一、方案概述
我國是一個農(nóng)業(yè)大國，提高單位面積的作物的產(chǎn)量、生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品是現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)發(fā)展的迫切要求。溫室大棚是一種可以改變植物生長環(huán)境，根據(jù)作物的生長的最佳生長條件，調(diào)節(jié)溫室氣候，能夠避免外界四季變化和惡劣氣候?qū)ζ溆绊懙膱鏊菍崿F(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)農(nóng)業(yè)的一個重要的組成部分。溫室結構的建造標準是既能密封保溫，又便于通風降溫。但是作物要實現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、僅僅靠溫室保溫是不行的，需要對農(nóng)作物的生長環(huán)境進行多方位多點的精確采集和實時的控制。
與普通的溫室大棚相比，數(shù)字化精準農(nóng)業(yè)溫室大棚不僅能夠種植優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)反季節(jié)作物，而且將電子、計算機、通信和自動化控制等技術引入到本領域中。數(shù)字化精準農(nóng)業(yè)溫室大棚系統(tǒng)，可以定量獲取和分析農(nóng)業(yè)環(huán)境的多種參數(shù)，實現(xiàn)對環(huán)境的多點檢測，其檢測目標可以是溫度、濕度、光照、振動、壓力、水/土壤空氣成分等，通過zigbee無線通信把溫室大棚的各種參數(shù)匯總到服務器，服務器再通過執(zhí)行結構去調(diào)節(jié)大棚的溫度、濕度等參數(shù)。從而能對大棚內(nèi)各個環(huán)境參數(shù)達到良好的檢測，協(xié)調(diào)控制大棚的環(huán)境參數(shù)，使大棚內(nèi)的環(huán)境條件能夠適宜作物的成長，并能通過Web遠程檢測和控制溫室大棚的環(huán)境參數(shù)。
二、溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)狀
1. 手動控制
與普通的溫室大棚相比，數(shù)字化精準農(nóng)業(yè)溫室大棚不僅能夠種植優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)反季節(jié)作物，而且將電子、計算機、通信和自動化控制等技術引入到本領域中。數(shù)字化精準農(nóng) 業(yè)溫室大棚系統(tǒng)，可以定量獲取和分析農(nóng)業(yè)環(huán)境的多種參數(shù)，實現(xiàn)對環(huán)境的多點檢測，其檢測目標可以是溫度、濕度、光照、振動、壓力、水/土壤空氣成分等，通 過zigbee無線通信把溫室大棚的各種參數(shù)匯總到服務器，服務器再通過執(zhí)行結構去調(diào)節(jié)大棚的溫度、濕度等參數(shù)。從而能對大棚內(nèi)各個環(huán)境參數(shù)達到良好的檢 測，協(xié)調(diào)控制大棚的環(huán)境參數(shù)，使大棚內(nèi)的環(huán)境條件能夠適宜作物的成長，并能通過Web遠程檢測和控制溫室大棚的環(huán)境參數(shù)。
2. 控制不靈活
隨著我國的單片電子技術、自動化技術的進步，在80年代中后期，研究出了基于自動控制的溫室大棚控制技術。這種控制系統(tǒng)需要種植者輸入溫室作物生長所需環(huán)境的目標參數(shù)，單片機跟進傳感器的實際測量值與預先設定的環(huán)境閾值進行比較，以決定對溫室大棚內(nèi)的相應執(zhí)行機構進行加熱、降溫和通風等控制操作?；趩纹瑱C的自動控制的溫室控制技術實現(xiàn)了生產(chǎn)自動化，勞動生產(chǎn)率得到提高。
這種控制方式對作物生長狀況的改變難以及時作出反應，難以介入作物生長的內(nèi)在規(guī)律，而且不方便對控制機構加入相應的控制算法。
3. 布線麻煩
對溫室大棚內(nèi)的環(huán)境因子進行多點參數(shù)的采集，一般需要在土壤中鋪設大量的線纜，使得對作物的耕作造成了一定的困難；在遭遇雷擊這樣的自然條件下，故障率高，容易出現(xiàn)故障隱患，當環(huán)境內(nèi)線出現(xiàn)問題時，維修人員難以展開工作排查故障，不能滿足溫室大棚智能監(jiān)控的安全運行。
三、系統(tǒng)實現(xiàn)方案
隨著智能控制的發(fā)展，溫室大棚的控制系統(tǒng)向著越來越先進、功能越來越完備的方向發(fā)展。新的大棚智能控制系統(tǒng)采用zigbee進行組網(wǎng)，把溫濕度等環(huán)境參數(shù)自動采集匯總到服務器。新的控制系統(tǒng)并運用模糊控制技術使溫室大棚環(huán)境達到最佳的生長狀態(tài)。在溫室自動控制技術和生產(chǎn)實際的基礎上，通過總結、收集農(nóng)業(yè)領域知識、技術和各種實驗數(shù)據(jù)構造專家系統(tǒng)，以建立植物生長的數(shù)學模型為理論依據(jù)，研究開發(fā)出的一種適合不同農(nóng)作物生長的溫室專家智能控制系統(tǒng)技術。它可以利用各類傳感器測量溫室大棚的溫度、濕度、光照強度等環(huán)境因子，并能對環(huán)境因子進行控制，以基于作物和環(huán)境信息的知識的專家決策系統(tǒng)為依托，實現(xiàn)利用智能化和信息化的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)。
以一個溫室大棚中的智能監(jiān)控系統(tǒng)為例。每一個大棚需要采集4組數(shù)據(jù)，每一組數(shù)據(jù)包括大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照度和CO2濃度。溫度大棚的數(shù)據(jù)采集是通過大棚內(nèi)的溫度、濕度、光強度和CO2濃度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集模塊有單片機分時對各個監(jiān)控點進行巡回檢測。主控芯片對數(shù)據(jù)進行濾波處理后打包送至無線網(wǎng)絡的子節(jié)點。其數(shù)據(jù)采集結構如圖所示：
單片機將大棚內(nèi)的4種環(huán)境參數(shù)信息傳輸?shù)綗o線網(wǎng)絡中的子節(jié)點，子節(jié)點每隔一定的時間輪流向主節(jié)點發(fā)送信息。主節(jié)點組建了基于zigbee技術的星型網(wǎng)絡拓撲結構，主節(jié)點在星型網(wǎng)絡中充當協(xié)調(diào)器的角色，協(xié)調(diào)器主要實現(xiàn)對整個網(wǎng)絡的管理以及接受子節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)等功能；各子節(jié)點具有數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)發(fā)的功能，可以將大棚內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)，空氣中光照含量，CO2濃度這些農(nóng)作物生長的環(huán)境信息采集過來，該設備節(jié)點安裝在溫室大棚內(nèi)。
主節(jié)點收到數(shù)據(jù)之后將各節(jié)點的數(shù)據(jù)給智能監(jiān)控系統(tǒng)的控制中心，負責對大棚內(nèi)的各個執(zhí)行機構進行控制，從而啟動控制增溫降溫、加溫除濕、遮陽補光等調(diào)控設備，按不同環(huán)境要求調(diào)控與協(xié)調(diào)溫室大棚的環(huán)境適應不同的作物的成長需求。
為了更方便清晰的掌握溫室大棚作物的環(huán)境參數(shù)情況，選用工業(yè)組態(tài)軟件作為上位機組態(tài)開發(fā)平臺，通過數(shù)據(jù)流連接和設置，可以實現(xiàn)上位界面和無線收發(fā)模塊的實時通信，另外可以通過遠程監(jiān)控界面在IE瀏覽器上直接查看溫室大棚作物的生長情況。
四、系統(tǒng)優(yōu)勢
1. 安裝簡單
通過zigbee無線進行環(huán)境參數(shù)的采集，可以大大減低有線組網(wǎng)布線的麻煩，不需要在土壤中鋪設大量的線纜，不影響作物的耕作。安裝簡易，并且可以靈活移動zigbee采集節(jié)點的位置。
2. 遠程監(jiān)控
通過互聯(lián)網(wǎng)，在家里就可以遠程檢測和控制溫室大棚的生長環(huán)境，而不用親臨現(xiàn)場進行手動控制。而且可以把作物的生長環(huán)境情況存儲于云端，可以用于農(nóng)作物的生長分析，得到農(nóng)作物的最佳生長環(huán)境。
3. 高度拓展性
如果現(xiàn)有的環(huán)境因子采集節(jié)點不夠，可以隨時增加，很快加入到zigbee采集網(wǎng)絡中，即裝即用，而不用布線等復雜的安裝流程。
4. 維護方便
當大棚內(nèi)的硬件系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，維修人員可以快速展開工作排查故障，定位故障節(jié)點，快速解決問題，保證系統(tǒng)的安全運行。
