蔬菜大棚智能自動(dòng)控制系統(tǒng)的信息管理系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、第1章 緒 論1.1 選題目的和意義中國農(nóng)業(yè)的發(fā)展必須走現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)這條道路，隨著國民經(jīng)濟(jì)迅速增長，農(nóng)業(yè)的研究和應(yīng)用技術(shù)越來越受到重視，特別是溫室大棚已經(jīng)成為高效農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要組成部分。現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)就是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的一些重要參數(shù)進(jìn)行檢測和控制。例如:空氣的溫度、濕度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。在農(nóng)業(yè)種植問題中，溫室環(huán)境與生物的生長、發(fā)育、能量交換密切相關(guān)，進(jìn)行對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合作物生長發(fā)育規(guī)律，控制環(huán)境條件，使作物達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的栽培目的。以蔬菜大棚為代表的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)設(shè)施在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大的作用。大棚內(nèi)的溫度、濕度與二氧化碳含量等參量，直接關(guān)系到蔬菜和水果的

2、生長。國外的溫室設(shè)施已經(jīng)發(fā)展到比較完備的程度，并形成了一定的標(biāo)準(zhǔn)，但是價(jià)格非常昂貴，缺乏與我國氣候特點(diǎn)相適應(yīng)的測試軟件。而當(dāng)今大多數(shù)對大棚溫度、濕度、二氧化碳含量的檢測與控制都采用人工管理，這樣不可避免的有測控精度低、勞動(dòng)強(qiáng)度大及由于測控不及時(shí)等弊端，容易造成不可彌補(bǔ)的損失，結(jié)果不但大大增加了成本，浪費(fèi)了人力資源，而且很難達(dá)到預(yù)期的效果。因此，為了實(shí)現(xiàn)高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)化并提高農(nóng)業(yè)研究的準(zhǔn)確性，推動(dòng)我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展，必須大力發(fā)展農(nóng)業(yè)設(shè)施與相應(yīng)的農(nóng)業(yè)工程，科學(xué)合理地調(diào)節(jié)大棚內(nèi)溫度、濕度以及二氧化碳的含量，使大棚內(nèi)形成有利于蔬菜、水果生長的環(huán)境，是大棚蔬菜和水果早熟、優(yōu)質(zhì)、高效能的重要環(huán)節(jié)。目前，隨

3、著蔬菜大棚的迅速增多，人們對其性能要求也越來越高，特別是為了提高生產(chǎn)效率，對大棚的自動(dòng)化程度要求也越來越高。所以急需一種高效實(shí)時(shí)的監(jiān)控設(shè)備，能實(shí)現(xiàn)大棚的實(shí)時(shí)監(jiān)控，迅速了解大棚內(nèi)的環(huán)境狀態(tài)。1.2 國內(nèi)外相關(guān)研究綜述1.2.1 國外狀況世界發(fā)達(dá)國家如荷蘭、美國、以色列等大力發(fā)展集約化的溫室產(chǎn)業(yè)，溫室內(nèi)溫度、光照、水、氣、肥實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)調(diào)控，從品種選擇、栽培管理到采集收包裝形成了一整套的規(guī)范化技術(shù)體系。美國是最早發(fā)明計(jì)算機(jī)的國家，也將計(jì)算機(jī)應(yīng)用于溫室控制和管理最早、最多的國家之一。美國有發(fā)達(dá)的設(shè)施栽培技術(shù)，綜合環(huán)境控制技術(shù)水平非常高。環(huán)境控制計(jì)算機(jī)主要用來對溫室環(huán)境（氣象環(huán)境和栽培環(huán)境）進(jìn)行監(jiān)測和

4、控制。以花卉溫室為例，溫室內(nèi)監(jiān)測項(xiàng)目包括室內(nèi)氣溫、水溫、土壤溫度、鍋爐溫度、管道溫度、相對空氣濕度、保溫幕狀況、通風(fēng)狀況，泵的工作狀況、二氧化碳濃度、Ec調(diào)節(jié)池和回流管數(shù)值，pH調(diào)節(jié)池和回流管數(shù)值；室外監(jiān)測控制項(xiàng)目包括大氣溫度、太陽輻射強(qiáng)度、風(fēng)向風(fēng)速、相對濕度等。溫室專家系統(tǒng)的應(yīng)用給種植者帶來了一定的經(jīng)濟(jì)效益，提高了決策水平，減輕了技術(shù)管理工作量，同時(shí)也為種植帶來了很大的方便。以園藝業(yè)著稱的荷蘭從20世紀(jì)80年代以來就開始全面開發(fā)溫室計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，并不斷地開發(fā)模擬控制軟件。目前，荷蘭自動(dòng)化智能玻璃溫室制造水平處于世界先進(jìn)水平，擁有玻璃溫室1.2萬多平方米，占世界四分之一以上，有85的溫室

5、用戶使用計(jì)算機(jī)控制溫室環(huán)境。荷蘭開發(fā)的溫室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是通過人機(jī)交互界面進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和必要的信息顯示，可繪制出設(shè)計(jì)參數(shù)曲線、修正值曲線以及測量的數(shù)據(jù)曲線，可以從數(shù)據(jù)庫內(nèi)調(diào)出設(shè)定的時(shí)間段參數(shù)以便于必要的數(shù)據(jù)查詢，并能直接對計(jì)算機(jī)串行口進(jìn)行操作，完成上位機(jī)與下位機(jī)之間的通訊。上位機(jī)軟件集參數(shù)設(shè)置、信息顯示、控制等功能于一體，同時(shí)還能夠很好地完成溫室灌溉和氣候的控制盒管理。此外，國外溫室業(yè)正致力于向高科技方向發(fā)展。遙測技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制局域網(wǎng)已逐漸應(yīng)用于溫室的管理與控制中。控制要求能在遠(yuǎn)離溫室的計(jì)算機(jī)控制室就能完成，即遠(yuǎn)程控制。另外該網(wǎng)絡(luò)還連接有幾個(gè)通訊平臺，用戶可以在遙遠(yuǎn)的地方通過形象、直觀的

6、圖形化界面與這種分布式的控制系統(tǒng)對話，就像在現(xiàn)場操作一樣，給人以身臨其境之感。1.2.2 國內(nèi)狀況我國農(nóng)業(yè)計(jì)算機(jī)的應(yīng)用開始于20世紀(jì)70年代，80年代開始應(yīng)用于溫室控制與管理領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代初期，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)氣象研究所和作物花卉研究所，研制開發(fā)了溫室控制與管理系統(tǒng)，并開發(fā)了基于windows操作系統(tǒng)的控制軟件；90年代中后期，我國科學(xué)家研制開發(fā)了溫室軟硬件控制系統(tǒng)，能對營養(yǎng)液系統(tǒng)、溫度、光照、二氧化碳、施肥等進(jìn)行綜合控制，是目前國產(chǎn)化溫室計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)較為典型的研究成果。在此期間，中國科學(xué)院石家莊現(xiàn)代化研究所、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、中國科學(xué)院上海植物生理研究所等單位也都側(cè)重不同領(lǐng)域，研究溫

7、室設(shè)施的計(jì)算機(jī)控制與管理技術(shù)。“九五”期間，國家科技攻關(guān)項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金均首次增設(shè)了工廠化農(nóng)業(yè)研究項(xiàng)目，并且在項(xiàng)目中加大了計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究力度，其中“九五”國家重大科技產(chǎn)業(yè)工程“工廠化高效農(nóng)業(yè)示范工程”中，直接設(shè)置了“智能型連棟塑料溫室結(jié)構(gòu)及調(diào)控的優(yōu)化設(shè)計(jì)及實(shí)施”的專題。1.2.3 我國溫室存在的主要問題 科技含量和總體發(fā)展水平較低。我國設(shè)施栽培起步晚、基礎(chǔ)差，沒將其作為整體工程問題研究。從設(shè)施設(shè)備到栽培技術(shù)的生產(chǎn)管理不配套，生產(chǎn)不規(guī)范，難以形成大規(guī)模商品生產(chǎn)。 我國現(xiàn)有的溫室控制系統(tǒng)仍以控制一個(gè)溫室為主，沒有基于溫室群控制系統(tǒng)。這樣降低了生產(chǎn)管理效率。 溫室測控系統(tǒng)的通信仍然采用有線方式

8、。溫室測控系統(tǒng)的通信主要有485總線以及C總線等有線方式。這些有線通信方式不僅使得溫室內(nèi)的信號線和動(dòng)力線錯(cuò)綜復(fù)雜，而且導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性降低，安裝維護(hù)工作量變大，同時(shí)也不利于農(nóng)業(yè)機(jī)器人等移動(dòng)設(shè)備的作業(yè)，難以達(dá)到溫室生產(chǎn)的“工廠化農(nóng)業(yè)”水平。 缺少基于農(nóng)業(yè)專家知識的上位機(jī)管理系統(tǒng)。我國目前的溫室控制系統(tǒng)中，一些上位機(jī)只限于存儲數(shù)據(jù)，沒有根據(jù)農(nóng)業(yè)專家知識的實(shí)時(shí)控制管理系統(tǒng)。 設(shè)施水平低，抵御自然災(zāi)害的能力差。我國目前部分溫室的建筑材料主要是鋼材和玻璃。但沒有形成國家統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和工廠系列的產(chǎn)品，且應(yīng)用率僅占設(shè)施栽培面積10，而絕大部分由農(nóng)民自行建造的塑料日光溫室業(yè)只能起到一定的保溫作用，根本不能實(shí)現(xiàn)對

9、溫度、濕度、光照等環(huán)境因子的調(diào)控。 機(jī)械化水平低，調(diào)控能力差，作業(yè)主要依靠人力。生產(chǎn)管理主要靠經(jīng)驗(yàn)和單因子定性調(diào)控。1.2.4 設(shè)計(jì)內(nèi)容和設(shè)計(jì)方法本課題主要是設(shè)計(jì)一種基于伊犁河谷蔬菜大棚智能自動(dòng)化控制系統(tǒng)的管理信息系統(tǒng)，依靠低功耗的無線射頻F、節(jié)水灌溉、物聯(lián)網(wǎng)和傳感器等技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制大棚內(nèi)的溫度、空氣濕度、土壤濕度以及光照度等環(huán)境參數(shù)，通過該控制系統(tǒng)通過手機(jī)通信等途徑通知用戶，再通過用戶使用自動(dòng)化控制系統(tǒng)來控制相關(guān)環(huán)境參數(shù)，從而使生物生長在最適宜的環(huán)境下，達(dá)到農(nóng)作物能夠增產(chǎn)的效果。溫室是蔬菜栽培生產(chǎn)中必不可少的設(shè)施之一，不同種類蔬菜對溫度及濕度等生長所需條件的要求也不盡相同，為它們提供一個(gè)

10、更適宜其生長的封閉的、良好的生存環(huán)境，以提早或延遲花期，最終將會(huì)給我們帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，電子計(jì)算機(jī)已用于控制溫室環(huán)境。該系統(tǒng)可根據(jù)需要，通過按鍵將環(huán)境信息輸入MCU，根據(jù)情況可隨時(shí)調(diào)節(jié)環(huán)境。溫室環(huán)境自動(dòng)化控制系統(tǒng)在大型現(xiàn)代化溫室的利用，是設(shè)施栽培高新技術(shù)的體現(xiàn)。研究方法是通過企業(yè)系統(tǒng)規(guī)劃法來設(shè)施的， 目的是通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，讓我們將課本知識與實(shí)踐相結(jié)合，更加深刻的理解自動(dòng)控制的信息管理系統(tǒng)的運(yùn)作模式及意義，也能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識和技能更多的運(yùn)用于生活和工作中，學(xué)以致用。第2章 基于伊犁河谷蔬菜大棚智能自動(dòng)控制系統(tǒng)的信息管理系統(tǒng)的系統(tǒng)分析2.1 系統(tǒng)分析2.1.1 系統(tǒng)目標(biāo)本系統(tǒng)

11、基于自動(dòng)化農(nóng)業(yè)的思想，采用低功耗的無線射頻F、節(jié)水灌溉和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況設(shè)計(jì)出一個(gè)實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制大棚內(nèi)的溫度、空氣濕度、土壤濕度以及光照度等環(huán)境參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程終端服務(wù)器上位PC機(jī)上進(jìn)行分析、管理及遠(yuǎn)距離測控,構(gòu)成多個(gè)蔬菜大棚的智能自動(dòng)化控制信息管理系統(tǒng)，以改善以往管理者應(yīng)用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)對大棚內(nèi)的農(nóng)作物進(jìn)行灌溉、加溫、降溫、加濕、排濕和采光等人工控制,保證了棚內(nèi)的濕度、溫度、光照強(qiáng)度,具有通風(fēng)時(shí)間、卷簾時(shí)間、燈光光照時(shí)間的自動(dòng)控制和系統(tǒng)報(bào)警等功能,可自動(dòng)監(jiān)測調(diào)節(jié)農(nóng)作物環(huán)境的溫濕度、光照、O2濃度、通風(fēng)、卷簾升降、滴灌控制、門禁、巡更等參數(shù)，通過HMI（自動(dòng)化成套控制系統(tǒng)）系統(tǒng)

12、顯示輸出幫助種植者作全面細(xì)致的數(shù)據(jù)分析，將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)和相關(guān)的通訊協(xié)議傳遞給上位數(shù)據(jù)存儲和顯示區(qū)域，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)采集。并采取可靠的光纖通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的設(shè)備的操作和相關(guān)數(shù)據(jù)的報(bào)警提示等。以及根據(jù)目前國家提倡的環(huán)保節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)對每個(gè)大棚都有相關(guān)的能源的計(jì)量裝置，方便了種植者對自己所用資源的調(diào)配和對運(yùn)行參數(shù)的維護(hù)。2.2 系統(tǒng)要求2.2.1 詳細(xì)調(diào)查概述伊犁河谷蔬菜產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀 （1） 基礎(chǔ)條件 伊犁河谷地處祖國的西北邊陲，東西長350公里，南北寬280公里，土地面積56148.83平方公里。光熱資源豐富，年日照時(shí)數(shù)達(dá)3150小時(shí)，積溫豐富，晝夜溫差大，降水量是全疆平均水平的2倍，氣候濕潤。豐富的水

13、土資源和良好的自然環(huán)境十分適宜農(nóng)作物生長 （2） 發(fā)展現(xiàn)狀 近年來，伊犁州大力發(fā)展無公害、反季節(jié)、名特優(yōu)蔬菜。2009年，蔬菜種植總面積達(dá)2.7萬公頃，總產(chǎn)量達(dá)94萬噸。2008年，新增溫室大棚2.2萬座，蔬菜種植面積將達(dá)3.3萬公頃，總產(chǎn)量達(dá)148萬噸，設(shè)施農(nóng)產(chǎn)品出口10萬噸。 2010年上半年，伊寧二類口岸出口水果、蔬菜1.05萬噸，貿(mào)易額434.2萬美元，與去年同期相比分別增長466.6和567.3。近年來，哈薩克斯坦國內(nèi)對水果、蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品的消費(fèi)需求不斷增加。加之今年以來，在有關(guān)部門不斷出臺優(yōu)惠措施的前提下，出口企業(yè)紛紛把目光投向果蔬出口貿(mào)易，蔬菜產(chǎn)業(yè)對外貿(mào)易規(guī)模不斷擴(kuò)大。 近年來，種

14、子管理部門對蔬菜種子的質(zhì)量監(jiān)管更加嚴(yán)格，各種子經(jīng)營企業(yè)名優(yōu)種子銷售比例明顯提高。此外，相關(guān)部門也高度重視無公害蔬菜安全生產(chǎn)技術(shù)規(guī)程的落實(shí)，加大農(nóng)藥安全使用的宣傳教育和監(jiān)管工作，各主要蔬菜生產(chǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)積極舉辦無公害蔬菜栽培技術(shù)培訓(xùn)班，農(nóng)民對新技術(shù)、新品種的接受能力越來越強(qiáng)，科學(xué)種菜水平不斷提高。2.2.2 可行性分析報(bào)告（1） 系統(tǒng)簡述溫室智能自動(dòng)控制系統(tǒng)采用當(dāng)前比較熱門的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、ARM嵌入式技術(shù)和傳感器技術(shù)相結(jié)合的方式，精準(zhǔn)采集溫室內(nèi)部環(huán)境的各項(xiàng)指標(biāo)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)執(zhí)行器件（風(fēng)扇、加濕器、加熱器）平穩(wěn)自動(dòng)控制溫室內(nèi)部環(huán)境的變化。能根據(jù)用戶設(shè)定的參數(shù)即溫室內(nèi)的土壤濕度、土壤溫度、時(shí)間等參數(shù)來自

15、動(dòng)控制電磁閥和水泵等的自動(dòng)動(dòng)作，通過空氣溫度、空氣濕度、二氧化碳等參數(shù)來自動(dòng)控制循環(huán)風(fēng)機(jī)、加溫設(shè)備、二氧化碳發(fā)生器等的自動(dòng)動(dòng)作。（2） 項(xiàng)目目標(biāo)目前，隨著蔬菜大棚的迅速增多，人們對其性能要求也越來越高，特別是為了提高生產(chǎn)效率，對大棚的自動(dòng)化程度要求也越來越高。因此，該項(xiàng)目的目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)溫室大棚的智能自動(dòng)化控制。蔬菜大棚智能自動(dòng)化控制的信息管理系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。我們從農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)不同的階段來看，無論是從種植的培育階段和收獲階段，都可以用物聯(lián)網(wǎng)智能自動(dòng)化控制的技術(shù)來提高它工作的效率和精細(xì)管理。 在種植準(zhǔn)備的階段，我們可以在溫室里面布置很多的傳感器，分析實(shí)時(shí)的土壤信息，來選擇合適的農(nóng)作物

16、。 在種植和培育階段，可以用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)手段采集溫度、濕度的信息，進(jìn)行高效的管理，從而應(yīng)對環(huán)境的變化。比如說通過采集設(shè)備，比如說降溫了，我可以給他在溫室里加熱。 在農(nóng)產(chǎn)品的收獲階段，我們也同樣可以利用物聯(lián)網(wǎng)的信息，把它傳輸階段、使用階段的各種性能進(jìn)行采集，反饋到前端，從而在種植收獲階段進(jìn)行更精準(zhǔn)的測算。 提高效率，節(jié)省人工，如果是幾千畝的蔬菜大棚，要對各大棚進(jìn)行澆水施肥，手工加溫，手工卷簾，那要用大量的時(shí)間和人員來操作。如果應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，手動(dòng)控制也只需點(diǎn)擊鼠標(biāo)的微小的動(dòng)作，前后不過幾秒，完全替代了人工操作的繁瑣。 溫室測控自動(dòng)化注重于節(jié)省勞動(dòng)力，提高溫室生產(chǎn)的效率和技術(shù)水平，實(shí)現(xiàn)溫度、濕度

17、的測量記錄和卷簾、滴灌等設(shè)備的自動(dòng)化控制，實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)和農(nóng)藝的有機(jī)結(jié)合。從而大幅度提高溫室生產(chǎn)的技術(shù)水平，協(xié)助推進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)向精品、高端、高效方向發(fā)展。（3） 所需資源、預(yù)算和期望效益到目前為止物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在研究上比較成熟，并且物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在當(dāng)今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的具有一定的范圍，隨著科技的進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)必將成為溫室蔬菜大棚智能自動(dòng)化控制的趨勢。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為本系統(tǒng)提供了一定的理論基礎(chǔ)。根據(jù)伊犁河谷當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境以及優(yōu)越的地理位置大力推廣智能自動(dòng)控制蔬菜大棚生產(chǎn)必將取得良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益 可行性分析要素（1） 經(jīng)濟(jì)可行性伊犁河谷蔬菜大棚智能自動(dòng)控制系統(tǒng)的信息管理系統(tǒng)具有較大的本地和區(qū)內(nèi)市場空間，能夠?yàn)槠髽I(yè)帶來

18、良好的經(jīng)濟(jì)效益。伊犁州直擁有263萬人口，占全疆人口的12.8%。每年淡季凈菜消費(fèi)量在30萬噸左右，目前的實(shí)際生產(chǎn)能力只有14萬噸，尚缺口16萬噸以上，近年來每年淡季從內(nèi)地調(diào)進(jìn)6萬噸左右的鮮菜和果品。隨著人口的增長和人們消費(fèi)能力、生活水平的不斷提高，對反季節(jié)蔬菜、瓜果的需求量還會(huì)增加，當(dāng)?shù)赜兄F(xiàn)實(shí)和潛在的大市場。就疆內(nèi)市場而言，預(yù)計(jì)全疆淡季凈菜消費(fèi)量在250萬噸左右，目前的實(shí)際生產(chǎn)能力119萬噸，尚缺口130萬噸以上，這為州直設(shè)施鮮活農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)發(fā)展提供了較大的市場空間。若是企業(yè)為本系統(tǒng)投入研發(fā)資金，那么企業(yè)的將會(huì)獲得更好的利潤收入。（2） 技術(shù)可行性到目前為止無線射頻技術(shù)在研究上比較成熟，并且

19、無線射頻技術(shù)在當(dāng)今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的具有一定的范圍，隨著科技的進(jìn)步， 無線射頻技術(shù)必將成為溫室蔬菜大棚智能自動(dòng)化控制的趨勢。無線射頻技術(shù)為本系統(tǒng)提供了一定的理論基礎(chǔ)。（3） 管理可行性本系統(tǒng)的研究對象是企業(yè)和消費(fèi)者，故此本系統(tǒng)的開發(fā)會(huì)得到政府、企業(yè)的支持。 組織結(jié)構(gòu)和功能結(jié)構(gòu)(1) 組織結(jié)構(gòu)和管理功能調(diào)查通過前期對伊犁河谷當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有的蔬菜大棚種植情況的調(diào)查，經(jīng)過自己的實(shí)地考察和后期的整理為系統(tǒng)作出了智能自動(dòng)控制系統(tǒng)的蔬菜大棚組織結(jié)和功能結(jié)構(gòu)圖如下所示：基于伊犁河谷蔬菜大棚智能自動(dòng)化控制系統(tǒng)的管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)統(tǒng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)環(huán)境因子自動(dòng)化控制系統(tǒng)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)照明監(jiān)測系統(tǒng)視頻監(jiān)測系

20、統(tǒng)二氧化碳補(bǔ)氣系統(tǒng)供暖系統(tǒng)灌溉施肥系統(tǒng)防雷系統(tǒng)供電系統(tǒng)局域網(wǎng)遠(yuǎn)程訪問與控制系統(tǒng)GPRS網(wǎng)絡(luò)訪問系統(tǒng)空氣循環(huán)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)濕簾降溫系統(tǒng)圖2.1 蔬菜大棚組織結(jié)和功能結(jié)構(gòu)圖 數(shù)據(jù)流程一、 數(shù)據(jù)流程調(diào)查過程中需收集的資料溫室智能自動(dòng)控制系統(tǒng)采用當(dāng)前比較熱門的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、ARM嵌入式技術(shù)和傳感器技術(shù)相結(jié)合的方式，精準(zhǔn)采集溫室內(nèi)部環(huán)境的各項(xiàng)指標(biāo)，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)執(zhí)行器件（風(fēng)扇、加濕器、加熱器）平穩(wěn)自動(dòng)控制溫室內(nèi)部環(huán)境的變化。實(shí)現(xiàn)了如下功能并從整個(gè)系統(tǒng)所要達(dá)到的功能來看，可以得出某些所要實(shí)現(xiàn)功能的數(shù)據(jù)流程圖和節(jié)點(diǎn)原理圖如下：（1） 溫濕度監(jiān)測功能：溫濕度采集節(jié)點(diǎn)配有溫濕度傳感器SHT10，實(shí)時(shí)監(jiān)測溫室內(nèi)部空氣的

21、溫度和濕度。測濕精度可達(dá)4.5%RH，測溫精度可達(dá)0.5（在25）控制加濕器給空氣加濕，如果溫室內(nèi)空氣濕度小于設(shè)定值，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)加濕器。單片機(jī)系統(tǒng)加熱和加濕設(shè)備溫度傳感器濕度傳感器溫度、濕度范圍設(shè)定值溫 室圖2。2 溫濕度工作原理圖系統(tǒng)啟動(dòng)溫度采樣溫度超標(biāo)?關(guān)閉加溫裝置濕度采樣濕度超標(biāo)?關(guān)閉加濕裝置打開加溫裝置打開加濕裝置YYNN圖2.3 溫濕度工作流程圖（2） 照明監(jiān)測功能：光照度采集節(jié)點(diǎn)采用光敏電阻來實(shí)現(xiàn)對溫室內(nèi)部光照情況的檢測，其實(shí)時(shí)性強(qiáng)，應(yīng)用電路簡單，便于管理者操作。溫室補(bǔ)光燈，也叫植物補(bǔ)光燈，是依照植物生長的自然規(guī)律，根據(jù)植物利用太陽光進(jìn)行光合作用的原理,使用燈光代替太陽光來提供給溫

22、室 植物生長發(fā)育所需光源的一種燈具。 圖2.4 燈具（3） 視頻安防監(jiān)測功能：這項(xiàng)功能由網(wǎng)關(guān)中的攝像頭來完成。攝像頭實(shí)時(shí)捕獲溫室內(nèi)部的畫面，而后通過USB接口將畫面數(shù)據(jù)傳輸給網(wǎng)關(guān)處理。我們既可以在觸屏液晶顯示器上看到溫室內(nèi)部的實(shí)時(shí)畫面，又可以通過PC機(jī)遠(yuǎn)程訪問的方式來觀看溫室內(nèi)部的實(shí)時(shí)畫面。當(dāng)溫室周邊有人出現(xiàn)時(shí)，安防信息采集節(jié)點(diǎn)便向主控中心發(fā)送信號，同時(shí)聲音報(bào)警。安防信息采集節(jié)點(diǎn)采用的傳感器為人體紅外感應(yīng)模塊，它檢測的最遠(yuǎn)距離為7米，角度在100o左右。圖2.5 視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)原理視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)可基于網(wǎng)絡(luò)及視頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控溫室內(nèi)部畫面，并能達(dá)到實(shí)時(shí)顯示、定時(shí)截圖及自動(dòng)傳送等功能于一體的

23、圖像系統(tǒng)。視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)前端包括一臺或多臺網(wǎng)絡(luò)攝像頭；通過網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器對視頻進(jìn)行壓縮并存儲于本地硬盤中，亦可通過RJ45網(wǎng)線、光纜以及基于3G/ADSL網(wǎng)絡(luò)發(fā)送終端，將所記錄畫面主動(dòng)/被動(dòng)上傳到FTP服務(wù)器，達(dá)到用戶遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。（4） 二氧化碳補(bǔ)氣功能：植物光合作用需要光照和二氧化碳。當(dāng)光照度達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)開啟風(fēng)扇加強(qiáng)通風(fēng)，為植物提供充足的二氧化碳。單片機(jī)CO2濃度傳感器顯示器打印機(jī)采樣保持器A/D轉(zhuǎn)換器模擬量變送模塊 鍵 盤CO2發(fā)生器繼電器光電隔離專家決策上位機(jī)（PC機(jī)）圖2.6 溫室CO2濃度測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（5） 供暖系統(tǒng)功能：控制加熱器給環(huán)境升溫功能：當(dāng)溫室內(nèi)溫度低

24、于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)便啟動(dòng)加熱器來升溫，直到溫度達(dá)到設(shè)定值為止。供暖系統(tǒng)可以采用兩種方法：溫室熱風(fēng)機(jī)供暖和水暖加熱供暖水暖加熱，室溫均勻，散熱慢。圖2.7 水暖加熱進(jìn)行供暖實(shí)物圖（6） 灌溉施肥功能，采用計(jì)算機(jī)肥水灌溉運(yùn)籌系統(tǒng)。根據(jù)作物區(qū)的需要，對水培區(qū)的營養(yǎng)液成分，PH和EC值進(jìn)行綜合調(diào)控。對基培和土培區(qū)主要是根據(jù)作物生產(chǎn)需要，設(shè)定基質(zhì)、土壤的水勢值，自動(dòng)調(diào)節(jié)滴灌、噴灌系統(tǒng)的灌溉時(shí)間和次數(shù)。 圖2.8 施肥灌溉原理圖（7） 防雷功能，溫室防雷為三級，在溫室在溫室總電源進(jìn)線處加裝雷電保護(hù)器。鋼結(jié)構(gòu)做防雷接地。室外氣象站防 雷接地。（R0.5m）抗震設(shè)防：7級（8） 供電系統(tǒng)功能：供電系統(tǒng)主要是給無

25、線射頻RF模塊、主控模塊以及電池閥提供穩(wěn)定電壓，并且不間斷供電。無線節(jié)點(diǎn)的所有供電均來自太陽能電池板，太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能存儲于蓄電池中，供無線節(jié)點(diǎn)各個(gè)模塊使用，真正實(shí)現(xiàn)無線物聯(lián)網(wǎng)的無線傳輸與無線控制。電力系統(tǒng)自動(dòng)化中，電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制、無功補(bǔ)償與有源濾波、調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。（9） 局域網(wǎng)遠(yuǎn)程訪問與控制功能：物聯(lián)網(wǎng)通過網(wǎng)關(guān)加入局域網(wǎng)。這樣用戶便可以使用PC機(jī)訪問物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過操作界面遠(yuǎn)程控制溫室內(nèi)的執(zhí)行器件，維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定。圖2.9 局域網(wǎng)遠(yuǎn)程訪問與控制功能圖（10） GPRS網(wǎng)絡(luò)訪問系統(tǒng)功能：物聯(lián)網(wǎng)通過網(wǎng)關(guān)接入GPRS網(wǎng)絡(luò)。用戶便可以手機(jī)來訪問物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，了解溫室內(nèi)部環(huán)境的各項(xiàng)

26、數(shù)據(jù)指標(biāo)（溫度、濕度、光照度和安防信息）。（11） 控制參數(shù)設(shè)定及瀏覽功能：對所要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的參數(shù)（溫度、濕度）進(jìn)行設(shè)置，以滿足自動(dòng)控制的要求。用戶既可以直接操作網(wǎng)關(guān)界面上的按鈕來完成系統(tǒng)平衡參數(shù)的設(shè)置，又可以通過PC機(jī)或手機(jī)遠(yuǎn)程訪的方式完成參數(shù)的設(shè)制。（12） 顯示實(shí)時(shí)、歷史數(shù)據(jù)曲線功能：實(shí)時(shí)趨勢數(shù)據(jù)曲線可將系統(tǒng)采集到的溫室內(nèi)的數(shù)據(jù)以實(shí)時(shí)變化曲線的形式顯示出來，便于觀察系統(tǒng)某時(shí)間段內(nèi)整體的檢測狀況。可顯示出溫室內(nèi)各測量參數(shù)的日、月、年參數(shù)變化曲線，根據(jù)該曲線可合理的設(shè)置參數(shù)，可分析環(huán)境的變化對植物生長的影響。 圖2.10 歷史數(shù)據(jù)曲線圖（13） 空氣循環(huán)系統(tǒng)功能：模擬自然送風(fēng)：通過均勻的壓

27、力送風(fēng)系統(tǒng)，可有效形成棚內(nèi)空氣微循環(huán)，減少葉面結(jié)露，降低病害發(fā)生，減少農(nóng)藥用量，為無公害蔬菜生產(chǎn)創(chuàng)造了條件 。均衡溫室作物生長環(huán)境：通過溫室內(nèi)空氣微循環(huán)，使溫室各處環(huán)境達(dá)到一致均衡。 圖2.11 空氣循環(huán)系統(tǒng)原理圖圖2.12 空氣循環(huán)系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖(14) 風(fēng)機(jī)濕簾降溫系統(tǒng)功能：當(dāng)需要降溫時(shí)，通過控制系統(tǒng)的指令啟動(dòng)風(fēng)機(jī)，將室內(nèi)的空氣強(qiáng)行抽出，造成負(fù)壓；同時(shí)水泵將水打在對面的濕簾墻上。室外空氣被 負(fù)壓吸入室內(nèi)時(shí)，以一定的速度從濕簾的縫隙穿過，導(dǎo)致水分蒸 發(fā)、降溫，冷空氣流經(jīng)溫室，吸收室內(nèi)熱量后，經(jīng)風(fēng)機(jī)排出，從而達(dá)到循環(huán)降溫的目的。 圖2.13 卷簾功能原理 線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)智能溫室自動(dòng)化控制系統(tǒng)

28、以自動(dòng)控制原理為理論基礎(chǔ)，應(yīng)用傳感器與執(zhí)行器件構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)配有傳感器感知植物的生長環(huán)境，控制節(jié)點(diǎn)配有執(zhí)行器件控制執(zhí)行器件改善植物生長環(huán)境。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與控制節(jié)點(diǎn)相互配合，共同為植物提供適宜的生長環(huán)境。物聯(lián)網(wǎng)智能溫室控制實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)中共有五個(gè)節(jié)點(diǎn)，即四個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)的主控芯片為CC2430。它是一顆真正的系統(tǒng)芯片(SoC)CMOS解決方案。這種解決方案能夠提高性能并滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4GHz ISM波段應(yīng)用，及對低成本，低功耗的要求。它結(jié)合一個(gè)高性能2.4GHz DSSS(直接序列擴(kuò)頻)射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器

29、。CC2430的設(shè)計(jì)結(jié)合了8Kbyte的RAM及強(qiáng)大的外圍模塊，并且有3種不同的版本，他們是根據(jù)不同的閃存空間32，64和128kByte來優(yōu)化復(fù)雜度與成本的組合。各節(jié)點(diǎn)分布在溫室內(nèi)部。如下所示：數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)：數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)由傳感器、ZigBee無線通信芯片（CC2430）和轉(zhuǎn)接板組成。傳感器負(fù)責(zé)采集環(huán)境的數(shù)據(jù)指標(biāo)；ZigBee無線通信芯片（CC2430）負(fù)責(zé)收集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)經(jīng)路由傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器；轉(zhuǎn)接板則在傳感器與芯片之間架起了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?，起到了連接傳感器與芯片的作用，同時(shí)為整個(gè)模塊提供電源。（1） 溫度采集節(jié)點(diǎn) 溫度傳感器節(jié)點(diǎn)配有采集溫度參數(shù)的傳感器，負(fù)責(zé)采集環(huán)境的溫度數(shù)據(jù)指標(biāo)。數(shù)據(jù)采集完成

30、后再將數(shù)據(jù)經(jīng)路由器傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器。這樣溫度采集節(jié)點(diǎn)便完成了一次工作周期（2） 濕度采集節(jié)點(diǎn)濕度采集節(jié)點(diǎn)配有采集濕度參數(shù)的傳感器，負(fù)責(zé)采集環(huán)境的濕度數(shù)據(jù)指標(biāo)。同樣，數(shù)據(jù)采集完成后也要將數(shù)據(jù)經(jīng)路由器傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器。這樣濕度采集節(jié)點(diǎn)也完成了一次工作周期（3） 光照度采集節(jié)點(diǎn) 光照度采集節(jié)點(diǎn)配有采集光照度參數(shù)的傳感器，負(fù)責(zé)采集環(huán)境的光照度數(shù)據(jù)指標(biāo)。與前兩個(gè)節(jié)點(diǎn)一樣，數(shù)據(jù)采集完成后也要將數(shù)據(jù)經(jīng)路由器傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器。這樣光照度采集節(jié)點(diǎn)也完成了一次工作周期。（4） 控制節(jié)點(diǎn) 控制節(jié)點(diǎn)則由控制電路和ZigBee無線通信芯片（CC2430）組成?？刂乒?jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)執(zhí)行上級ARM平臺發(fā)送的指令完成相應(yīng)的操作。無線通信芯片通過

31、控制這三個(gè)繼電器的通斷來控制執(zhí)行器件的工作狀態(tài)，如下圖所示。例如，當(dāng)環(huán)境溫度降低時(shí)，控制節(jié)點(diǎn)會(huì)接通與加熱器相連的繼電器來啟動(dòng)加熱器。 數(shù)據(jù)字典建立為了對數(shù)據(jù)流程圖中的各個(gè)元素作出詳細(xì)的說明，有必要建立數(shù)據(jù)字典。數(shù)據(jù)字典的內(nèi)容主要是對數(shù)據(jù)流程圖中的數(shù)據(jù)項(xiàng)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理邏輯、數(shù)據(jù)存儲和外部實(shí)體等六個(gè)方面進(jìn)行具體的定義。數(shù)據(jù)流程圖配以數(shù)據(jù)字典，就可以從圖形和文字兩個(gè)方面對系統(tǒng)的邏輯模型進(jìn)行完整的描述。（1） 數(shù)據(jù)項(xiàng)又稱數(shù)據(jù)元素，是數(shù)據(jù)的最小單位。分析數(shù)據(jù)特性應(yīng)從動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩個(gè)方面去進(jìn)行。在數(shù)據(jù)字典中，僅對數(shù)據(jù)的靜態(tài)特性作了定義，具體包括：(1)數(shù)據(jù)項(xiàng)的名稱、編號、別名和簡述；（2）數(shù)據(jù)項(xiàng)的長度

32、；（3）數(shù)據(jù)項(xiàng)的取值范圍【例】 數(shù)據(jù)項(xiàng)的定義 數(shù)據(jù)項(xiàng)編號：10201 數(shù)據(jù)項(xiàng)名稱；大棚內(nèi)各種環(huán)境因子編號 別 名；環(huán)境因子編碼 簡 述：某種因子的代碼 類型及寬度；字符型，4位 取 值 范 圍；”00019999”數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義：表：蔬菜成長要求環(huán)境及信息表：該表是為統(tǒng)計(jì)蔬菜成長四個(gè)時(shí)期所要求的環(huán)境參數(shù)及狀態(tài)的表，包括溫度、濕度、光照、空氣中二氧化碳含量、土壤濕度、狀態(tài)、色澤、等屬性。表2.1環(huán)境參數(shù)及狀態(tài)的表字段說明類型備注WD_LIMITS溫度folat不為空SD_LIMITS濕度folat不為空GZ_LIMITS光照folat不為空HL_LIMITS空氣中CO2含量folat不為空TRSD

33、_LIMITS土壤溫度folat不為空SHAPE形態(tài)folat不為空COLOUR色澤folat不為空該表是為統(tǒng)計(jì)蔬菜生物和地理信息而建，包括種子類型、種子編號、采摘時(shí)間大棚號碼、主要營養(yǎng)成分四個(gè)屬性。表2.2蔬菜生物和地理信息字段說明類型備注seed_type種子類型Nvarchar(20)不為空seed_num種子編號int主鍵 不為空PICK_TIME采摘時(shí)間Varchar(20)不為空HOUSE_ID大棚號碼int不為空MAIN_NUTRITION主要營養(yǎng)成分Varchar不為空 描述處理邏輯的工具數(shù)據(jù)流程圖中比較簡單的計(jì)算性的處理邏輯可以在數(shù)據(jù)字典中作出定義，但還有不少邏輯上的比較復(fù)雜

34、的處理，有必要運(yùn)用一些描述處理邏輯的工具加以說明。下面以溫度自動(dòng)控制功能為例?？梢赃\(yùn)用結(jié)構(gòu)英語表示法。這是一種模仿計(jì)算語言處理邏輯描述方法。它使用了由“IF”、“THEN”、“ELSE”等詞組組成的規(guī)范化語言。下面是白菜成長過程中要求溫度控制的 結(jié)構(gòu)英語表示法：IF wd_limits =32 IF high_wd_limits=32IF low_wd_limits=32 THEN wd_limits down ELSE keep2.2.9 系統(tǒng)化分析在對現(xiàn)有蔬菜大棚系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)化分析是提出新的智能自動(dòng)化控制系統(tǒng)邏輯模型的重要步驟。這一步驟通過對原有系統(tǒng)的調(diào)查和分析，找出傳

35、統(tǒng)蔬菜大盆業(yè)務(wù)流程和數(shù)據(jù)流程的繁瑣和不科學(xué)之處，提出了自動(dòng)化蔬菜大棚的優(yōu)化和改進(jìn)方法，給出新系統(tǒng)所要采用的信息處理方案。（1）根據(jù)詳細(xì)調(diào)查對可行性分析報(bào)告中提出的系統(tǒng)目標(biāo)作再次考察，對項(xiàng)目的可行性和必要性進(jìn)行重新考慮，通過對系統(tǒng)建設(shè)的環(huán)境和條件的慎重調(diào)查及修正系統(tǒng)目標(biāo)，使系統(tǒng)目標(biāo)適應(yīng)組織的管理需求和戰(zhàn)略目標(biāo)。（2）分析業(yè)務(wù)流程 分析原有傳統(tǒng)蔬菜大棚中存在的諸多的問題，在新的智能自動(dòng)化控制系統(tǒng)中采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的引入使得整個(gè)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程更加完善、合理。2.2.10 構(gòu)建設(shè)計(jì)方案智能自動(dòng)化大棚是基于嵌入式系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由無線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、傳感器、變頻器和全

36、GUI的人機(jī)控制終端等組成。各種傳感器、語音呼叫和控制狀態(tài)數(shù)據(jù)由安置在各個(gè)大棚里的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)來采集，再通過無線局域網(wǎng)傳輸?shù)娇刂浦行?，?jì)算機(jī)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)比較結(jié)合PID算法來精確控制各個(gè)控制終端。用戶可以隨時(shí)調(diào)整這些自動(dòng)控制，以便讓大棚始終處于一個(gè)最佳生長環(huán)境。第3章 基于伊犁河谷蔬菜大棚智能自動(dòng)控制系統(tǒng)的信息管理系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要工作本文在設(shè)計(jì)上采用物聯(lián)網(wǎng)為控制核心的溫室大棚環(huán)境因子測控系統(tǒng)。系統(tǒng)可以獨(dú)立完成對溫室大棚內(nèi)各種環(huán)境信息的采集、處理和顯示，根據(jù)設(shè)定的需求控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，當(dāng)超限時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)發(fā)出執(zhí)行動(dòng)作。輸入通道為環(huán)境含量檢測模塊，檢測模塊使用

37、不同環(huán)境因子傳感器模塊，得到的模擬信號通過模擬接口傳入PLC變?yōu)閿?shù)字信號。輸出通道為環(huán)境因子控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，環(huán)境因子信號進(jìn)入PLC，經(jīng)過軟件處理，PLC輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)來控制環(huán)境因子含量。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一個(gè)帶有電磁閥的環(huán)境因子容器，當(dāng)PLC發(fā)出執(zhí)行信號，電磁閥就會(huì)打開放出，PLC發(fā)出關(guān)斷信號，電磁閥就會(huì)關(guān)閉。報(bào)警系統(tǒng)采用聲光報(bào)警模式系統(tǒng)在各種不同環(huán)境因子超出系統(tǒng)所設(shè)定的上限或者下限時(shí)，將會(huì)觸發(fā)報(bào)警電路，提醒工作人員注意。系統(tǒng)本身除有自動(dòng)控制環(huán)境因子含量功能外，也可手工利用電腦來發(fā)出指令，命令執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出當(dāng)前所需的環(huán)境因子，實(shí)現(xiàn)了雙向控制。系統(tǒng)還集成了其他溫室環(huán)境因子的模塊，如溫度、濕度和光照的控制等

38、，都以該系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行整合，從而實(shí)現(xiàn)溫室大棚的多環(huán)境因子共同監(jiān)控。3.1.1 總體設(shè)計(jì)（1） 需求分析 隨著居民生活水平的提高，對蔬菜品質(zhì)和種類的需求也日益增大傳統(tǒng)意義的蔬菜大棚生產(chǎn)已無法滿足人們的需求，因此智能自動(dòng)控制化的蔬菜大棚建設(shè)也是迫在眉睫。在蔬菜大棚智能自動(dòng)控制系統(tǒng)中，通過無線傳感器獲取土壤的溫度、濕度、光照等信息，把結(jié)果儲存到相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中，由遠(yuǎn)程終端服務(wù)器管理平臺系統(tǒng)通過計(jì)算、分析后給出作物的當(dāng)前適宜生長環(huán)境然后由自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)決策支持系統(tǒng)的指令自動(dòng)或有人工點(diǎn)擊按鍵完成。利用終端服務(wù)器系統(tǒng)平臺自動(dòng)控各種環(huán)境因子，以替代傳統(tǒng)人工手工控制的管理制度，實(shí)現(xiàn)控制的精確化、系統(tǒng)化、科學(xué)

39、化和自動(dòng)化。（2） 主要功能為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體目標(biāo)整個(gè)系統(tǒng)分為了以下三個(gè)大模塊: 數(shù)據(jù)采集：通過接在無線射頻模塊終端的傳感器獲取土壤溫度、濕度、PH值以及空氣二氧化碳含量、光照強(qiáng)度等信息，并在PC機(jī)上以實(shí)時(shí)波形的形式顯示出最近時(shí)間段內(nèi)各個(gè)信息值的變化情況。 數(shù)據(jù)通信：把傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)經(jīng)過無線射頻傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇K端管理服務(wù)器上，再將管理平臺的控制信息再發(fā)送到監(jiān)控節(jié)點(diǎn)完成整個(gè)數(shù)據(jù)間的雙向遠(yuǎn)程控制：用戶可以通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采集到的影響植物生長過的各種因素，然后向下位機(jī)中的鍵盤輸入影響因子的上下限值和預(yù)置值，也可以通過上位機(jī)進(jìn)行輸入，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對大棚內(nèi)作物生長的遠(yuǎn)程控制。 （3） 系統(tǒng)結(jié)

40、構(gòu)根據(jù)需求分析和需要完成的主要功能，本系統(tǒng)可劃分為以下幾個(gè)子系統(tǒng)：溫室實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、低功耗無線射頻通信系統(tǒng)、無線自動(dòng)化控制系統(tǒng)、終端服務(wù)器系統(tǒng)。；系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)低功耗無線射頻通信系統(tǒng)無線自動(dòng)化控制系統(tǒng)終端服務(wù)器系統(tǒng)圖3.1 系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)功能圖（4） 系統(tǒng)功能無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過部署大量廉價(jià)的具有無線通信和自組織組網(wǎng)能力的傳感器節(jié)點(diǎn)，相互協(xié)作地進(jìn)行監(jiān)測、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)感知對象的信息，并通過無線方式傳送信息到監(jiān)測中心或終端用戶。由于wsN監(jiān)測系統(tǒng)無需布線、安裝簡單，具有可靠性高、抗打擊能力強(qiáng)、易于擴(kuò)充等特點(diǎn)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的弊端。在本設(shè)計(jì)中，在需要監(jiān)測的區(qū)域

41、布放傳感器節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)將采集到的數(shù)據(jù)傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)送至監(jiān)控主機(jī)。本文提出了單層結(jié)構(gòu)的基于無線通信的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，有5個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)位于被監(jiān)測的區(qū)域中，帶有射頻收發(fā)器，主要完成數(shù)據(jù)的采集，如溫度、濕度、濃度以及光照等。 為了節(jié)約能耗，傳感器節(jié)點(diǎn)工作在睡眠偵聽模式，只有收到匯聚節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)請求命令才傳送數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點(diǎn)將收集的參數(shù)通過無線通信方式傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)的匯聚節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)收集和協(xié)調(diào)各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將其處理后上傳給監(jiān)控主機(jī)，以便溫室管理人員隨時(shí)查看溫室的環(huán)境參數(shù)。圖3.2 整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖3.1.2 代碼設(shè)計(jì)（子程序名稱、輸入代碼）代碼是代表蔬菜大棚智

42、能自動(dòng)化控制因子的名稱、屬性、狀態(tài)等的符號。為了便于計(jì)算機(jī)處理，一般用數(shù)字、字母或他們的組合來表示。（1） 大棚代碼：大棚代碼由一部分組成，即大棚編號，兩位字符，格式如下：大棚編號，取值范圍1993.1.3 功能結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)圖3.3 整個(gè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的功能模塊圖:3.1.4 系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)圖3.4 參數(shù)調(diào)控流程圖 圖3.5 自動(dòng)控制系統(tǒng)的流程圖3.1.5 系統(tǒng)物理配置方案設(shè)計(jì)隨著蔬菜大棚智能自動(dòng)化控制技術(shù)的發(fā)展，各種計(jì)算機(jī)軟、硬件產(chǎn)品競相投向市場。多種多樣的傳感器產(chǎn)品為伊犁河谷蔬菜大棚智能自動(dòng)控制系統(tǒng)的信息管理系統(tǒng)的建設(shè)提供極大的靈活性，使我們可以根據(jù)應(yīng)用的需要選用不同生產(chǎn)商的性能各異的軟硬件

43、產(chǎn)品。 圖3.6 溫室的硬件布局圖圖3.7 溫室大棚的硬件組成原理圖系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，硬件結(jié)構(gòu)由傳感器和單片機(jī)、控制裝置組成，傳感器將物理參量轉(zhuǎn)換為電壓并完成信號的調(diào)理，再送人模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC0809,由下位單片機(jī)AT89S51讀取，單片機(jī)將數(shù)據(jù)通過485總線送給上位機(jī)，上位機(jī)設(shè)有顯示功能，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的參數(shù)決定要采取的措施，并將信息傳給下位機(jī)，由下位機(jī)控制通風(fēng)和噴灌裝置，也可以通過鍵盤強(qiáng)制控制。智能溫室大棚控制系統(tǒng)的組成基于兩個(gè)方面：單棟溫室大棚控制系統(tǒng)和集約化生產(chǎn)連棟溫室大棚控制系統(tǒng)。后者建立在前者的基礎(chǔ)上，前者適于伊犁河谷蔬菜大棚個(gè)體種植戶的現(xiàn)狀。對于單棟溫室大棚控制系

44、統(tǒng)，設(shè)置了獨(dú)立的控制和顯示等功能，并設(shè)置了RS-232和RS-485通訊接口，便于和上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)集散控制系統(tǒng)，另外，在設(shè)計(jì)過程中考慮到農(nóng)生產(chǎn)的特點(diǎn)，每個(gè)系統(tǒng)的各部分接口都作了模塊化設(shè)計(jì)，并增加備用接口和功能，便于大棚生產(chǎn)重建和生產(chǎn)場地的變化，也增加了系統(tǒng)的通用性，擴(kuò)大了適用范圍。系統(tǒng)監(jiān)控主要由大棚基站和PC終端機(jī)兩部分組成，PC機(jī)終端是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理和控制決策中心，根據(jù)棚內(nèi)的具體參數(shù)，由終端系統(tǒng)專家發(fā)出最合理的參數(shù)設(shè)置和控制指令。大棚基站通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并與PC機(jī)終端所設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，從而對外圍電氣設(shè)備進(jìn)行控制，以改變棚內(nèi)的環(huán)境，使棚內(nèi)達(dá)到一個(gè)最佳的生長環(huán)境，并

45、把棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)、電氣設(shè)備的狀態(tài)反饋PC機(jī)終端。 制定設(shè)計(jì)規(guī)范為了將來在系統(tǒng)的使用、作和管理上不致造成極大的混亂，應(yīng)盡早從系統(tǒng)的角度，全面考慮，切實(shí)制定好設(shè)計(jì)規(guī)范，即對系統(tǒng)內(nèi)程序、文件盒處理方法等予以統(tǒng)籌命名，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)規(guī)范是整個(gè)系統(tǒng)的“公用標(biāo)準(zhǔn)”，它具體地規(guī)定了文件名和程序名的統(tǒng)一格式、編碼結(jié)構(gòu)、代碼結(jié)構(gòu)、統(tǒng)一的度量名等。因?yàn)楸菊n題屬于整個(gè)大的課題框架下的一個(gè)分系統(tǒng)所以系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)范謹(jǐn)在此說明。3.1.7 數(shù)據(jù)存儲設(shè)計(jì)文件是系統(tǒng)中存放數(shù)據(jù)的基本方式，以文件存儲為主。3.1.8 輸入輸出設(shè)計(jì)（1）輸入設(shè)計(jì)輸入方式：以鍵盤加掃描器方式為主。輸入內(nèi)容格式：輸入的數(shù)據(jù)項(xiàng)名稱、數(shù)據(jù)類型、精度、取值

46、范圍及格式要求見數(shù)據(jù)庫。 校對方式：采用人工校對。（2）輸出設(shè)計(jì)：屏幕輸出：以屏幕輸出為主，系統(tǒng)中的蔬菜信息、環(huán)境信息、人群信息等通過窗體和表格3.1.9 編寫程序設(shè)計(jì)說明書和系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告程序設(shè)計(jì)說明書是用來給處理過程下定義的書面文件。它以每個(gè)處理過程作為單位。這種說明書由系統(tǒng)設(shè)計(jì)員編寫，交給程序員使用。系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容包括：（1）系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案（2）代碼設(shè)計(jì)方案（3）輸入和輸出設(shè)計(jì)方案（4）文件設(shè)計(jì)方案（5）程序模塊說明書一旦系統(tǒng)設(shè)計(jì)被審查批準(zhǔn)，整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)工作便進(jìn)入系統(tǒng)實(shí)施階段。第4章 總 結(jié)整個(gè)設(shè)計(jì)報(bào)告共分為4章，其中第1章主要講述了緒論（選題目的和意義及國內(nèi)外相關(guān)研究綜述），第2章講

47、述了基于伊犁河谷蔬菜大棚智能自動(dòng)控制系統(tǒng)的信息管理系統(tǒng)的系統(tǒng)分析，第3章主要講述了基于伊犁河谷蔬菜大棚智能自動(dòng)控制系統(tǒng)的信息管理系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，第4章為總結(jié)。本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對大棚里植物生長溫度及土壤和空氣濕度的檢測，監(jiān)控，并能對超過正常溫度、濕度范圍的狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，使大棚環(huán)境得到了良好的控制?？偨Y(jié)了溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，分析了現(xiàn)有溫室環(huán)境控制系統(tǒng)存在的不足。溫室環(huán)境控制的目的是把各被控變量(溫室環(huán)境因子)，如光照、溫度、濕度、CO2濃度等，維持在作物生長發(fā)育要求的范圍內(nèi)，所以本論文還分析了各環(huán)境因子對作物生長發(fā)育的影響以及各環(huán)境因子之間的相互耦合關(guān)系。近年來隨著傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、智能控制技術(shù)以及生物技術(shù)等高新技術(shù)和手段的飛速發(fā)展，帶來了溫室環(huán)境控制方面的一場革命。溫室環(huán)境控制系統(tǒng)正在不斷吸收相關(guān)領(lǐng)域新的理論和方法，結(jié)合溫室作物種植的特點(diǎn)，不斷創(chuàng)新，逐步完善。參 考 文 獻(xiàn)1 贠汝文,祁廣云.ARM的溫室圖像采集設(shè)計(jì)J-農(nóng)機(jī)化研究 2010(6)2 禹業(yè)中,余有靈.基于ARM Linux的嵌入式溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J,機(jī)電一體化 2010(1)3 張麗蓮.基于S3C2440的溫室大棚多點(diǎn)溫度監(jiān)測系