Application and Design of Intelligent Monitoring and Controlling System for Agricultural Greenhouse
亢岚① KANG Lan；杨培宏② YANG Pei-hong；张继红② ZHANG Ji-hong；吴振奎② WU Zhen-kui
（①内蒙古科技大学矿业与煤炭学院，包头 014010；②内蒙古科技大学信息工程学院，包头 014010）
（①School of Mining & Coal Engineering，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China；
②School of Information Engineering，Inner Mongolia University of Science and Technology，Baotou 014010，China）
摘要：为了提高现代农业科技水平，促进设施农业大棚农作物生长过程的智能化和信息化管理，本文设计了一种基于无线通信技术的智能监控系统，利用RS-485和GPRS网络实现大棚内温湿度、光照度以及CO2浓度等环境参数的监测，并将监测数据送到终端服务器，实现自动调节大棚内环境参数以提高农作物的生长质量。应用结果表明，该智能监控系统不仅监测精度较高，控制响应速度快，而且长时间运行可靠，用户操作方便。
Abstract: In order to improve the level of modern agricultural science and technology and promote the intelligent and information management of crop growth in agriculture greenhouse, this paper designed an intelligent monitoring system based on wireless communication technology. By using RS-485 and GPRS network, the function that monitoring the environmental parameters such as temperature-humidity, illuminance and CO2 concentration in greenhouse is realized, besides, it can send the monitoring data to the terminal server and automatically adjust the environmental parameters in the greenhouse for improving the growth quality of the crop successfully. The application results show that the intelligent monitoring system proposed by this paper not only has high monitoring accuracy, but also has fast control response speed, and is reliable for long-time operation and convenient for users' operation.
关键词：农业大棚；监控系统；环境参数；GPRS网络
Key words: agricultural greenhouses；monitoring system；environmental parameter；GPRS network
中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）01-0165-03
0 引言
随着我国人口的增长以及人们对生活水平追求的提高，蔬菜的需求量逐年增加，特别是冬季，常出现供不应求[1]。由于温室大棚不受外界气候以及地域等因素的制约，是未来农作物种植的发展趋势，特别是蔬菜种植，对农业生产的现代化具有重要意义。大棚内的温湿度、CO2浓度以及光照度等环境参数是影响农作物生长的主要因素[2]，而目前的大棚农作物种植主要依赖人为感知环境参数而进行调节，调节精确不高，不利于农作物的健康生长，影响农产品的品质。随着网络技术的发展，物联网技术在农业生产中的应用前景较好，实现设施农业大棚监控显得非常必要。
目前，我国农业大棚作物生长管理主要仍是以人工为主，不仅工作量，而且生产管理过程中不够精确。已有的监控系统也是以就地控制为主，不仅控制模式简单，且控制的实时性也较差，无法实现远程终端集中控制。本文结合物联网技术[3]，设计了大棚智能监控系统，完成大棚内农作物生长的远程终端无线监控，实现大棚农作物生长的智能化和信息化管理，以期提高设施农业大棚农作物生产的效率和农产品的品质。
1 系统工作原理及构成
本文设计的大棚智能监控系统主要包括三个模块：现场数据采集与执行机构控制（感知层）、无线数据传输（传输层）以及服务器数据储存与应用（应用层）。完成了对数据的自动采集、远程无线传输、储存和分析处理等功能，实现对大棚农作物生长的远程诊断和自动管理，总体框架如图1所示。
感知层是由大棚内传感器、RS-485总线以及控制设备组成，主要用于将大棚内的温湿度、光照度以及CO2浓度等通过RS-485总线传输至智能网关，同时大棚内的执行机构根据监控中心发来的指令实现对控制设备的直接控制。
传输层通过将无线通信技术与互联网、现场总线等多种数据通信方式进行协同合作，实现农业生产现场数据信息和信息应用层控制命令实时准确地传输与交互，最大限度保证通信信息的实时性与准确性。
应用层能够完成农作物生长过程的健康状况管理和农作物生产的环境管理。通过对农作物各阶段的生产数据综合分析处理，大棚管理着就可以对各阶段生产进行精细化控制、管理。同时，对整个生产过程的所有信息进行存储划分，为后续的生产管理提供有效决策支撑依据。
通过感知层、传输层以及应用层，可将多种形式的传感器设备植入到农业大棚作物生产环境中，通过传感检测实体与信息网络的结合，将采集到的数据进行综合分析处理，实现农业大棚生产的管理与控制，达到对农业大棚的智能监控。
2 系统硬件设计
大棚智能控制系统的硬件设计应遵循功能模块化、接口标准化和器件通用化的原则。本文设计的硬件包括现场数据采集单元、现场控制单元、数据传输单元以及终端监控中心等，具体硬件组成单元如图2所示。
2.1 控制器
控制器的核心是微处理器，本文提出采用Cortex－M3 内核的STM32F103 系列微处理器，为嵌入式工作方式，给MCU提供低成本的平台且系统功耗低。该处理器的工作频率为72MHz，且具有丰富的外部接口和存储单元，可满足大棚智能控制系统的功能需求，具体电路图如3所示。
2.2 GPRS模块
本文采用SIM800A GPRS 模块实现大棚智能监控系统的无线传输数据功能，该模块技术成熟且稳定性好，内部嵌入强大的TCP/IP协议栈。SIM800A的传输速率范围在1200-115200b/s之间，电路图如图4所示。
3 系统软件开发
本文利用C 语言环境下完成了大棚智能监控系统的软件开发，软件部分主要包括数据采集模块、485通信模块、GPRS 通信模块以及上位机监控。该智能监控系统包括了棚内环境参数的自动监测及控制设备的自动开闭流程，总体流程如图5所示。
3.1 485通信模块
程序启动后，首先初始化RS-485通信端口，初始化后判断是否有数据接收和发送，有接收请求时读取并进行数据处理，有发送请求时将数据送入发送缓冲区，启动数据发送。用户则根据数据帧中的识别符，将对应的数据转移到发送缓冲区，然后将此报文的编码写入命令，启动发送。
3.2 GPRS通信模块
首先要对GPRS模块进行初始化，然后模块将接收的数据自动打包成TCP 数据包，通过指定的IP 将数据通过GPRS网络发送出去，远程到上位机监控软件的侦听端口。具体流程如图6所示。
3.3 上位机
上位机监控程序采用组态王组态软件完成，利用Windows 的图形编辑功能，方便地构成监控画面，并以动画方式显示控制设备的状态，具有报警窗口、实时趋势曲线等，可便利地生成各种报表。监控画面可以反映测定的大棚实时数据和控制设备的运行状态，达到了远程监控的功能，同时方便对大棚内历史数据的分析。
4 系统应用效果
试验选择在包头市农业科学研究所一温室大棚进行。该温室大棚共有八个苗床，其中并行放置的两个苗床为一组进行，故选择在四组苗床的中心位置测试，即分别在设置传感器采集温湿度、光照度以及CO2浓度。时间为上午10:00，大棚内作物均为番茄。具体数据见表1所示。
通过表1可知，远程传输的数据精度较高，能够实现对温室大棚环境参数的实时监测。接下来给出了上位机远程监控界面，具体如图7所示。
5 结束语
本文设计的设施农业大棚智能监控系统在包头市农业科学研究所得到了应用，经过长时间的应用表明，该系统监测数据精度高，控制响应速度快，操作方便，实用性强，对推动农业生产智能化水平具有重要作用，应用前景较好。
参考文献：
[1]张猛，房俊龙，韩雨.基于 ZigBee 和 Internet 的温室群环境远程监控系统设计[J].农业工程学报，2013，S1：171-176.
[2]熊松.基于物联网技术的农业大棚智能管理研究[J].天津科技，2017，44（6）：78-80.
[3]刘海泉，杨盛泉，黄姝娟，等.基于物联网技术的温室大棚测量与控制系统的设计[J].价值工程，2017，6：108-110. |
