王永帅１，王文伟１，吴永章２
（１．武汉大学电子信息学院，武汉 ４３００７２；２．湖北省农业科学院，武汉 ４３００６４）
摘要：为改善目前蔬菜大棚控制系统中监控参数少及较难远程控制等情况，设计了一个更加完善的系统。结果表明，该系统人机交互界面良好、操作简单方便、自动化程度较高，有利于蔬菜大棚的智能化和统一化管理，具有很好的应用前景。
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关键词 ：蔬菜大棚；多环境参数；智能；应用前景
中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：A 文章编号：0439－８114（２０15）02－0446-03
DOI:10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.02.049
目前，保温大棚技术种植蔬菜在我国已经广泛应用，尤其是在我国北方地区。但是现在还有不少种植户沿用人工值守的办法管理蔬菜大棚，或者使用的蔬菜大棚控制系统不太完善，不仅浪费了大量人力、物力，而且对大棚各项参数的监控也并不理想，并因此可能造成蔬菜的减产［１］。因此，本研究设计了一个更加完善的智能控制系统，以保证蔬菜良好的生长环境。
１ 系统结构
系统架构主要部分为上位机、下位机和传输总线（图１）。上位机放置于控制室，通过ＰＣ机进行各大棚数据的采集以及对数据的分析，并根据分析结果对大棚环境参数进行远程控制；下位机放置于各大棚内，主要包括数据采集、显示和驱动等模块［２］。
２ 系统硬件设计
２．１ 上位机系统
上位机利用ＰＣ及自带的ＲＳ－２３２标准串行接口，通过ＲＳ－２３２／４８５转换即可组成ＲＳ－４８５总线与下位机ＳＴＭ３２连接，构成一个农业综合数据监控网络［３］。ＲＳ－４８５总线最大优点在于其多点总线互相连接功能，可以连接一台主机和多台终端同时通信。本系统通讯协议用于大棚控制系统主板与ＰＣ机通讯、主板与传感器采集节点通讯。该协议适用ＲＳ-４８５通讯，并参照大棚控制原有协议和Ｍｏｄｂｕｓ协议，结合实际情况修改而来，采用主从结构，主机设备发送一个信息，从机设备返回一个相应的信息。
２．２ 下位机系统
下位机系统结构见图２，其主要功能如下所示。
1）控制主机。ＳＴＭ３２系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ＡＲＭ Ｃｏｒｔｅｘ－Ｍ３内核，控制性能良好、操作简单方便，并内置３２~１２８ Ｋ的闪存。主机故选择ＳＴＭ３２，主要完成对各参数信号的处理比较，并对执行驱动电路发出的指令。
2）ＲＡＭ扩展。由于系统对多区域多大棚控制，数据量较大，因此外扩６２６４ ＲＡＭ芯片来存放程序变量和数据。
3）信号采集。大棚内设置多个温湿度、光照度和ＣＯ２等传感器，实时采集数据，并将采集到的数据信号转化为０～５ Ｖ信号经ＡＤＣ０８０９转换进行处理。
4）执行电路。系统设计采用ＭＯＣ３０４１芯片，该芯片既有光电耦合，能进行强电与弱电隔离；同时具有触发晶闸管的功能，便于接通卷帘机、加湿器等，还有对超过预定传感器参数范围的报警功能［２］。
5）显示器电路。各大棚采用ＬＥＤ显示实时温湿度、ＣＯ２浓度等传感器参数。
6）串口接口电路。使用ＭＡＸ４８５串口转换芯片完成单片机和上位机的ＲＳ－４８５间通信。ＭＡＸ４８５串口转换芯片是ＲＳ－４８５通信的低功率收发器，最大传输速率可达２．５ Ｍｂ／ｓ，传输距离为１．２ ｋｍ，双线半双工方式［２］。
３ 系统软件设计
３．１ 上位机软件设计
上位机软件主程序框图见图３，其主要功能模块如下所示。
1）参数配置模块。即后台采集配置模块，配置系统所需参数，包括大棚区域、大棚号、数据库配置、短信报警配置、通讯端口配置以及传感器参数配置。大棚区域用于划分大棚所在区域；大棚号为区域内每个大棚编号；数据库配置用于保存连接数据库所用的信息；短信报警配置用于保存报警所需的信息，如电话号码和发送信息的端口等；通讯端口配置用于保存与各个大棚通讯采集数据所需的端口信息；传感器参数配置则用于保存采集数据所需的传感器信息，如温湿度、光照度等。
2）Ｗｅｂ程序模块。采用浏览器方式，可以远程查看大棚采集到的实时数据和历史数据，并可根据实时数据对大棚节点发送监控指令，进而控制执行电路。Ｗｅｂ程序和后台采集控制程序之间采用Ｓｏｃｋｅｔ通讯方式［４］，由Ｗｅｂ发布平台远程发送控制指令给后台采集配置程序，后台采集配置程序接收到正确指令之后控制执行电路完成相应指令，并返回给Ｗｅｂ发布平台说明指令完成情况。该模块设有自动控制功能，当设定好参数范围之后启用自动控制功能，系统则与采集到的数据自动比较，若超出范围值，则发送指令［５－１１］。
3）数据采集模块。为每个区域建立一个线程，区域线程循环采集本区域内所有的大棚传感器数据［３］。如果在循环采集数据时接收到Ｗｅｂ发送的控制指令，则暂停数据采集，优先处理Ｗｅｂ控制指令，处理完Ｗｅｂ控制指令后继续数据采集。
4）温湿度、光照度等模块。将采集到的数据保存到相应的数据库表中，并实时刷新数据，以便于Ｗｅｂ程序查看数据。
３．２ 下位机软件设计
本系统设计下位机主要实现上位机发送的不同指令，包括数据采集、执行电路的控制指令、显示和零点对时等。数据采集部分主要是当接收到上位机的数据采集指令之后，将由相应传感器获取到的数据返回给上位机；控制指令主要是完成上位机发送的相应控制动作，如启动卷帘机打开保温被、启动加湿器增加湿度等；显示部分将传感器数据显示在该大棚内，便于查看；零点对时则是每天零点时由上位机统一给每个区域各个大棚发送对时指令，使整个系统时间统一。
４ 小结
该系统不仅具有智能化程度高、功能强大、性能稳定可靠、成本低、人机界面良好、操作简单方便，还具有以下几大优势：
１）该系统可以同时监控蔬菜大棚所需要的多环境参数，并能随时增减，可以同时满足不同大棚的需求。
２）由于通过Ｗｅｂ平台发布，前台展示采用了浏览器方式，故手机等移动网络设备可随时查询、方便快捷。
３）当用户设定好传感器参数范围后开启自动控制，系统可以自行检测数据并及时反馈给后台采集配置程序进而控制执行电路自动处理。
４）当大棚传感器采集到的数据超过报警值和报警消除时，系统会提供报警短信提醒，用户可及时了解蔬菜大棚的状态。
经试用证明可以应用于实际生产中，在广大农村地区有着良好的应用前景和推广价值，可以解决蔬菜大棚大规模生产问题。
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（责任编辑 屠 晶）