发环境下进行, 通过基于TI/Chipcon公司的Zigbee2006 免费协议栈开发[4]。TI Z-Stack协议栈是基于一个轮转查询式操作系统, 其协议栈主要流程如下图:
Zigbee2006 协议栈从下到上按层次划分分别是: 物理层(PHY)、介质接入控制子层(MAC)、网络层(NWK)、应用层(APL)。而在该实验中主要是在应用层进行程序的编写。
根据编程需要, 选取TI公司内含8051 单片机内核的CC2530 芯片作为Zigbee单个节点。其优势在于容量大、功耗低、成本低、自组网等。能够容易完成Zigbee节点与温湿度、CO2 浓度传感器的数据通讯。
在协议栈中,Zigbee自组网方式支持网状(Mesh)、星型(Star) 和树型(Tree) 网络三种网络拓补结构方式。
在本方案设计中, 采用网状的网络拓补结构可以在不同的温室内增加大量无线网络传感器节点, 提高数据可靠性。
3 软件平台
利用图形化G语言-Labview能够较为容易建立监控平台。软件监控平台主要由四部分组成, 分别是:本地监控中心、TCP服务器、TCP客户端以及远程监控中心[5]。
其中, 本地监控中心与TCP服务器主要是为下位机采集的数据进行处理并上传到网络。远程监控中心和TCP客户端对网络获取的数据进行接收并通过界面实时监控。
3.1 本地监控中心
本地监控中心由labview VISA串口获取下位机数据, 获取的即时数据同时送至发送缓冲区, 由发送缓冲区将数据送至TCP服务器。监控中心界面主要设置为通讯波特率、COM口。除此外需要观察到获取的数据信息。
3.2 TCP数据传输
TCP数据传输分为服务器端与客户端, 两者结构类似, 不同之处在于客户端需要对服务器IP地址进行设定, 且两者通信端口号一致。在TCP客户端从TCP服务器读取数据并送达远程监控界面接收缓冲区之前, 需要TCP客户端发出连接, 直到客户端请求连接后TCP服务器才能够发送数据[6]。
3.3 远程监控及演示
远程监控界面中包含有红绿灯状态与温室子面板按钮部分。TCP客户端从服务器读取数据后, 研究人员通过点击温室一至六按钮可以查看各温室各个时刻详细温湿度、CO2浓度曲线信息, 并根据需要对各温室内监控数据范围进行设定。
远程监控界面中使用了动态调用子vi方式, 可以同时对多个温室内的数据进行观察[7]。利用队列结构, 可以将每个温室监测到的实时数据正常与否, 通过主面板上红绿灯的状态进行直观显示。
4 结束语
测试表明, 无线传感网络Zigbee终端节点能够接收传感器DHT11 与MG811 数据信息。通过网状拓扑结构,7 个Zigbee节点能够自动组成局域网络, 并将终端节点数据传送到协调器。本地监控中心数据缓冲区接收协调器数据, 将数据通过TCP传输协议传送至远程监控中心。并在远程监控主界面内查看到各温室内详细信息, 同时能够根据预先设定值进行报警。温室环境实现远程监控有利于各种资源合理配置, 相比于传统温室控制具有一定的应用价值。
参考文献
[1]陈海生,洪添胜,吴伟斌,岳学军.温室温湿度的远程监控系统[J].农机化研究,2005,(4):124-127.
[2]王维.花卉温室大棚环境监控系统研究[D].西南交通大学,2014.
[3]王懿娜.温湿度远程监控系统的设计与实现[D].长安大学,2009.
[4]张猛.基于Zig Bee的温室远程监控系统研究[D].东北农业大学,2012.
[5]习升鸿,戴瑜兴,李展翅.基于Lab VIEW的远程监控系统设计与实现[J].低压电器,2007,(7):18-20.
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