智能温室在物联网时代的发展研究.doc

目录摘要1关键词1Abstract1Key words11 引言12 温室作物需求分析12.1 温室环境因子分析22.1.1 温度因子22.1.2 湿度因子22.1.3 CO2因子22.1.4 光照因子22.2 对各种因素及其影响的分析33 系统功能设计33.1 总体设计方案33.2 总体设计框图33.3 功能设计43.4 性能特点63.5 接口规范64 智能化管理85 核心算法96 总结12致谢13参考文献13智能温室在物联网时代的发展研究网络工程专业学生 宋国庆指导老师 吴俊华摘要：随着计算机技术的发展，各个产业已经发生了翻天覆地的变化，由此也引发了农业生产变革，智能温室的研发就是为了解放人力、提高生产效率。物联网能够通过各种感知方式来获取物理世界的各种信息，结合网络进行信息的传递与交互，再采用智能计算技术对信息进行分析处理，在农业生产上可以发挥巨大作用。对国内温室进行调查后，从需求分析、技术实现法两个方面入手，对基于物联网的智能温室测控系统进行了分析研究，阐明了该项目的操作可行性，按照物联网与互联网的特性，也分析了智能温室系统的功能与接口问题。关键词：物联网 计算机 智能温室The Research of Intelligent Greenhouse Development in the Era of the Internet of ThingsStudent Majoring in Network Engineering Song Guoqing Tutor Wu Junhua Abstract: With the development of computer technology, each industry has changed dramatically, which also makes enormous changes in agriculture production.To liberate labor force and improve the production efficiency, intelligent greenhouses are developed. Internet of Things can get us information of the physical world through various ways of perception. Combined with the information transmission and interaction of network, and through the information analysis and process using intelligent computing technology, Internet of Things can play an important role in agriculture production. After investigating the domestic greenhouse, from two aspects of demand analysis and technical implementation method, the intelligent greenhouse measurement and control system based on Internet of things is studies and analyzed, the feasibility of the project is expounded, also the function and interface problem of the intelligent greenhouse is analyzed by the characteristics of Internet and Internet of Things.Key words：Internet of Things; Computer; Intelligent Greenhouse1 引言传统的温室管理方式需要大量的人工，而随着劳动力成本的不断上升，对智能化温室自动控制系统的开发需要不断被提出来。在20世纪70年代，国外就开始对温室环境控制技术进行研究，但我国的温室产业尚处起步阶段，由于基础薄弱各行业的发展不平衡，与国外先进技术相比，我国的工厂化农业生产的总体水平依然有非常大的差距。智能温室是自动化控制程序用于温室智能控制的结果：比较人工的控制来说，智能控制最大的好处就是能够相对恒定的控制温室内部的环境，对于环境要求比较高的植物来说，更能避免因为人为因素而造成生产损失。相对生产来说，将智能化控制系统应用到温室生产以后，产量与质量比人工控制的温室都有极大的提高，对于不同的种植品种而言，提高产量与质量相对不同，对于档次较高的经济作物来说，生产效率可以提高30%以上。相对运行成本来的核算，对于有一定规模的种植企业来说，极大的降低了劳动力成本，设备的投入与运行，可以完全由节约下来的劳动力成本中核算出来，使用时间越长，光节约的劳动力成本就是一笔巨大的利润。2 温室作物需求分析2.1 温室环境因子分析作物生长环境如图1所示。影响作物生长的因子主要有五个，即温度、湿度、光照、CO2浓度和营养液。而在作物生长的不同时期，起主要作用的环境因子各不相同，一般情况下，在作物的苗期，温度占主导地位，适宜的温度利于幼苗的发育。生长期则是湿度起主要作用，此时作物生长迅速，需要大量的水分，因此要保持足够的湿度，但湿度太大容易引发病虫害的发生，影响作物的生长。而在开花结果期则要重视光照和CO2、光照充足，作物才能更好地进行光合作用，CO2增浓可使作物增产，果实丰硕。因此要在对作物的生态特性了解的基础上，抓住主要的环境因子，把其它因子与主要因子协调起来。氢叶绿素卡尔文循环光水分解二氧化碳ATP+P氧葡萄糖图 1 作物生长所需环境2.1.1 温度因子任何植物都是生活在具有一定温度的外界环境中并受着温度变化的影响。首先，植物的生理活动、生化反应，都必须在一定的温度条件下才能进行。一般而言，温度升高，生理生化反应加快、生长发育加速；温度下降，生理生化反应变慢，生长发育迟缓。当温度低于或高于植物所能忍受的温度范围时，生长逐渐缓慢、停止，发育受阻，植物开始受害甚至死亡。其次温度的变化能引起环境中其它因子如湿度、降水、风、水中氧的溶解度等的变化，而环境诸因子的综合作用，又能影响植物的生长发育、作物的产量和质量。2.1.2 湿度因子空气湿度影响植物蒸散以及植物组织中水分平衡的变化。相对湿度小，则植物蒸腾旺盛，吸水较多，植物对养分的吸收也多，生长加快。所以在一定程度上，空气湿度小些对植物是有利的。空气中水分达到饱和，植物的生长就会受到抑制，谷物籽粒的灌浆速度也降低。湿度还影响作物成熟时的脱水过程，延迟收获，降低质量，且不易收藏。湿度过低可能导致干旱，特别是高温低湿，影响更加严重，轻者减产，重者萎蔫死亡。温度对病虫害的影响也很大，潮湿的天气有利于真菌和细菌的繁殖。如稻瘟病、小麦锈病、橡胶白粉病等都是在高湿条件下发生的，而许多害虫则在低湿条件大量发生。2.1.3 CO2因子 CO2是影响植物进行光合作用的重要因子，如果不足会成为影响植物生长发育的限制因素。充足的CO2对于温室内作物幼苗素质的提高和生长发育的促进有显著的影响，尤其在蔬菜作物的前期指数生长阶段，经过高浓度CO2处理，净同化率和叶面积扩展率较高。因此补充CO2的增产作用主要表现在前期产量上。2.1.4 光照因子光照强度对农作物光含作用和产量的形成起着十分重要的作用。一定范围内，随光照的增强，光合强度也增强，光照强度增加到一定程度时，光合强度不再增加，这时的光照强度称为光的饱和点。叶片只有处于光饱和点的光照强度下，才能发挥其最大曲制造与积累干物质的能力。超过光的饱和点，光合作用强度不变甚至降低，而且过高的光照强度会损害植物的叶面组织细胞，导致植物死亡。但光强过弱，往往会减慢发育速度，延迟开花结果，在纱幕遮阴下，果树开花结果不良。2.2 对各种因素及其影响的分析由以上材料分析得到，温室作物是在环境参数的综合影响中成长的。光、温度、湿度、CO2浓度等环境因子共同对产量和质量起作用，而不是单个要素个别地调整所能奏效；在温室环境的控制中，各控制变量之间是相互影响、相互联系、相互补偿。如阴雨天时需补光，又会带来温度上升和相对湿度下降，但相对湿度的下降直接导致了植物光合作用产物形成的减弱，因而温度较高、光照较强时，只有相对湿度增加才有利于光合作用产物的形成。3 系统功能设计3.1 总体设计方案在设计系统总体方案时需要考虑硬件和软件两部分。从低成本、小体积和易操作上考虑，尽量选用软件完成某些功能。由于要求系统体积小、重量轻、功耗低，因此系统设计时尽量选用低功耗和高度集成的器件。根据系统的设计内容及要求，设计方案构思如下：核心模块使用EasyARM1138基站，由温度、湿度、光强、烟雾及人体等传感模块，分别采集温度、湿度、光照强度、烟雾及人体等环境因子，然后将这些数据传送给EasyARM1138基站进行处理。数据通过温室内的LCD实时显示，并经由无线通信模块传输给客户端控制软件处理和显示，客户端控制软件对采集到的数据进行处理，将实际测量值与设定值比较后，通过向基站发出控制指令控制传感器网络中的各种设施或发出报警信号。基站与PC机之间采用无线通信模块进行通信。系统采用了按键复位功能，晶体振荡器的频率选用11.0592MHz，以便提供RS232通信所需要的准确波特率。各数字量设定值及有关修正参数由客户端软件设定。携带有无线摄像头的机器人可以在手动控制情况下巡查温室，并传回音、视频信号。3.2 总体设计框图系统的原理构成框图如图2所示。主要包括以下几个组成部分：参数采集模块、基站数据处理、控制执行电路和无线通信模块等。Easy ARM1138温度传感模块湿度传感模块光传感模块烟雾传感模块人体传感模块供电传感模块继电器继电器继电器继电器热风炉LED灯风扇滴灌卷帘LCD蜂鸣器无线通信模块无线通信模块PC端温室控制软件PC对温室大棚实时监测控制图 2 系统原理构成3.3 功能设计智能温室系统将传感器及物联网技术应用到现代温室的智能控制管理系统中，利用最先进的生物模拟技术，模拟出最适合棚内植物生长的环境，采用温度、湿度、光强、烟雾、人体等传感模块感知温室的各项环境指标，并通过基站和客户端软件进行数据分析，对温室的LED灯、保温帘、热风炉、风扇及滴灌等设施实施智能自动控制，从而改变温室内部的作物生长环境，为作物提供最适宜的生长条件。用户也可以根据需要对温室设施进行手动控制。同时系统中还包括人体红外传感器和摄像头，启用后可对大棚进行防盗保护，轻松解决困扰众多用户的安全问题。客户端控制软件要求操作简单快捷，容易上手。用户可以选择智能自动控制或手动控制，在自动控制中可以针对作物的品种设置相应的最适参数进行有针对性的控制。系统另有携带有无线摄像头的机器人巡查温室。摄像头的音、视频信号通过无线网络传回客户端并显示。用户可以通过客户端控制软件实时控制机器人的行进路径。客户端软件采用C+语言编写，主要分为通信及显示两大功能模块：通信模块，调用Windows API实现了与硬件部分的通信；显示模块，使用CEGUI SDK 0.7.5实现用户交互界面的开发。在自动控制模式下，界面上会显示最适温度和最适湿度的当前设定值以及自动控制信息提示框。可以根据不同的作物种类对最适温度和最适湿度进行修改。设置后不需要手动控制任何设施的开关，系统会根据设置的最适值自动进行控制，并在提示框中显示自动控制信息。，人工控制状态下可由用户对大棚内各设备进行控制。温度智能控制功能如图3所示，湿度智能控制功能如图4所示，光、烟雾、人体传感智能控制功能如图5所示。温度传感模块接收数据不启动加热设备不启动降温设备温度i、jNNia&jb&jb与最适温度a、b比较启动加热设备启动降温设备温度正常温度正常NN结束图 3 智能控制流程图一湿度传感模块接收数据不启动加湿设备不启动降湿设备湿度k、lNkc&ld&ld与最适湿度c、d比较启动加湿设备启动降湿设备湿度正常湿度正常NN结束图 4 智能控制流程图二光传感模块烟雾传感模块人体传感模块接收数据接收到光强m接收到烟雾n程序检测与卷帘值e比与报警值h比检测闯入me帘子放下帘子卷起nh声光报警不启动声光报警启动声光报警NNN图5 智能控制流程图三3.4 性能特点首先是可靠性。可靠性管理是质量管理的一项重要内容，在从设计、开发到使用的全过程中，为提供满足用户使用要求的高有效性的系统，必须具备以下要素：（1）自主控制，能根据环境变化做出自动调整，保证作物始终生长在最适宜环境下；（2）自主学习，系统的控制模型具备自学习能力，能尽可能减少人为干预；（3）自愈能力，在某节点传感器或中间路由损坏后，系统能够就近选择其他节点组网并完成信息收集反馈。然后是可用性。系统必须具有很高的实用性，适合于不同文化水平的温室种植者，界面简洁，操作简单，容易上手，成为温室管理者的好工具。最后是可维护性。系统必须保持工作稳定，在出现问题时维护人员可以简单的对传感器网络的软硬件和客户端的控制软件进行维护。3.5 接口规范传感器网络的输出、客户端控制软件的输出内容如图6、图7所示。1-4：前导码5-8：温度19-12：温度213-14：湿度15-16：湿度217-20烟雾20-23：光强帘子灯光风机灌溉暖气人体Signal32-42：预留图6传感器网络输出内容传感器网络输出规范：1-4：前导码read（8bit*4）。ACSII字符，小写，表示从大棚端发送至PC机的串口信息。5-8：温度1两个整数位，一个点，一个小数位。9-12：温度2两个整数位，一个点，一个小数位。13-14：湿度1两个整数位。15-16：湿度2两个整数位。17-20：烟雾4个整数位，大于900为有烟雾，小于500表示无烟雾。21-24：光强4个整数位。25：保温帘：o、f。o：帘子打开，f：帘子关闭。 字母o(0x6F)，和字母f(0x66)。26：LED灯o、f。o：打开状态，f：关闭状态。 字母o(0x6F)，和字母f(0x66)。27：风扇o、f。o：打开状态，f：关闭状态。 字母o(0x6F)，和字母f(0x66)。28：滴灌o、f。o：打开状态，f：关闭状态。 字母o(0x6F)，和字母f(0x66)。29：热风炉o、f。o：打开状态，f：关闭状态。 字母o(0x6F)，和字母f(0x66)。30：人体h、n。h：有人，n：无人状态。31：Signalo、f。o：基站自动控制打开状态，脱离PC；f：基站自动控制关闭状态。 字母o(0x6F)，和字母f(0x66)。32-42：预留扩展默认都输出0字符。ASCII，0x30。1-5前导码卷帘灯光风机灌溉暖气人体Signal温度最高值温度最低值温度最高值湿度最低值21-28：预留扩展21-28：预留扩展28-42：预留扩展图 7 客户端控制软件的输出内容传感器网络的输入：1-5：前导码write（8bit*5）。ACSII字符，小写，表示从PC向大棚的操作。6：卷帘u、f d。u：向上；f:关闭状态,d:向下。当且仅当signal=f的时候有效，基站控制权交给PC。7：LED灯o、f。o：打开状态；f：关闭状态。 字母o(0x6F)，和字母f(0x66)。当且仅当signal=f的时候有效，基站控制权交给PC。8：风扇o、f。o：打开状态；f：关闭状态。 字母o(0x6F)，和字母f(0x66)。当且仅当signal=f的时候有效，基站控制权交给PC。9：滴灌o、f。o：打开状态；，f：关闭状态。 字母o(0x6F)，和字母f(0x66)。当且仅当signal=f的时候有效，基站控制权交给PC。10：热风炉o、f。o：打开状态；f：关闭状态。 字母o(0x6F)，和字母f(0x66)。当且仅当signal=f的时候有效，基站控制权交给PC。11人体o、f。o：打开状态；f：关闭状态。 字母o(0x6F)，和字母f(0x66)。人体检测。12：Signalo、f。o：开启基站自动控制；f：关闭状态，关闭基站自动控制，控制权交给PC。13-14：温度最高值2位整数，与两个温度值取平均对比。当且仅当signal=o的时候有效，脱离PC，基站自动控制。15-16：温度最低值2位整数，与两个温度值取平均对比。当且仅当signal=o的时候有效，脱离PC，基站自动控制。17-18：湿度最高值2位整数，与两个湿度值取平均对比。当且仅当signal=o的时候有效，脱离PC，基站自动控制。19-20：湿度最低值2位整数，与两个湿度值取平均对比。当且仅当signal=o的时候有效，脱离PC，基站自动控制。21-42：预留扩展默认输出0字符。ASCII，0x30。4 智能化管理在实现单个温室智能控制后，必须考虑在管理大系统中实现系统集成，分别对单独温室单位构建各自的农业子系统，各个子系统均受各自的局部协同控制器的智能调控，同时应用多目标优化等智能手段做系统自适应寻优。而处于该系统宏观级的协调控制器则通过观测递阶和递阶信息流，借助于Internet网络将智能决策全局优化作为给定去约束各个局部协同控制器，从而达到整体系统的智能化和管控高效、合理化。多个温室系统智能化管理构成图如图8所示。图8 智能化管理系统在这个递阶型智能农业大系统中，微观级包含了农业系统最底层（现场层）的所有系统、是大系统的最终控制对象和信息采集对象，故由大量的传感器组成的农业传感网、以及由此而进化的横向的物-物相关联的物联网应该处于这个层面。可以看出，这些底层网络为实现智能农业大系统的整体最优调控起到了非常重要的管理信号、控制信号载体的作用。我们设计的农业物联网应具备四层功能：感知层、传输层、处理层和应用层。而网络控制器融合了处理层和应用层的内容，并在I/O 界面设计了接口A和接口B。接口A用于农业领域传感器的即插即用，比如常用的RS232、RS485等，而接口B则用于网络外部拓扑传输接口，如以太TCP/IP 等，这里定义为与智能农业协同控制器的接口。对于网络控制器的设计要求建议具备如下功能： （1）融合以太网（Ethernet）、并基于TCP/IP通讯标准的接口 因为目前工业控制领域的控制网络,无论是有线的、还是无线的已经向用以太网络取代各种现场总线的方向发展，并大量兼容TCP/IP标准。因此今后绝大部分传感器的网络接口都具备基于TCP/IP协议的以太网接口； （2）具备路由器（Hub）功能，并含有网关这是作为数据双向传输的一般要求而设计的； （3）具备数据处理和数据融合功能 这里我们定义其具备数据融合能力是基于将有用的、关联信息在此就地进行融合处理，然后将结果发往上位智能协同控制器，其可以极大地避免远程数据传出的数据丢失、和海量数据导致数据通道拥塞问题发生，又可以减轻智能协同控制器的在线运算负担； （4）具备数据暂存能力 有些时候的网络数据传输是需要等待的，故有必要配置暂存器； （5）报警及热备份 作为一个具备网络控制功能及数据传输、和调节的关键环节，其故障报警及控制备份处理是必备的措施；为了实现智能农业大系统的有效控制，这里还要求农业物联网的感知层具备数据分解和数据锁存及放大驱动能力，最后通过此通道驱动通用执行器完成系统的控制和调节动作。 5 核心算法系统启动初始化单片控制模式液晶板提示声光报警是否正常N传感器开始采集数据数据是否正常液晶显示器显示数据N系统启动智能控制模式通过无线发送给计算机图9 算法流程图 客户端软件采用C+语言编写，使用Visual Studio 2010作为开发工具。主要分为通信及显示两大功能模块：通信模块，调用Windows API实现了与硬件部分的通信；显示模块，使用OGRE 3D SDK 1.7.2作为三维引擎，并利用OGREMax辅助进行三维模型的格式转换及导入，使用CEGUI SDK 0.7.5实现用户交互界面的开发。可实现对大棚状态的实时监测，智能控制与人工控制的切换，智能控制状态下可交给硬件进行自动控制无需用户手动干预，算法流程如图9所示。传感器网络核心代码：/温度模块开始 /温度模块1开始 if(presence = 0X02) str1 = 错误; str2 = 请检查温度传感器; LCD_WriteStr(1,3,str1); LCD_WriteStr(3,1,str2); else str3 = 温度一: ; tem = readTemp(); if(tem80) tem=20; sprintf(temp,%f,tem); temp4=0; LCD_WriteStr(1,1,str3); LCD_WriteStr(1,5,temp); /温度模块1结束 /温度模块2开始 if(presence2 = 0X02) str12 = 错误; str22 = 请检查温度传感器; LCD_WriteStr(3,3,str12); LCD_WriteStr(4,1,str22); else str32 = 温度二: ; tem2 = readTemp2(); if(tem280) tem2=20; sprintf(temp2,%f,tem2); temp24=0; LCD_WriteStr(2,1,str32); LCD_WriteStr(2,5,temp2); /温度模块2结束 /湿度模块开始 Rx_DTH(); sprintf(Wet,%d,U8RH_data_H); Wet2=0; LCD_WriteStr(3,1,湿度一: ); LCD_WriteStr(3,5,Wet); /湿度模块结束 /湿度模块2开始 Rx_DTH2(); sprintf(Wet2,%d,U8RH_data_H2); Wet22=0; LCD_WriteStr(4,1,湿度二: ); LCD_WriteStr(4,5,Wet2); /湿度模块2结束 /烟雾模块开始 smo=(int)(SmokeGet(); if(smo999) smo=999; sprintf(smoke,%d,smo); smoke3=0; uartPuts(烟雾浓度：); uartPuts(smoke); uartPuts(rn); /烟雾模块结束 /光强模块开始 sun =(int)(adcSample2(); / ADC采样sun = (int)(-0.3349*(sun * 3000) / 1024)+1013.7309); / 转换成电压值 if(sun999) sun=999; sprintf(sunBuf, %d, sun); / 输出格式化 sunBuf3=0; uartPuts(当前光强：); uartPuts(sunBuf); uartPuts(rn); /光强模块结束传感器网络与客户端控制软件的通信模块：void TX_Mode(void) int i; /温度 tx_buf0=r; tx_buf1=e; tx_buf2=a; tx_buf3=d; for(i = 4;i 8 ;i+) tx_bufi = *(myTemp+); /在该文件头有定义，长度是20 for(i=8;i12;i+) tx_bufi = *(myTemp2+); /湿度1 for(i=12;i14;i+) tx_bufi = Weti-8; /湿度2 for(i=14;i16;i+) tx_bufi = Weti-10; /烟雾 for(i=16;i20;i+) tx_bufi = smokei-12; /光强 for(i=20;i24;i+) tx_bufi = lightBufi-16; tx_bufi=0; NRF_IO_Clr(&CE); SPI_Write_Buf(WRITE_REG + TX_ADDR, TX_ADDRESS, TX_ADR_WIDTH); SPI_Write_Buf(WRITE_REG + RX_ADDR_P0,TX_ADDRESS, TX_ADR_WIDTH); SPI_Write_Buf(WR_TX_PLOAD, tx_buf,TX_PLOAD_WIDTH); SPI_RW_Reg(WRITE_REG + EN_AA , 0x01); SPI_RW_Reg(WRITE_REG + EN_RXADDR , 0x01); SPI_RW_Reg(WRITE_REG + SETUP_RETR , 0x1a); SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RF_CH , 40 ); SPI_RW_Reg(WRITE_REG + RF_SETUP , 0x07); SPI_RW_Reg(WRITE_REG + CONFIG , 0x0e); NRF_IO_Set(&CE);void Timer2A_ISR(void) unsigned long ulStatus; ulStatus = TimerIntStatus(TIMER2_BASE, t