基于嵌入式系统技术的温室环境测控系统

基于嵌入式系统技术的温室环境测控系统摘要：温室大棚是当今全球设施农业的重要组成部分，是现代全球农业发展的重点之一。它可以在瞬息万变的自然条件下为作物生长人为创造一个适宜的环境。全球温室种植业的实践经验表明，提高温室的智能控制和管理水平可充分发挥设施农业的高效性。而我国在温室大棚智能控制方面的应用跟世界发达国家相比还有较大的差距。目前国内设施温室应用的主要环境变量测控系统大多为国外进口产品，这些产品技术含量非常高，测控效果非常好，但相对价格非常高，通常只被应用于国内少见的大型或高档连栋温室。少数国产装置无论技术水平还是测控效果均不甚理想，尤其是缺少能够应用于我国常见的中小型日光温室的低成本智能测控装置。本文结合当今最热门的嵌入式技术和无线传感器网络技术，并根据目前国内常见中小型日光温室环境控制需求，设计并实现了一套设施农业日光温室智能嵌入式控制系统。关键词：温室控制，嵌入式系统，设施农业，无线传感器引言随着社会经济的快速增长，现代农业已成为我国农业的发展方向，尤其是随着人口的增长，需求的不断增加，耕地的日益减少，更加促使了农业现代化的快速发展，高投入高产出的现代农业种植理念，使得设施农业成为世界农业现代化的一个重要发展方面，从传统农业向优质高效的现代化农业转变成为我国农业发展历史上新的阶段，设施农业是我国今后较长时期内农业发展的一个主要方向1。设施农业就是一种利用农业工程手段，在农业生产上用改善自然环境的办法，来获得植物最适宜的生长条件的方法，即用人工控制环境因素来满足植物最佳生长条件从而获得最大的经济效益；是科技含量高、高投入、高产出、高效益的集约化生产方式2。设施农业关键作用，就是能解决农业生产若干必须的气候条件，包括光、温、水、气等在匹配上的理想化。随着科学技术的发展，先进的、尖端的科学技术已逐步应用于设施农业中3。作为现代生物技术和工程技术的集合，设施农业涵盖了建筑、机械、环境、自动控制、品种、栽培、管理、市场等多个领域、多种系统，设施农业中温室工程的建设与发展是都市现代农业发展的重要组成部分，是设施农业发展的高级阶段。温室工程是以综合国力的强盛为背景，以农用工业的发展为基础，以生物技术、工程技术、信息技术的发展为依托的高新技术产业。温室作为设施农业的生产车间，可以为农作物创造出最佳的生长条件、通过改变温室内农作物的生长环境来避免外界恶劣环境气候变化对其影响4。国内外温室种植业的实践经验表明，提高温室自动控制和管理水平是现代温室生产中的重要课题。温室控制的重要目的是通过改善温室环境，为作物生长创造有利条件，实现高产高效与可持续发展。随着世界各国温室面积不断扩大以及自动化装备的不断创新与应用，设施农业生产进入了新的发展阶段，温室控制技术的发展对于温室产业乃至我国的农业现代化进程具有深远的影响5。因为传统温室内的人为环境调控能力很低，工作人员又不能及时准确地了解和调控温室内的各种环境参数值，不能给植物生长发育提供适宜的生态环境，使产品的产量和品质都受到了很大影响。农业要再有大的发展，增强温室内的人为环境调控能力势在必行6。随着嵌入式技术、移动通信技术、智能传感技术以及自动控制技术的迅猛发展，温室控制技术也向着数字化、网络化、智能化方向发展7-8。1 国内外研究现状温室环境控制技术是随着计算机技术和农业技术的进步而逐渐发展起来的，并向着网络化、智能化方向发展。世界各国已将温室环境远程监控技术的研究作为可控环境农业的研究重点，温室环境控制技术在世界得到广泛的应用，现代温室及配套设施已采用专业化、集约化和规模化生产，规范有序的市场经营和国际化的市场体系运作，成为当今世界最具活力的新兴产业之一和现代农业的亮点9-10。本节通过查阅大量的文献，归纳总结了目前国内外温室远程监控技术的研究现状。就总体情况而言，国外对温室环境控制的研究起步早，基础较好，己经有成熟先进的产品研制成功并投入生产应用；国内在温室控制系统方面的自主研制起步晚，发展缓慢，不过通过努力和借鉴国外经验也取得了一些成果，对我国现代农业的发展起到了巨大的推动作用，促进了我国温室生产技术的发展。下面从国外、国内分别综述温室环境远程监控技术的研究现状。1.1 国内温室环境远程控制技术的研究现状我国的近代温室开始于20世纪30年代，现代化温室生产在20世纪80年代初开始，到了20世纪90年代，我国现代化温室得到快速发展，温室成为农业产业结构调整的重要内容，我国先后从荷兰、法国、以色列、西班牙、美国、日本等温室技术发达国家引进了一系列的现代化温室进行试验研究，其中包括加温降温系统、灌溉系统、控制系统及其它附属设备，通过第一次大规模的温室及配套系统的引进，我国开始了进行现代化温室生产、研究和普及工作。我国在温室控制技术方面的研究始于20世纪80年代，在引进并充分吸收国外环境控制的先进技术基础上，我国的科研工作者掌握了系统的人工气候室内微机控制技术，虽然该技术只是局限于对于温室内的单项环境因子进行控制，但是温室环境控制技术在我国发展迅速11。到了20世纪90年代的中后期，江苏理工大学的毛罕平教授等研究并开发了温室环境自动控制系统12-13,是目前国产化温室环境控制系统较为典型的研究成果，能实现对营养液系统、温度、光照、CO2施肥的综合控制，他们综合利用温度、湿度、光照、CO2等气候条件控制，滴灌、微灌技术控制和计算机远程控制等，具有设计新颖、自动化控制程度高的优点。20世纪初，东北林业大学的机电工程学院在现代化温室方面做了大量的研究开发工作，实现了对多栋温室进行集中监控14。中国农业科学院在2001年研究了温室番茄生产实时在线辅助决策支持系统，与此同时，以“国家农业信息化工程技术研究中心”为代表，在温室环境智能控制系统、基于无线网络的远程控制技术、专家系统技术以及传感器技术等方面都开展了很多的实验研究15。“十五”期间国家重点科技攻关863和国家自然科学基金又启动了一批相关项目，国家在“十五”攻关项目中启动了“温室环境智能控制关键技术研究与开发”课题，国家“863”计划“可控环境农业生产技术”研究内容包含研制可控环境自动控制系统、信息自动采集系统等。该项目中以中国农业科学院、国家农业信息化工程技术研究中心等一些科研院所为代表，在温室专用传感器、计算机综合控制系统研究开发方面做了大量的工作。其中，中国农业科学院可控环境农业研究室开发的基于WEB和RS-485总线的温室环境监控系统，应用VB.NET和ASP.NET技术规范构建了B/S（Browser/Server）模式下的分布式温室远程监控系统16，监控现场硬件系统应用RS-485总线将数字传感器相连接，通过Internet浏览温室现场环境数据，可监测农业设施现场环境因子状况并进行统计分析，研究工作人员可以不必亲临现场通过网络就可掌握植物生长状况并进行远程监控，大大提高了农业信息化程度。以上是几个典型的开发研究事例，总体上说，我国温室环境控制技术水平在迅速提高，但是我国自行开发的温室测控系统其技术水平和调控能力与国外发达国家相比还有一定差距，我国要实现真正的工厂化农业生产还需长期努力来实现，因此还需要在技术上进一步改进和提高。1.2 国外温室环境远程控制技术的研究现状随着计算机技术的进步和智能控制理论的发展，温室作为设施农业的重要组成部分，其自动控制和管理技术不断得以提高，在世界各地都得到了长足的发展。据联合国贸易组织统计，在温室产品的国际贸易中，发达国家占绝对优势，约占出口总销售额的80%，而发展中国家仅占20%。随着科学技术飞速发展，现代化水平不断提高，衡量一座温室性能好坏的标准关键在于温室对影响作物生长的要素（如温度、湿度、光照、CO2等）的调控程度，以及调控所达到的智能化水平。20世纪70年代，国外开始对温室环境控制技术进行研究，系统采用模拟式的仪表，采集、显示现场环境因子信息，并进行控制。到了80年代末期，随着微电子技术的发展，主要采用分布式控制系统，系统通过采集、控制设备采集现场环境信息并实现部分的控制，使温室监控技术达到了新的水平，并迈入了网络化、智能化阶段17。到目前为止，各国正在研发基于计算机技术和数据采集控制技术的综合多因子控制系统。一些国家的温室环境控制技术发展较快，并向着自动化、智能化的方向发展18。像以园艺业著称的荷兰自动化玻璃温室制造水平处于世界先进水平，有85%的温室种植者使用环境控制计算机。日本利用计算机对温室环境进行控制，并且实现了作业机械化、自动化等控制功能。国外温室环境控制技术的研究主要表现为以下两个方面：一方面，计算机为主的信息技术普及应用。可控环境农业发达国家比如日本、荷兰和美国等，这些国家在温室生产设备、管理水平和手段等方面都具领先的地位。在 1995 年，日本已经有 6000多台计算机应用于温室，进行温室现代化的生产管理，到目前，日本的农业生产管理部门中有 92%的比例是利用计算机进行温室管理的。他们利用计算机温室控制系统对温室内环境因子进行自动调控，系统中用到的调控设施有补光系统、开窗通风系统、加温系统和降温系统、控制灌溉系统等，计算机温室控制系统可以根据温室内环境状况自动地控制补光灯开关、通风窗的开关、温室内环境的加温和降温，还根据农作物所处的土壤湿度调控灌溉系统，最终将温室环境调控到适宜温室内农作物生长的状态。与此同时，系统可以对温室内环境数据信息以及控制设施的运行状态进行自动记录并存储。近年来，日本还研制出一种遥感温室环境控制系统，将分散的温室同计算机控制中心连结，实行更大的温室自动化管理。还有日本四国电力集团开发的“Open PLANET”远程监控系统，这个系统可以实现温室的集群管理，有助于管理地域上分散的温室群19。此外，日本还在一些温室内安装了视频监测系统，温室工作人员可以通过网络实时掌握了解温室内植物的生长状态，方便掌握选择合适的果实采摘时间，有的是为了消遣观赏。荷兰作为世界著名的鲜花生产王国，全国现有 1104hm2玻璃温室全部由计算机进行控制，温室的管理人员可以利用温室计算机控制系统的操作界面进行温室内环境参数的设置以及环境信息显示，系统可以显示设定参数和采集数据的曲线分析图，种植者根据这些曲线图分析、比较设定值和实际的温室环境因子数值，查看系统数据库中的历史数据，同时利用计算机的串口实现计算机上位机与下位机温室控制终端的点对点通信，对温室内温湿度等环境状态进行调控。美国作为发明计算机最早的国家，在多数的温室内装配了温室环境控制计算机，并开发和研制了温室专家系统控制软件，实现了高层次的农业技术集成，综合环境控制技术水平非常高，不仅能保存和传播各类温室信息，同时也利用现代信息技术手段帮助种植者解决生产中遇到的实际问题，提高了种植者的经济效益20。此外，一些发达国家目前建造了高效益的植物工厂，实现了工厂化生产蔬菜等，摆脱自然条件的束缚，在封闭的空间内，利用计算机对植物生育的温度、湿度、光照、CO2浓度以及营养液等环境条件进行自动控制，使设施内植物生育不受或很少受自然条件制约的省力型生产21。另一方面，网络化，智能化水平不断提高。在国外，网络信息技术、局域网控制技术被逐步应用在温室环境控制研究中22。控制要求能在远离温室的计算机控制室就能完成，即远程控制，实现温室环境的网络化监控与管理。日本中央农业研究中心开发的Field Server(现场服务器)系统是基于网络的农业环境远程监测系统，该系统嵌入了基于TCP/IP协议的服务器应用程序，是一个微型的智能化网络服务器，可以通过互连网发送和接收数据信息，同时，系统集成了网络照相机，可以实时采集现场图像信息。英国的无线系统公司开发了一系列的无线通讯设备，如适于分布广泛的花园温室远程无线洒水系统、加热和通风控制系统等等。美国、希腊等国家也在基于网络化的温室远程控制方面的研究均有不少的进展。另外，一些发达国家为了降低劳动强度、提高生产标准化水平以及作业效率，将智能化应用于现代农业，研发了各种高性能的设施园艺耕作机具、温室通风与加温等智能化设备23。在国外，一些发达国家重视对智能机器人的研发，并已取得了阶段性的成果。目前，日本已经研发了西红柿采摘机器人、黄瓜采摘机器人、自动控制半喂入联合收割机等。西班牙发明了柑桔采摘机器人，法国科学家开发的摘苹果的机器人, 荷兰和以色列等发达国家研发了用于温室作业的智能器械（如自动化采摘、自动分类等）。同时，欧美发达国家在智能化温室控制方面的研究也有不小的进步24。2 嵌入式控制系统通过阅读大量近几年国内外文献发现，目前全球设施温室控制技术正在向嵌入式领域飞速发展25-26。因为嵌入式技术的介入，可以使整套控制系统的成本大大降低，利用技术推广，而且前端无线传感器的布置，可以省去传统传感器布线麻烦，维护困难的缺点，可以给温室管理人员带来更大的行走空间。而以前传统的工控机，虽然设计难度相对较低，但是成本太高，农民承受不起，不利于大量推广。后来的单片机控制系统则是因为功能相对较弱，尤其跟 ARM 系统相比，无论是处理器频率还是可扩展性都是处于落后的状态，所以本文设计的控制系统为采用 ARM 作控制核心的嵌入式控制系统。本文的温室大棚智能控制系统的核心是嵌入式系统，所搭建的系统也是最典型的嵌入式系统，所以就分别介绍一下嵌入式系统的概念，嵌入式系统的处理器和操作系统选型。2.1 嵌入式系统随着近些年计算机微电子技术的迅猛发展，Embedded System 被广泛应用在军事装备，高技术工控以及智能家电等众多领域，嵌入式系统已经成为当今最热门的概念之一27。嵌入式系统是用户用来进行控制、监视或者用来辅助装置、机器或者设备运行的装置。由此可见，嵌入式系统包括嵌入式硬件和嵌入式软件俩个部分。嵌入式硬件部分主要包括嵌入式处理器/微处理器、存储器、外接扩展设备和 I/O 端口等，软件部分主要包括 OS 和驱动以及应用程序。实际上嵌入式系统也属于计算机系统，但由于嵌入式系统是为具体专业领域所设计的系统，所以其嵌入式 CPU、memory、I/O 设备等是以一种不同的形式存在。2.2嵌入式操作系统嵌入式操作系统即为一种能够支持嵌入式产品各种应用的操作系统软件，是嵌入式产品的软件部分的执行基础。嵌入式操作系统同样具有跟计算机通用操作系统一样的特点，即能够高效准确的管理庞大繁琐的系统资源，而且可以把硬件虚拟化。在软件角度分析。嵌入式操作系统是嵌入式产品软件部分的灵魂，它是一种可以高效支持嵌入式产品应用的实时操作系统软件。嵌入式实时操作系统能够为各种根据用户需求定制的嵌入式产品提供高效的软件资源支持，并且还能达到隔离部分与嵌入式造作系统无关的为用户开发的应用层软件的目的。与基本计算机操作系统相比较，嵌入式操作系统具有系统可裁剪性、系统可靠性高、系统可移植性、占有系统资源少、系统成本较低、系统操作简易等特点。嵌入式操作系统通常包括与嵌入式硬件相关的底层驱动软件部分、系统 kernel部分、设备驱动接口、系统通信协议、系统图形界面等。目前市场上的嵌入式操作系统种类繁多，其中比较主流的有：VxWorks，Window CE，c/OS-，Linux 等。3温室系统设计方案3.1 系统总体模式设计本系统是从温室控制领域来讲，各种温室在地域上分散分布远离都市社区、环境复杂等，考虑到温室的这些因素的基础上，结合嵌入式技术、无线远程通信技术开发温室环境远程控制系统，系统设计目的就是要总揽现场控制信息和作物生长状况，实现对分散在各地的温室环境进行状态监测、设备远程自动化控制及实时的在线数据、图像视频查询与信息服务。系统总体模式设计如图。本系统的 ARM9 核心电路模块是一片 AT91RM9200 处理器芯片，通过与各种模拟传感器的连接构成数据采集模块。ARM9 核心控制模块通过数据采集模块分别实时采集温室监控点环境参数等信号，经 A/D 模块转换为数字量，交由 AT91RM9200 处理器进行处理，然后通过 GPRS 通信模块与 Internet 进行连接，实现数据的远程传输。同时通过采集的数据值与设定值的比较，核心模块决定是否向驱动执行机构发出动作指令，通过 8 路继电器的通断，分别启动温度、湿度、光照和 CO2浓度等调节设备，进而达到调节温室环境因子，就是所谓基于现场终端输出信息的控制。另外，通过联网 PC 计算机，向温室现场核心电路模块发送外设控制指令，对外部温室辅助执行设备进行控制，这就是所谓的远程控制。远程控制主要是为异地管理人员提供监控手段，通过人工判断和数据分析后，发送控制指令，以增强管理人员的能动性和干预能力。现场控制设备启动或完成控制动作后，则向用户反馈设备工作状态信息，但为了确保现场设备工作状态准确无误，本系统在现场配合安装了高清网络视频监控系统，通过远程调控网络摄像机的角度和方位，不仅能随时监测作物生长状态，而且也能对外设的状态（例如环流风机的关启、补光系统的关启等）进行监控，大大地提高了远程监控的可靠性和安全性，实现了“眼见为实”的监控效果。远程服务器可接收来自现场的环境数据、静态图像和视频文件，并存入监控中心数据库，任何能够登录 Internet 的用户都可通过浏览器随时随地对数据、图像和视频等进行浏览、查询、分析，可同时对分布在不同区域的多个监控站点进行实时管理和调控，充分体现了网络技术在资源共享和远程监控方面的优势。3.2 系统功能设计本系统主要功能如下：(1) ARM9 核心电路模块：是系统数据采集存储、图像处理发送、控制命令处理等功能实现的核心处理部分，包括 ARM9 处理器及其扩展接口，同时系统预留 USB、以太网等其它接口，以备用户扩展使用。(2) 信号采集存储与无线传输处理：包括温度、湿度、光照、CO2等因子的检测，通过接入相应的传感器实现。将采集的信号经模数转换，交由嵌入式系统进行处理，通过 GPRS 和 Internet进行远程传输至数据库服务器，并存储到外接 U 盘进行备份。(3) 输出及控制：通过 ARM 处理器控制相关继电器来控制外部强电设备。外部设备类型主要根据实际需求决定。系统通过输出高电平和低电平开关量信号对外部温室辅助执行设备进行控制，根据需求同时提供了二种控制方式，既可以进行基于现场终端输出信号的控制，也可以通过远程发送指令进行控制。(4) 网络图像视频监控：通过视频监控可以实时观看异地温室内的环境现状，监测温室内作物的生长状态，而且也能对辅助执行设备的动作状态（例如环流风机、补光灯的开启等）进行监控和验证。参考文献1 何适全球设施农业发展趋势中国农村小康科技，2003，7：412 夏晓东，胡良龙.我国设施农业和工厂化农业的现状与发展中国农机化，1998，（l）：1517.3 初江设施农业的发展分析农业机械学报，2004，35（3）：1911924 王焕然我国目前设施农业状况农业装备技术，2006，32（5）：21235 孙忠富，王迎春，褚金翔，等无线远程监控技术在设施农业管理中的应用与展望内蒙古农业大学学报，2007，28（3）：2932976 陶卫民，陈媛我国设施农业发展趋势热带农业工程，2002，02：347 赵斌，王克奇，匡丽红，等我国温室环境的模糊控制技术应用现状自动化仪表，2008（5）：58618 李纪文，骆德渊，刘荣温室环境自动控制系统的设计微计算机信息，2009，25（1-1）：12139 何鹏温室环境控制技术发展与应用传感器世界，2002（2）：81110 王兴山温室环境远程监控技术和控制策略研究硕士学位论文山东：山东大学，200811 李慧，刘毅温室控制技术的发展方向林业机械与木工设备，2004，32（5）：4712 李萍萍，毛罕平，王多辉，等智能温室综合环境因子控制的技术效果及合理的环境参数研究农业工程学报，1998，14（3）：19720113 顾寄南，毛罕平国内外设施栽培综合环境控制技术及其发展农业现代化研究，1999，20（3）：18418614 王石磊，陈立军，郭艳玲温室测控技术的发展及我国温室测控面临的问题林业机械与土木设备，2007，35（7）：91115 甘亚光，段志超，孙忠富，等基于 ARM 和 LINUX 的数据采集系统“第一届国际计算机及计算技术在农业中的应用研讨会”暨“第一届中国农村信息化发展论坛”论文集北京：中国农业科学技术出版社，2007，8：10811516 孙忠富，曹洪太，李洪亮，等基于 GPRS 和 WEB 的温室环境信息采集系统的实现农业工程学报，2006，22（6）：13113417 Messer H， Zinevich A， Alpert PEnvironmental Monitoring by Wireless 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