温室环境监控系统论文

温室环境监控系统论文（通用8篇）

篇1：温室环境监控系统论文

温室环境多点数据嵌入式智能监测系统

应用温室技术进行农作物种植是实现我国农业现代化过程中的重要环节,温度和湿度是温室控制中的重要环境参数.为实现对多点温湿度数据的.自动监测,设计了以32位ARM处理器S3C44B0X为核心的多路数据采集和处理系统.该系统采用单一采集中心和多个智能采集节点的分布式结构,节点与中心采用RS-485总线进行通信,采集中心实时地收集、处理和显示各智能节点传回的温湿度数据,可有效提高数据采集工作的效率和稳定性.

作 者：黄伟锋 叶祥 作者单位：黄伟锋(仲恺农业工程学院,机电工程学院,广州,510225;华南农业大学,工程学院,广州,510642)

叶祥(仲恺农业工程学院,机电工程学院,广州,510225)

刊 名：农机化研究 PKU英文刊名：JOURNAL OF AGRICULTURAL MECHANIZATION RESEARCH年，卷(期)：32(6)分类号：S625.5+1 S126关键词：温室 数据采集 S3C44B0X MEGA16

篇2：温室环境监控系统论文

温室环境视觉导航路径的识别

为实现视觉导航的精确性和鲁棒性,研究了温室复杂环境机器人视觉导航路径的识别方法.以温室内西红柿苗垄为研究对象,在地膜、光线和阴影等复杂环境对植物识别的影响下,用Lab色彩空间将绿色植物从背景中分离出来;用基于权重因子的阈值分割算法代替常用的.阈值分割算法;用改进的Hough变换的导航线提取方法处理有杂草干扰的作物垄.试验证明,该方法对复杂温室环境下作物垄导航线的提取有较好的适应性,而且算法简单,能够满足实时性的要求.

作 者：王福娟 作者单位：许昌学院电气信息工程学院,河南,许昌,461000刊 名：农机化研究 PKU英文刊名：JOURNAL OF AGRICULTURAL MECHANIZATION RESEARCH年，卷(期)：32(6)分类号：S126 TP242.3关键词：视觉导航 路径识别 Hough变换

篇3：温室环境无线监测系统设计

温室内各种环境因子信息的采集与最优控制的研究都需要更多高效、可靠和低成本技术的支持[1]。目前,温室现场的控制终端处理器主要包括单片机与工业计算机等;环境因子信息的传输大多使用CAN总线、RS-485总线和无线电台等[1,2,3]。由于单片机的性能有限,不利于新技术的应用;而工业计算机价格较高,不利于设备的普及。传统的有线连接方式不便于传感器的移动,且成本昂贵。针对这些问题,设计了一种结合嵌入式技术和无线传感器网络技术的温室环境信息无线采集系统。

1 系统构成

系统将嵌入式控制终端和无线传感器网络连接,组成温室内现场实时监测系统。嵌入式控制终端通过连接的GPRS无线模块,将采集到的数据发送到远程服务器,并接收远程服务器发送给温室控制终端的命令。系统结构框图如图1所示。

嵌入式系统有着良好的性价比,可根据用户的需要配置适宜的硬件和软件。ARM9处理器运算速度快且功能强大,支持Linux操作系统,便于控制终端的开发。本文设计的控制终端以S3C2410X处理器为核心,在其上移植Linux操作系统。

无线传感器网络是近年来新兴的一种技术,它提供一种全新的信息获取和处理途径。无线传感器网络便于传感器的灵活放置,省去了布线的繁琐。无线传感器网络各个节点上接有监测环境所需的传感器。本系统中的无线传感器网络节点主要接有温湿度传感器和CO2浓度传感器。嵌入式控制终端接收无线传感器网络节点采集的数据,将此数据处理后保存,并通过GPRS模块发送给远程服务器,同时接收远程服务器所发送的命令,对节点进行响应得设置。远程服务器为具有公网固定IP地址的计算机,其上运行一个数据管理软件,接收由温室现场发送的监测数据,并向温室现场控制器发送命令信息。

2 系统硬件设计

温室环境信息无线采集系统包括接有传感器的无线传感器网络节点、嵌入式控制终端和远程服务器,其中嵌入式控制终端是温室现场环境系统采集的核心部分。

2.1 嵌入式控制终端设计

嵌入式控制终端处理器选择三星公司生产的S3C2410X,它是基于ARM920T内核的16 /32位RISC处理器。S3C2410的资源包括1个LCD控制器、3个通道的UART、4个通道的DMA、2个USB主机接口、1个USB设备接口、4个基于PWM功能的计时器、1个内部时钟、多个I/O口和24个外部中断源等[4]。芯片的高度集成便于系统的设计,提高了系统的可靠性。S3C2410X支持从NAND Flash启动。NAND Flash与SDRAM组合,可以获得非常高的性价比[5]。USB接口设计为主机接口,用于接USB存储设备,实现数据的保存。GPRS模块选择SIM100-E,是由SIMCOM公司推出的GSM/GPRS双频模块。GPRS模块电路包括模块的供电接口和SIM卡卡座电路。S3C2410X处理器同GPRS模块通过串口2连接。硬件结构框图如图2所示。

2.2 无线传感器网络节点设计

无线传感器网络由放置在监测区域内的多个节点构成。节点的个数可以根据监测区域空间的大小和用户需求来选择。系统的无线传感器网络遵循ZigBee协议,因此单个网络最多可以有65535个节点[6]。传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块等4个部分组成。传感器节点以Jennic公司生产的JN5121-xxx-Myy系列模块为基础。该系列模块集成处理器模块和无线通信模块,节省了设计时间,降低了难度和设计成本,并使用了Jennic的JN5121无线微处理器。JN5121模块集成了无线收发部分,精简指令集CPU,片上带有存储器和丰富的外围设备和接口。外围设备包括SPI接口、通用串口、可编程计数/定时器以及4通道12位模数转换器和内部的温度传感器与电池监测器。所设计的无线传感器网络的节点在硬件上是相同的,根据节点在网络中承担的作用,节点上运行的软件有所差异。图3是节点的硬件结构。

3 系统软件设计

3.1 嵌入式控制终端软件设计

嵌入式控制终端的软件由引导加载程序、内核、文件系统和应用程序构成。引导加载程序选择ppcboot,操作系统为linux,文件系统使用ramdisk。应用软件开发的基础是结合硬件移植ppcboot和linux操作系统,根据需要裁减和编译linux内核。在此基础上,需要根据相应的设备开发驱动程序。由于控制终端具有GPRS通信功能,系统移植了ppp拨号软件,采用脚本拨号,并利用pppd进行GPRS移动台的控制。在拨号脚本中,包括设置串口属性、建立ppp连接的ppp-on、断开连接的ppp-off以及设置用户密码等。Linux在后台维护GPRS业务的进行,而应用在最上层进行socket通信。GPRS无线传输是基于TCP/IP协议的,工作在客户端与服务器模式。在客户端使用socket编程,实现数据的收发。

嵌入式控制终端的任务有:通过串口1接收由无线传感器网络采集的数据;将数据存于USB存储设备中;将接收到的数据通过GPRS模块利用网络发送给远程服务器;通过GPRS模块接收远程服务器发送的控制命令,并将控制信息由串口1转发给无线传感器网络,实现对无线传感器网络的一些参数设置;小键盘和液晶显示屏用于人机交互。系统创建两个线程以实现以上功能,即一个数据处理线程和一个人机交互线程。数据处理线程实现信息数据和控制命令的接收、存储和发送;人机交互线程实现小键盘控制和液晶屏显示。两者之间的数据交互使用信号量实现互斥。数据处理线程要接收来自串口1的信息数据并通过socket接收命令,使用select函数实现对两者的监测。数据处理线程部分程序流程图如图4所示。

在控制终端调试阶段,将串口1作为终端;在实际使用时,把串口1作为普通的串口,外接无线传感器网络的co-ordinator节点。通过在ppcboot中传递一个开关参数,设置该参数是ttyS0或是NULL,切换串口1的作用。

3.2 无线传感器网络

无线传感器网络节点的基本作用是采集温室环境信息和发送信息。Jennic提供了丰富的软件包,利用这些软件可以快速地构建网络。从网络体系结构来看,Jennic提供的软件库可以支持物理/数据链路层和ZigBee协议栈层,用户只需开发应用层的应用软件即可,极大地方便了无线传感器网络的开发。

根据在网络中的不同作用,节点分为3种,即co-ordinator(汇聚节点)、router(路由节点)和end device(末节点)。1个网络一般只需要1个co-ordinator,n个router,m个end device。在相同的硬件平台上,使用Jennic提供的ZigBee Device Objects(ZDO)APIs去初始化节点为所需的ZigBee节点类型,即使节点具备一定的网络功能。end device将采集到的信息发送给router或者coordinator,router可以将end device的信息转发给coordinator,coordinator将各个节点发送的信息发送给嵌入式控制终端。coordinator通过串口1和嵌入式控制终端连接。由于router在网络中承担转发信息的任务,所以n的数据小于m。节点的以上功能通过软件设置得以实现。

本系统设计了3个节点,即coordinator,router和end device。其中,router和end device 将采集的传感器信号经过处理后,利用消息发送给coordinator,coordinator将所有的信息发送给控制终端。每个节点都有唯一的地址,因此控制终端通过识别信息的地址,就可以知道是那个节点采集到的数据。

4 结语

本文提出一种温室系统的无线监测方案,构建了融合多种技术的温室监测系统。对传统的温室监测网络结构进行了改进,免去了布线的繁琐,提高了信息数据采集的灵活性。温室终端采用ARM9的设计方法,在增强设备功能的同时,降低了系统的成本。

参考文献

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篇4：温室环境监控系统论文

关键词：温室监控；无线传感器网络；ZigBee

中图分类号：TP273+.5 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2012）10-0019-06

温室是一个相对封闭的环境，其自我调节能力有限。为满足农业生产的要求，需要对温室各项环境参数进行人为调控，以便创造一个更加适合作物生长的环境。建立温室监控系统，对温室环境信息进行监测和控制，成为实现温室生产自动化和高效化的关键手段。传统的温室监控系统基于有线通信方式，存在诸如布线复杂、维护困难、传感器节点不能灵活部署等一系列问题，在一定程度上限制了温室监控系统的普及应用。随着现代信息技术的快速发展，WiFi、蓝牙、UWB、RFID、ZigBee等多种无线通信技术相继出现。其中，WiFi、蓝牙等由于成本高、功耗大等缺点，无法在温室监控领域大规模推广应用；而基于ZigBee的无线传感器网络作为一种全新的信息获取技术和处理技术，具有节点规模大、體积小、成本低、自组网等特点，在农业环境监测领域具有广阔的应用前景。

本研究针对当前温室环境监控系统存在的问题和不足，设计了一种低功耗、低成本、组网灵活、人机界面友好、可方便进行现场和远程管理的温室环境信息无线监控系统，并进行了成功应用。

1 系统总体设计

1.1 系统需求分析

温室环境具有昼夜温差大、空气湿度大、气体交换能力差、光照强度弱、土壤酸性强等特点，温室内种植作物种类较多且呈生长动态变化，监测面积大、监测参数多。此外，温室生产对监控系统的总体应用成本和系统可靠性也比较敏感。通过调查分析，当前大多数温室监控对环境参数的采集需求集中在空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、CO2浓度6项因子，除此之外，少数温室还需要采集营养液EC值、pH值以及室外天气因子等信息；传感器节点数量应可随意增减，并可根据作物生长、种类更替或温室空间结构变化等的要求随时改变自身位置而不影响系统的正常运行；系统应界面直观、分析全面、使用方便，且应用成本较低等。

1.2 系统总体结构

结合温室监控系统的特点和上述功能需求，本研究将无线传感器网络技术、ZigBee技术和嵌入式技术有机结合，设计了基于ZigBee无线传感器网络的温室监控系统。整个系统的层次结构如图1所示。

系统总体上由监控节点、网关节点、上位机系统三层组成。监控节点包括传感器节点和执行器节点，部署在温室监控区域，并通过ZigBee协议自动组建统一的无线传感器网络。各传感器节点将实时采集的温室环境数据以多跳路由方式汇集到网关节点，各执行器节点实时接收由网关节点发送来的控制命令，并控制风机等执行机构。网关节点可通过串口方式实现本地通信，也可通过以太网、GPRS等方式实现远程通信，为监测数据和控制数据的上传下达提供支持。上位机系统提供用户操作界面，实现用户与系统的管理交互操作。

2 监控节点设计

2.1 节点硬件设计

监控节点是构成温室监控系统的基础，是承载无线传感器网络的信息感知、执行控制及网络功能的基本单元。按照任务分工的不同，监控节点分为传感器节点和执行器节点两种。

2.1.1 传感器节点 传感器节点硬件设计的核心是微处理器芯片。节点微处理器在无线收发模块的协作下完成数据采集、数据处理、无线通信等功能。本研究设计的无线传感器节点硬件结构如图2所示。节点的硬件设计重点考虑了低成本、低功耗、稳定、可靠等因素。

（1）CC2530：综合考虑成本与性能等因素，选择集微处理器模块和无线收发模块于一体的单芯片解决方案CC2530。CC2530是由美国TI公司推出的用于IEEE802.15.4和ZigBee应用的片上系统，也是目前众多ZigBee设备产品中表现最为出众的微处理器之一。其主要特点如下：片内集成增强型高速8051内核，支持最新ZigBee2007 PRO协议；支持2.0～3.6 V供电区间，具有3种电源管理模式：唤醒模式0.2 mA、睡眠模式1 μA、中断模式0.4 μA，具有超低功耗的特点；高密度集成化电路。基于CC2530设计的节点只需极少的外围电路即可实现数据的采集及发送，极大地提高了系统的可靠性并降低了系统功耗。

（2）传感器：在传感器选择方面，要求具备较高的精度及较低的功耗。本设计共采用了5种传感器，其技术参数分别为：SHT11数字温湿度传感器，检测电流0.5 mA，待机电流0.3 μA，温度精度±0.5℃，湿度精度±3.5%RH，接口为I2C总线；ISL29010数字光强传感器，检测电流为0.25 mA，待机电流0.1 μA，测量精度±50 lx，接口为I2C总线；H550数字型CO2传感器，工作电流15 mA，精度为±30 mg/L，接口为I2C总线；SLST1-5数字型土壤温度传感器，测量电流1.5 mA，待机电流1 μA，测量精度±0.5℃，接口为单总线；FDS100模拟型土壤湿度传感器，工作电流15 mA，精度小于等于3%，输出为模拟信号。上述传感器中，除FDS100模拟型土壤湿度传感器外，其余均可挂接在I2C数据总线上。

2.1.2 执行器节点 执行器节点可根据上位机的控制指令对温室内的风机、遮阳帘等设备进行开关控制。执行器节点包含了驱动器电路，但不包含传感器电路，除此以外，执行器节点与传感器节点的硬件结构大致相同。执行器节点的驱动电路主要用于控制与执行机构相连的电磁阀等开关设备，可输出多路高低电平控制信号。数据通讯采用主从方式。

2.2 节点软件设计

本研究中传感器节点的片内程序基于Z-Stack协议栈开发，开发环境为IAR7.51A。Z-Stack是TI公司于2007年4月推出的ZigBee协议栈，由于全面支持ZigBee2006与ZigBee PRO特性集，并符合最新智能能源规范，得到了业界的普遍认可和广泛应用。该协议栈中提供了一个名为操作系统抽象层（OSAL）的协议栈调度程序。对于开发者而言，除了能够看到这个调度程序外，其它任何协议栈操作的具体实现细节都被封装在库代码中。在进行具体的应用开发时，通过调用协议栈提供的API函数接口即可完成相应操作，如网络设备初始化、配置网络、启动网络、发送采集数据、接收控制命令等，实现分布在多个温室中的无线监控节点的自组网络。此外，在节点软件开发中，为了进一步降低节点功耗，设计了灵活方便、可动态配置的定时采集数据、定时休眠及唤醒等功能。

3 网关节点设计

3.1 网关节点硬件设计

网关节点是实现无线传感器网络与外部通信网络之间协议转换的关键设备。它不仅具备数据传输功能，还具备设备管理功能，用户通过网关节点可以管理底层的各监控节点，了解各节点的相关信息，并实现远程控制。本研究在进行网关节点设计时，遵循了模块化的设计思想，将网关系统分为数据汇集模块、处理/存储模块、接入模块和供电模块，如图所示。

本设计基于S3C2416核心板，建立了无线传感器网络网关节点的硬件平台。网关节点硬件结构如图3所示。

3.1.1 数据汇集模块 即无线传感器网络中的协调器节点，实现温室环境数据的采集和汇聚。在本设计中，数据汇集模块和处理/存储模块之间的接口类型采用UART方式，通过串口进行数据通信。

3.1.2 处理/存储模块 是网关节点的核心模块。S3C2416核心板集成了基于ARM926EJ内核的Samsung S3C2416XH-40处理器，主频400 MHz，另外还集成了512MB DDR2 SDRAM和128MB Nand Flash，并提供了丰富的外围设备接口，从而最大程度地减少了系统开发成本，非常适合嵌入式设备高性价比、低功耗的需要。

3.1.3 接入模块 主要采用以太网的方式将网关接入外部網络。核心板集成了SMSC公司的本地高速以太网芯片LAN9220，在操作系统支持下可实现以太网数据传输。网络变压器采用HR601680，其主要作用是匹配阻抗、增强信号以及实现电压隔离等。另外，GPRS作为可选方式，采用Siemens公司的MC37I模块。

3.1.4 供电模块 负责网关节点的电源供给。此处设计的电源模块兼有热插拔和电压转换功能。供电方式包括市电、太阳能、蓄电池等。

3.2 网关软件平台设计

Linux是一种免费的、快速高效的操作系统，以代码开放、功能强大而又易于移植成为嵌入式操作新兴力量。嵌入式Linux是按照嵌入式操作系统的要求设计的一种小型操作系统，由一个内核以及一些根据需要进行定制的系统模块组成，其内核很小，同时具有多任务多进程的特征，非常适合于移植到嵌入式系统中去。本设计即是在S3C2416目标平台上移植了Linux2.6内核及相关驱动，并使用开源的LwIP协议栈替代了Linux系统的TCP/IP协议栈。之后，在嵌入式Linux和LwIP的基础上进行了网关节点应用层程序的设计。主要实现两个主要功能：通过Web服务器对网关节点进行配置；通过Modbus/TCP协议将Modbus串行通信链路与以太网相连。

3.2.1 Web服务器功能设计 在网关配置模式下，网关节点将作为Web服务器，而客户机则是任意一台使用交叉线与网关RJ45接口相连的计算机。

网关复位启动后，操作系统将启动Web服务。客户机通过浏览器向网关发出HTTP的GET方法的请求。网关收到该请求后对请求消息中的方法字段进行判断。若是GET方法，则表示是第一次请求，将固化在片外Flash中的Web页面和网关的配置信息返回给客户机。用户完成参数配置后点击提交，客户机向网关发出POST方法的请求。网关擦除片外Flash中原有的配置信息，然后写入新的信息，从而保证网关的配置在复位后不会丢失，配置信息在网关重启后生效。

3.2.2 Modbus/TCP协议转换功能设计 网关复位启动后，首先进行一系列初始化工作，最后启动Modbus服务器，以实现Modbus/TCP帧与串行链路中的Modbus RTU帧之间的转发。当客户机进行查询时，首先会向网关的502端口发起连接请求，网关执行中断服务程序，唤醒处于等待状态的Modbus服务器，并与之建立TCP连接，客户机随之发送一个Modbus/TCP请求帧并等待响应。网关对帧进行分析处理，最后生成一个Modbus RTU格式的查询帧并发送到串行链路中去。之后若收到串行链路上的RTU响应帧，则将该帧封装成Modbus/TCP应答帧，发送给以太网的客户机并断开连接。

4 上位机系统设计

上位机系统是用户进行温室日常管理所实际操作的软件平台。本设计在VS.NET开发环境下，基于SQL Server数据库和C#语言编写了温室环境信息监测系统管理软件，用以完成传感器节点管理和温室环境数据管理。主要功能如下：

（1）实时监测：用户可以集中查看温室现场最新的环境参数，以及现场风机、水泵等控制设备的运行状况，并可在当前界面进行控制调节，方便了用户的操作。

（2）历史数据：所有历史数据均存储于数据库中，用户可以通过多种方式对监测的数据进行查询，也可以将某时间段的历史数据生成曲线图，更加直观地反映温室环境的变化。

（3）设备控制：包括自动控制和手动控制两种模式。在手动模式下，用户可远程控制风机等设备的开关。在自动模式下，可根据环境监测参数自动调节风机等设备的开关。

（4）报警管理：用户可以定义多级报警条件，并可查看所有已设报警的详细信息。在报警条件中，用户可指定报警时的操作，如启动警报器、打开风机等设备以及发送报警短信通知等。

（5）节点管理：包括节点ID、节点位置、传感器类型及参数、采样周期、运行状态、更新时间等属性的显示和配置。用户可随时掌握现场所有监控节点的工作状态，及时发现设备故障。

5 系统应用

5.1 节点部署方案

本研究设计的系统在济南现代农业科技示范园的1#温室内进行了应用。在该温室蔬菜种植区内共放置了12个节点，其中传感器节点10个，执行器节点2个。此外，在温室管理区布置了1个网关节点。空气温湿度传感器、光照强度传感器、CO2传感器均和相应的传感器节点集成于一体，而土壤温湿度传感器则分别通过电缆与传感器节点相连，另一端插入土壤约8 cm，电缆长度1.5～2.0 m。各传感器节点通过固定支杆或悬绳倒挂的方式置于监测位置，节点离地高度一般为1.2 m左右。传感器节点均采用1节1#电池供电，执行器节点及网关节点采用直流供电。

5.2 系统应用情况

部署节点之间的通信距离平均约为20 m左右，监控节点与网关节点的最近距离约在100 m左右。经安装运行，网关启动后，节点绑定和自组织网络建立平均所需时间小于1 min。传感器节点采样频率设置方案为：空气温湿度2 min，土壤温湿度10 min，光照强度3 min，CO2浓度30 min。各节点在完成数据采集、发送之后，将自动进入休眠状态，直至下一个采样周期唤醒。经实际测试，系统可支持传感器节点的动态调整，新增节点、撤销节点或临时改变节点的位置时，整个无线传感器网络的运行没有受到影响。在上位机系统中，能够实时接收和显示由传感器节点采集来的温湿度、光照强度、CO2浓度等环境数据，并且可以查看各节点的实时运行状态。当采集的环境参数超过报警阈值时，若控制模式设置为自动控制的情况下，可根据报警处理规则自动启动相应的执行机构，实现温室环境的自动调控。

6 结语

本研究在調查当前温室环境的特点、应用需求以及分析现有监测系统存在问题的基础上，基于无线传感器网络和嵌入式技术，设计开发了一种基于无线传感器网络的温室环境信息无线监控系统。该系统能够实现传感器节点快速自组网以及对各种温室环境因子的实时采集、传输、显示，并可根据监测情况对相应的执行机构进行控制。通过网关节点系统和上位机系统可实现对各种传感器节点和温室环境数据的有效管理。系统具有低成本、低功耗、无需布线、组网灵活、人机界面友好等优点，很好地克服了传统温室监控系统存在的问题。该系统在农业示范园区进行了实际应用并取得良好效果，表明系统总体上技术成熟、性能可靠、适应性强，具有较高的应用价值和广阔的推广前景。

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篇5：北京世界花卉大观园温室环境设计

北京世界花卉大观园位于京城有名花乡--丰台区草桥村，2003年由草桥村投资1.5亿元建设，2005年1月16日建成开放。原全国人大常委会副委员长陈慕华为其题写了园名。

世界花卉大观园的建设构思是依托花乡百年养花历史，向人们展现花卉造就的全部进程，以增添人们对花卉等植物的懂得，激发人们爱惜大自然的意识。该园定位为农业观光旅游园区，全园占地41.8公顷，由7个温室和十余个室外花园、广场组成。

7个温室是花卉大观园的主要景观区。游人参观次序自东向西，依次可以看到花卉组培生产示范温室、蔬菜瓜果园、精品花卉温室、展现热带雨林植物的主温室、沙生植物温室、茗赏百花厅和花卉科普运动室。

1．主温室是花卉大观园的标记性建筑，其钢架穹顶构造、莲花瓣式屋顶令人耳目一新。

2．这株高7米、树龄近300年的佛肚树引自澳大利亚，是花卉大观园的镇园之宝。佛肚树原产澳大利亚沙漠边沿，为适应干旱少雨的气象，其树干中部有一个硕大的空囊，可以贮存水分。

3．农家小景让观者领略田园生活的惬意。

4．在精品花卉温室中，通过大型的电子触摸屏，游人可以懂得各国国花的知识。

5．世界花卉大观园局部鸟瞰后果图。

本文来源：第一园林网

篇6：温室环境监控系统论文

物联网感知综合课程设计报告

题目：温室大棚控制系统

年 级： 2013级 专 业： 物联网工程 姓 名： 高英亮 袁昊慈 指导教师：李世明 杜军

温室大棚控制系统

高英亮、袁昊慈

摘要 中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济的迅速增长，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。利用物联网的传感器技术实时采集温室环境的空气温湿度、土壤水分和光照度等因素，单片机将数据进行分析处理做出合理的控制决策，控制执行器进行自动喷灌，实现了计算机自动控制，按需、按期和按量喷灌。系统主要由温室环境信息采集模块、单片机模块和控制模块组成，采集模块包括光照度传感器和空气温湿度传感器。该系统采用传感器技术和单片机相结合，由上位机和下位机(都用单片机实现)构成，采用接口进行通讯，实现温室大棚自动化控制。本系统环保节能、节水、省力，具有很好的实用性和推广性。

引 言

中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济的迅速增长，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。例如：空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。在农业种植问题中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。大棚内的温度、湿度与二氧化碳含量等参数，直接关系到蔬菜和水果的生长。国外的温室设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。而当今大多数对大棚温度、湿度、二氧化碳含量的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调节大棚内温度、湿度以及二氧化碳的含量，使大棚内形成有利于蔬菜、水果生长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质、高效益的重要环节。

目前，随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。由于单片机及各种电子器件性价比的迅速提高，使得这种要求变为可能。

温室自动喷灌系统整体设计

该系统主要由温室大棚环境信息采集模块、单片机AT89c52模块和控制模块组成。采集模块包括光照度传感器2Du6硅光电池、土壤水分传感器TDR一3和空气温湿度传感器LTM一8901。光照度传感器采用硅光电池2Du6作为光电传感器器件，土壤水分传感器采用锦州阳光科技发展有限公司设计开发的TDR一3。这两类传感器输出都是模拟量，所以需要经信号调理电路及A／D转换等预处理后传输给单片机。温室环境空气温度与湿度的采集采用温湿度一体数字式传感器SHT71，直接输出数字量给单片机。控制模块主要由光电耦合器、继电器和执行器组成，总体结构如图1所示。

图1 自动喷灌系统整体构架框图

信号采集系统

3.1 光照采集模块

在温室环境中，光照度是植物健康生长的重要能源因素，直接影响植物的生长、发育过程、产量和果实品质。另外，光照度也影响地表与大气的物质与能量交换，即与土壤水分含量有着密切关系，在节水灌溉中是一个重要的数据信息。所以，在设施农业中光照度的检测和监测工作越来越得到重视。系统采用硅光电

池2Du6作为光电传感器件，将该器件的短路电流信号对此进行放大到0～5V，经模数转换模块送给单片机AT89C52。由于硅光电池的短路特性随光照强度是线性变化的，光电池在不同照度下的内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路”条件。A／D转换器只能够接受电压信号，因此在硅光电池2Du6和单片机AT89c52之间需要一个电流电压转换电路。这个电流转换电压模块使用的是放大器0P777。

3.2 温湿度采集模块

温室内空气温湿度的检测仅仅靠单点测量是不能准确代表整个温室环境的状况的，尤其是对于大面积的温室大棚而言，单点检测对节水灌溉控制的精确度和节水效果有很大的影响。针对这个问题，本系统选用了数字式输出和多点网络检测的易扩展式传感器LTM一89。该传感器和单片机的接口有两种方式：一是单线接口方式；二是双线接口方式。当在小面积温室环境下，数据传输距离比较短时，采用单线接口方式；当温室面积比较大、检测点比较多及传输距离比较长的时候，采用双线接口方式。控制系统

传感器采集到温室环境中土壤湿度、光照度以及空气温湿度各参数值，经过单片机处理分析后，给出最优化喷灌策略，发出控制信号使执行机构动作，进而实现按时、按需和按量的节水自动喷灌。本系统选用TLP521—4光电耦合器驱动继电器输出，其目的是为了在驱动执行设备时提高控制接口的抗干扰能力。图6为该接口的电路原理图。

在系统初始化时，将AT89C52的I／0口输出电平置成高电平，光耦TLP521—4不导通，防止在AT89c52复位、上电时继电器出现误动作。

图2 控制系统接口电路图 界面设计

通过C＃程序编写窗口并将串口传输过来的数据实时显示在C＃编写的窗口上的，不过能力有限所以增添了手动输入弥补，并可以从数据库中调用对应数据对其进行判定，以实现智能感应窗状态的改变。首先用visual studio 2013建立窗口界面编辑环境。通过工具箱向窗口上拖拽需要的控件完成窗口的大致规划，然后将label和button控件的名称修改成对应的变量的名称和选项名称。

5.1 主界面textBox程序

private void TMP_label_KeyPress(object sender, KeyPressEventArgs e){ if(!Char.IsNumber(e.KeyChar)&& e.KeyChar!=(char)8)//判定是否是数字与是否为删除键（ASCII码值中删除键对应数字8）

{ e.Handled = true;//当if判定为true时，e.Handled也为true所以不会对文本框进行赋值

} }

图3 Form1主界面

5.2 选择界面label控件程序

public partial class Form2 : Form { public Form2(){ InitializeComponent();} private string string1;public string String1 { set { string1 = value;} } public void SetValue(){ this.label1.Text = string1;} //主窗口和选择界面通过InitializeComponent()函数连接，然后在选择界面窗口中定义一个public string String1然后运行程序时，主界面会对String1进行赋值，然后选择界面窗口可以对其进行调用,用其对label进行赋值。软件设计

6.1设计原理

(1)明确任务，弄清软件所承担的任务细节。

(2)软件结构设计，合理的软件结构是设计出一个性能优良的单片机应用系统软件的基础。

(3)模块化程序设计，是单片机应用中最常用的程序设计技术。将一个完整的程序分解成若干个功能相对独立的较小的程序模块，对各个程序模块分别进行设计、编制和调试，最后将各个调试好的程序模块进行联调。

(4)编写程序。根据系统功能和操作过程，列出程序的功能流程图。在完成流程图的设计之后，便可编写程序了。

6.2 温度传输软件

此模块的软件设计主要是要确保接收到正确的温度数据，所以在程序中要加

一些数据头进行校验。

1）发送温度程序：

while(1)

{

„„

//温度转换，获得温度

SBUF=0xaa;

//为了防止无线接收模块受到干扰,数据不对

while(!TI);

//所以加上两个数据头,只有在正确接收TI=0;到它俩后，才开始接收我们需要的数据

SBUF=0x55;

while(!TI);

TI=0;

SBUF=table3[a];//将测得的温度值的各位及小数点逐位的发送出去while(!TI);//百位

TI=0;

„„

//依次发送其他各位

}

2）接收温度程序

void receive(){

while(!RI);

RI=0;

i=SBUF;

if(i==0xaa)

//判断是否接收到0xaa,接收到的话再执行下去

{

while(!RI);

RI=0;

i=SBUF;if(i==0x55)//再继续判断是否接收到0x55,接收到的话就可以继续接收正write_com(0x80);确的数据

while(!RI);

RI=0;

a=SBUF;

//接收百位

write_data(a);//液晶显示百位

SBUF=a;

//再把百位发送给电脑

while(!TI);

TI=0;

delay(100);//延时

„„

//个位、十位小数点依次发送

} } 6.3 上位机软件设计

本设计使用的方法，利用TComm控件实现串口通信。TComm控件可以实现DTR/DSR、RTS/CTS硬件流控制,是比较完善的串口控件。TComm控件的串口通信参数设置与MSComm类似默认情况下。TComm控件接收和发送数据支持字符串和字节两种传输模式。在接收和发送数据前需要初始化串口，用SetPortOpen()方法打开串口,退出程序时用CloseComm()方法关闭串口。

//打开串口、接收和发送数据的语句

Comm1->PortOpen=true;//打开串口

mReceive->Text = Comm1->Input； //接收数据 mTransmit->Text= Comm1->Output； //发送数据 // 接收下位机温度及将获得的数据绘制成曲线的程序

C++Builder提供了一个功能强大的可视化控件TChart，非常便于数据的图形化显示。通过设置组件属性，可以生成点图、线图、饼图、柱状图、区域图，能够显示一维序列或二维序列，可以自由设定刻度线和坐标。给序列添加一个数据只需调用AddX、AddY、AddXY方法，非常方便。因为需要得到温度的实时曲线图，所以在定时器timer的OnTimer事件中编写程序，关键的语句如下： if(Comm1->PortOpen)

//判断串口是否打开

{

mReceive->Text = Comm1->Input //把接收到的温度放到一个memo里

Buf = Trim(Comm1->Input);//删除string首部和尾部空格的字符串

ReceiveStr = ReceiveStr + Buf;

do

{

Dot= ReceiveStr.Pos();

if(Dot==0)

break;

ReceiveData[i] = StrToFloat(ReceiveStr.SubString(1,Dot-1));//数据放进数组

ReceiveStr =ReceiveStr.Delete(1,Dot);

//留下未处理的数据

Chart1->Series[0]->AddXY(i,ReceiveData[i],i,clRed);//把接收到的温度绘成曲线

i=i+1;

//接收下一个数据

}

While(1);//直到找不到空格

ReceiveStr = “";

}

//存储接收到的数据和对应的时间 关键的语句如下：

FILE *fp;

fp=fopen(”.data.txt“,”a“);//把数据存放到data.txt的文件里

fprintf(fp,”%s%sn",mReceive->Text, TimeToStr(Time()));fclose(fp);总 结

温室大棚自动控制系统是近年来逐步发展起来的一种资源节约型高效农业发展技术，它是在普通日光温室的基础上，结合现代化计算机自控技术、智能传感技术等高科技手段发展起来的，因此我们组选择了以温室大棚控制系统作为课题进行课程设计。本系统通过采用温湿度传感器、光照传感器，对温室内环境的温度、湿度、光照强度进行采集，将采集的信息传输给单片机单片机通过比较输入温度与设定温度来控制通风或浇水。温室大棚自动控制系统是配备有温室环境控制系统的资源集约型高效农业生产方式，它在调控温室内小气候环境以适应作物生长发育要求的同时，不仅实现了作物的反季节生产，还提高了作物的质量以及作物生产的效率。近年来随着传感器技术、计算机技术、网络技术、智能控制技术以及生物技术等高新技术和手段的飞速发展，带来了温室环境控制方面的一场革命。温室环境控制系统正在不断吸收相关领域新的理论和方法，结合温室作物种植的特点，不断创新，逐步完善。

由于课程设计的需求，我们查阅大量资料，并在同学的帮助下学习了visual studio 2013软件的使用，并且学习了用C#制作界面，更深入的熟悉了多种传感器的功能，但是串口传输的问题始终没有解决，我们还需学习更多更深入的知识。

参考文献

篇7：温室环境监控系统论文

一、项目背景

近年来，农业温室基础设施发展迅速，但是在自动监控方面仍存在着诸多问题。温室监控区域较大，需要大量的传感器节点构成大型监控网络，通过各种传感器采集诸如温度、空气湿度、光照度、土壤湿度、EC值、pH值等信息，实现自动化监控。传统温室监测与控制系统多采用有线连接，布线复杂，往往造成温室内线缆纵横交错、使用不便、安装维护困难、可靠性差等问题。

无线传感器技术被认为是满足温室应用需求且代替有线连接的最好方式。惠企物联科技结合最新的ZIGBEE无线技术，将传感器整合到无线传送网络中：通过在农业大棚内布置温度、湿度、光照、等传感器，对棚内环境进行检测，从而对棚内的温湿度，光照等进行自动化控制。通过更加精细和动态监控的方式，来对农作物进行管理，更好的感知到农作物的环境，达到“智慧”状态，提高资源利用率和生产力水平。

二、现存问题

 首先是成本较高。一般来讲，一套智能化的控制系统成本主要包括硬件成本、运行成本和维护成本。硬件成本包括各仪器仪表、通信线缆等。整个系统也不能自由组合或者裁剪应用于不同的对象，使得难以得到推广和普及。同时，由于系统复杂、布线繁多、故障率高而且使得故障后的维修成本极大。另外，系统庞大造成的运行成本也不是一笔小费用。 其次是布线复杂。温室中有大量分散的传感器和执行机构，这些设备可能随着作物的改变而进行调整，同时错综复杂的线缆也需要重新铺设，工作量较大。为了科学、合理地实现大面积温室环境参数的自动检测与控制，电子检测装置和执行机构的设置不仅数量大而且分布广，连接着各个装置与机构的线缆，也因此纵横交错。当温室内生产的果蔬作物更替时，相应的电子检测装置和执行机构的位置常常需要调整，连接着各个装置与机构的线缆有时也需要重新布置。这不仅增大了温室的额外投资成本和安装与维护的难度，有时也影响了作物的良好生长。

 第三，故障解决难。当数据无法正常接收时，检查人员不知道是线路问题还是节点故障。另外，目前的控制系统多采用基于现场总线的分布式模式，当总线出现故障时，虽然各控制节点尚能正常工作，但是上位机却无法正常管理整个网络，专家控制策略无法实施。

三、项目意义

(1)实现广范围的测量，需求传感器节点多

当前温室生产的首要特点就是监控区域很大，普通单个连栋温室都有几千平方米，而一个园区温室群的面积可能会在几百亩以上，因此需要大量的传感器节点构建传感器网络，在每个温室中采集诸如空气温度、空气湿度、光照强度、土壤湿度、营养液EC值、pH值以及室外天气参数等信息，除此以外，目前对作物生理参数的检测也逐渐受到人们的重视，因此将会有更多的传感器节点被用于温室生产。另外，用于驱动温室中执行机构的控制节点的数量也不能忽略。由此可见，温室对其监测与控制系统的首要需求就是网络容量大。(2)检测点位置灵活变动 温室中大量分散的传感器，但随着作物的生长而需要不断调整位置；或者当温室内生产的作物更替时，相应的电子检测装置和执行机构的位置也常常需要调整；另外，温室的利用结构也会经常根据用户需要而不断改变，这就要求系统中各个节点能根据需要随意变换位置而不影响系统工作。(3)节点数目可随意增减

作物生长阶段不同，环境因子对作物的影响可能也不同，生长初期可能对温度比较敏感，而后期可能对光照比较敏感，这就要求系统可以随意改变节点的类型和数量。除此以外，随着作物的生长，用户可能还需要对植物的生理参数进行监测而需要不断增加传感器节点。在某些科研温室中，也经常需要改变传感器节点的类型和数量，以达到精确监测与控制。上述这些情况都需要所用的监控系统的节点能随意增减。(4)系统可靠性

系统故障而造成的经济损失不可估量。如果系统出现问题而未能被及时发觉和修复，那么可能对作物造成致命的伤害，尤其在一些恶劣的天气例如高温和寒冷气候条件下，这将直接影响产量和收益。另外，温室内湿度高、光照强、具有一定的酸性，都会导致线缆的腐蚀、老化，从而降低系统的可靠性和抗干扰性，这对于检查系统故障造成困难。例如，当数据无法正常接收时，检查人员不知道是线路问题还是节点故障，这对及时发现和解决故障带来不便。因此，温室测控系统必须要可靠。

四、项目介绍

4.1 ZIGBEE技术介绍

ZIGBEE技术是IEEE(美国电子和电气工程师协会)研发的新一代无线通讯技术。可应用在固定、便携或移动设备上的，低成本、低功耗的低速率无线连接技术；2001年8月，美国HONEYWELL等公司发起成立了ZigBee联盟，他们提出的ZigBee技术被确认为IEEE 802．15．4标准；现联盟内有众多的成员企业。

ZIGBEE技术现已被非常的应用，诸多的芯片厂家，如TI,三星，飞利浦等等，都生产出了与该协议技术兼容的芯片，并被大量的应用。

ZIGBEE属于微波段2.4GHZ频率，可实现远距离（0~1000米）传送给路由器；一般有3部分组成：ZIGBEE传感器标签、ZIGBEE路由器、ZIGBEE协调器组成，需外接2.4~3.7V的电源，当标签检测到现场的数据后，通过电磁波的传导，远距离的无线传输给路由器，路由器在已同样的原理传输给协调器，协调器一方面可以将数据通过串口传送给电脑，以供系统分析控制，一方面可以通过内置的单片系统处理、分析、控制所接受的数据。整个传输过程均通过无线传输，传送速率在250K/s,且在传送过程中对数据的加密保护，实现了快速、安全的现场数据采集。

ZIGBEE在无线传输的过程中，可以自动的实现自组网、多跳、就进识别的功能，当现场的单个路由出现问题时，其他路由会自动的寻找其他的线路，不会耽误系统的运行； 4.2系统简介

温室大棚对环境的要求非常高，温度、湿度、光照、CO2、等一系列的参数均对其影响重大。优秀的温室大棚管理，即对于以上环境变量的严格管理。

在本系统中，我们采用不同的传感器来实现对环境的监控，像无线温度传感器、无线湿度传感器、无线光照度传感器、无线CO2传感器等。以无线温度传感器为例，该传感器采用3大模块组成：

1、温度传感器模块；

2、单片机系统模块；

3、无线发送模块。温度传感器模块检测到现场的温度数据后，将数据交由单片机处理，单片机通过模拟转数字-数字转模拟的处理，最终驱动无线发送模块将数据无线发出。此无线温度传感器的传输距离可达120米。

无线温度传感器将数据向外发送，安装在室内的或室外的路由器接受该数据，并将数据整理后，发送给ZIGBEE协调器，协调器会将数据整理并通过串口上传电脑，电脑即根据现场的数据，与温度标准值进行比较，如若超出标准值，电脑则控制温室内外的：天窗、侧窗、内遮阳保温幕、外遮阳幕、风机、等开启。同时，温室内的传感器时时检测现场数据，当现场温度达到标准值后，电脑即关闭控制。

4.3系统硬件组成

系统硬件按照控制的流程分3大部分：数据采集部分、数据传输部分、控制部分。

4.3.1数据采集部分

 温度传感器：该传感器采用3大模块组成：

1、温度传感器模块，采用美国进口的DS18B20模拟头，精度等级在± 0.5℃；

2、单片机系统模块；

3、无线发送模块。

4、长待机电池。温度传感器模块检测到现场的温度数据后，将数据交由单片机处理，单片机通过模拟转数字-数字转模拟的处理，最终驱动无线发送模块将数据无线发出。每只传感器都带有一个ID号，而此ID号是有24位的字母、数字组成，可以实现无限的序号组合，即可实现全球唯一ID号；每只标签的ID号与其所在的位置是相对应的，这个可以在系统建数据库时，位置绑定在该ID号的信息中。即当系统读取到序号为“1234567”的ID号时，系统即会知道该标签是处于：第几号温室？那个位置段？，如该标签测量的数据较高时，系统就会知道具体的位置。此无线温度传感器的传输距离可达120米。

 湿度传感器：该传感器采用3大模块组成：

1、湿度传感器模块，采用美国进口的SHT11模拟头，精度等级在± 3%RH；

2、单片机系统模块；

3、无线发送模块。

4、长待机电池。湿度传感器模块检测到现场的湿度数据后，将数据交由单片机处理，单片机通过模拟转数字-数字转模拟的处理，最终驱动无线发送模块将数据无线发出。每只传感器都带有一个ID号，而此ID号是有24位的字母、数字组成，可以实现无限的序号组合，即可实现全球唯一ID号；每只标签的ID号与其所在的位置是相对应的，这个可以在系统建数据库时，位置绑定在该ID号的信息中。即当系统读取到序号为“1234567”的ID号时，系统即会知道该标签是处于：第几号温室？那个位置段？，如该标签测量的数据较高时，系统就会知道具体的位置。此无线湿度传感器的传输距离可达120米。

 光照度传感器：该传感器采用3大模块组成：

1、温度传感器，采用美国德州仪器的传感器，可测量0~20万lus；

2、单片机系统模块；

3、无线发送模块。

4、长待机电池。光照度传感器模块检测到现场的温度数据后，将数据交由单片机处理，单片机直接将接受到的传感器数字信号处理，并驱动无线发送模块将数据无线发出。每只传感器都带有一个ID号，而此ID号是有24位的字母、数字组成，可以实现无限的序号组合，即可实现全球唯一ID号；每只标签的ID号与其所在的位置是相对应的，这个可以在系统建数据库时，位置绑定在该ID号的信息中。即当系统读取到序号为“1234567”的ID号时，系统即会知道该标签是处于：第几号温室？那个位置段？，如该标签测量的数据较高时，系统就会知道具体的位置。此无线光照度传感器的传输距离可达120米。

 CO2传感器：该传感器采用美国（Telaire）公司产品，该传感器采用红外光谱形式，0-2000PPM 的量程能满足植物研究的所有需求。传感器对科研型温室高温、高湿不敏感。此传感器采用有线传输。该只传感器与其所在的位置是相对应的，这个可以在系统建数据库时，位置绑定在该ID号的信息中。即当系统读取到序号为“1234567”的ID号时，系统即会知道该标签是处于：第几号温室？那个位置段？，如该标签测量的数据较高时，系统就会知道具体的位置。

 雨量传感器：本仪器反斗部件翻转灵敏，性能稳定，工作可靠。承雨口采用不锈钢皮整体冲拉而成，光洁度高，滞水产生的误差小。仪器外壳用不锈钢制成，防锈能力强，外观质量佳。此传感器采用有线传输。该只传感器与其所在的位置是相对应的，这个可以在系统建数据库时，位置绑定在该ID号的信息中。即当系统读取到序号为“1234567”的ID号时，系统即会知道该标签是处于：第几号温室？那个位置段？，如该标签测量的数据较高时，系统就会知道具体的位置。

 降雨感知传感器：探头为美国德州仪器 TI 公司产品，主要用于探测是否有降雨，该产品具有判断降雨和结露的不同情况，具有工作可靠，价格便宜等特点。此传感器采用有线传输。该只传感器与其所在的位置是相对应的，这个可以在系统建数据库时，位置绑定在该ID号的信息中。即当系统读取到序号为“1234567”的ID号时，系统即会知道该标签是处于：第几号温室？那个位置段？，如该标签测量的数据较高时，系统就会知道具体的位置。

风速风向传感器：风速风向传感器”选用美国Davis（戴维斯）公司产品（Davis6410）。“风速风向传感器”内部装有精密旋转运动部件，这些机械部件的稳定性非常好，能在恶劣环境下保持传感器的测量精度。，外壳高强度特殊工程塑料具有极好的抗紫外老化作用。此传感器采用有线传输。该只传感器与其所在的位置是相对应的，这个可以在系统建数据库时，位置绑定在该ID号的信息中。即当系统读取到序号为“1234567”的ID号时，系统即会知道该标签是处于：第几号温室？那个位置段？，如该标签测量的数据较高时，系统就会知道具体的位置。

 土壤湿度传感器：采用水利部认证传感器，该传感器采用先进的“时域反射原理”，杆式设计，感应部分 48cm，适用于测量任何类型土壤的体积含水量，测量精确，性能稳定可靠，此传感器采用有线传输。该只传感器与其所在的位置是相对应的，这个可以在系统建数据库时，位置绑定在该ID号的信息中。即当系统读取到序号为“1234567”的ID号时，系统即会知道该标签是处于：第几号温室？那个位置段？，如该标签测量的数据较高时，系统就会知道具体的位置。

 水暖水温传感器与土壤温度传感器：采用美国DALAIS 公司温度传感器，外套“密封不锈钢铠甲”。特性：一致性好，精度高，密封性好，此传感器采用有线传输。该只传感器与其所在的位置是相对应的，这个可以在系统建数据库时，位置绑定在该ID号的信息中。即当系统读取到序号为“1234567”的ID号时，系统即会知道该标签是处于：第几号温室？那个位置段？，如该标签测量的数据较高时，系统就会知道具体的位置。

 液面湿度传感器: 主要测量植物表面的叶面蒸发程度及植物表面的湿度情况，适用于高档花卉。例：一品红，该系列传感器适用于农业、园林、气象、环保等领域对温度和湿度的测量，经过绝缘封装等加工工艺，可在高温高湿等恶劣环境中长期稳定地工作。此传感器采用有线传输。该只传感器与其所在的位置是相对应的，这个可以在系统建数据库时，位置绑定在该ID号的信息中。即当系统读取到序号为“1234567”的ID号时，系统即会知道该标签是处于：第几号温室？那个位置段？，如该标签测量的数据较高时，系统就会知道具体的位置。

以上的诸多品种传感器，可直接安放在温室内，或温室外。其中最为常用的传感器为温度传感器、湿度传感器、光照传感器，在本系统中针对此3种传感器，我们采用无线的传输方式，用无线模块将数据送至无线路由器。其他种类传感器因考虑用量较少，用无线传输方式成本较高，暂时用有线传输数据。

4.3.2数据传输部分

 无线路由器：识读标签；微波2.4~2.5GHz微波频段；吊挂式或固定支架安装，防尘防水，与标签的读写距离0~300米。

无线路由器的信号覆盖到无线传感器的接收范围内时，路由器即能采集到标签过来的数据信息；

因现场需要检测不同位置的环境，会安装较多的传感器，路由器接收的数据具备冗长性，通过数据融合，将多个无线传感器数据整理成更精准的数据，无线发送给协调器；

路由器除接收并发送无线传感器的数据外，还可以作为其他路由器的上位路由，其他路由可以借此路由进行与协调器的通讯。

 无线协调器：识读中继器，接收中继传送过来的信息，并将数据用串口上传工控机；识别距离0~300米可调；微波2.4~2.5GHz频段；吊挂式或固定支架安装，工业RS485串口，防尘防水。

协调器是最终连接电脑的设备，它前端采集路由数据，后端向电脑传送数据。当现场数据较大，较多时，亦不会产生数据的拥堵。

4.3.3控制部分

 工控机：采用工业PC机，较强的功能与性能，具备工业级别的串口通讯、I/O口输入输出。

内置强大的软件控制功能：稳定的数据采集、基于实际应用的数据分析、专家数据库、精准的控制逻辑。

 PLC控制：采用西门子公司的S7系列PLC；多路稳定的I/O控制、工业级别的串口通讯、精准的控制时序、 驱动控制：电机、气缸、电磁阀

 现场执行单元：内遮阳，外遮阳，顶开窗，侧开窗，湿帘外开窗，湿帘水泵，湿帘风机，2组风机，内循环风机，补光灯，喷雾，微喷等设备。（甲方单独配置）

4.4系统软件

本系统软件着重分析了温室中的：空气温度、空气湿度、土壤温度、光照度，4大参数，这是温室环境控制中最重要的4个参数。

4.4.1空气温度控制

4.4.1.1现场数据采集

在温室内安放多个无线传感器，因传感器无线发送数据，所以不用担心布线的繁杂，可以将传感器安放在温室内的任何一个地方，并且可以随意的调整位置。传感器还内存有ID号，每个传感器的ID是全球唯一，是代表该传感器的身份。传感器安放好后，传感器的ID号、采集的数据、所在位置等信息会一并的传给路由。

温度管理一般把一天分为午前、午后、前半夜和后半夜4个时段来进行温度调节。午前以促进光合作用、增加同化量为主；午后光合作用呈下降趋势；日落后以促进体内同化物的运转；夜温以抑制呼吸、减少消耗、增加积累； 传感器内置单片控制系统，因此可以设置传感器检测和外发数据的周期，就可以设置传感器外发数据的周期为1次/小时、1次/分钟、或1次/30秒等，一来可以根据现场的实际需求而定，二来可以为传感器节省电能，使用的时间更长久。

4.4.1.2数据传输

传感器将采集到的数据无线发送给室内的路由器，路由器接收并转化传感器的数据，标签是利用电磁波形式传递数据，路由接收后，解调该数据。在同一时间会有多个标签向路由发送数据，路由会将接收到的数据进行融合，整理成较精准的数据发出。如：

路由器除接收并发送无线传感器的数据外，还可以作为其他路由器的上位路由，其他路由可以借此路由进行与协调器的通讯。如图：

协调器是最终连接电脑的设备，它前端采集路由数据，后端向电脑传送数据。工业RS485串口连接电脑，防尘防水。4.4.1.3控制时序

A、温度高于标准值：每种植物都有不同的温度生长曲线，植物在不同的时间段都会有不同的适宜生长温度，如在每一天中，植物对于温度的需求就有4种，这是因为其处于不同的时段，会有不同的转化机能。当温室内的空气温度高于标准值时，系统会自动比较在某时段标准值与实际值的差异，进而来控制不同设备进行降温。

 如：ID号为“123456789”的传感器，检测到现场的温度数据为35.4℃时，数据经由无线路由，无线协调器，最终将数据上传给工控机。

 系统为保证该温度值不是瞬间的值，会在第一次接收到该ID号的数据后延时0~90秒，再取值比较，借以准确的判断该值是一个趋势值。

 系统会调出在该段时间的标准值27℃，并与现场数据比对，判断比现场的温度高8.4℃，即会控制降温设备开启。

 控制降温设备的开启顺序：系统在一定的时间内（0~99秒可调）判断当前温度值不能降低到目标值时，会顺序开启降温设备；当现场温度与目标温度相差较大时，系统控制跳跃开启其中的某项设备。

 天窗：分段开启顶开窗系统;通过室外自然温室调整温室内的温度，依此原理，直至顶开窗系统为 100%。

 侧窗：再分段开启侧窗通风系统；依此原理，直至侧开窗系统为 100%。

 强制降温过程：自然通风不能降低温室内的温度时，系统自动关闭自然通风相关设备，采用强制通风的方式来控制室内温度。延时后，关闭天窗，其次关闭侧窗。 湿帘外翻窗：开启湿帘外翻窗。 一组风机：开启第一组风机。  湿帘水泵：开启湿帘水泵。 二组风机：开启第二组风机。

 循环风机：在一定的时间内判断当温室内的温室不均匀时，开启循环风机。 喷林或喷雾：开启屋顶喷淋系统。

 报警：判断温度降不到目标值,则计算机会开启温度过高报警，提示用户需增加降温设备。系统会时时检测现场温度，当现场温度趋于目标温度时，系统即关闭降温设备。

B、温度低于标准值：

 如：ID号为“123456789”的传感器，检测到现场的温度数据为20℃时，数据经由无线路由，无线协调器，最终将数据上传给工控机。

 系统为保证该温度值不是瞬间的值，会在第一次接收到该ID号的数据后延时0~90秒，再取值比较，借以准确的判断该值是一个趋势值。

 系统会调出在该段时间的标准值27℃，并与现场数据比对，判断比现场的温度低7℃，即会控制升温设备开启。

 控制升温设备的开启顺序：系统在一定的时间内（0~99秒可调）判断当前温度值不能升温到目标值时，会顺序开启升温设备；当现场温度与目标温度相差较大时，系统控制跳跃开启其中的某项设备。

 内遮阳保温幕：拉下内遮阳保温幕，不使室内温度外泄。 外遮阳幕：若外界光照较强，可打开外遮阳幕，通过光照升温。 热风炉、水暖空调、暖气：打开加热装置，是室内温度升温。

 报警：判断温度降不到目标值,则计算机会开启温度过高报警，提示用户需增加降温设备。

系统会时时检测现场温度，当现场温度趋于目标温度时，系统即关闭升温设备。

4.4.2空气湿度控制

4.4.2.1现场数据采集

在温室内安放多个无线传感器，因传感器无线发送数据，所以不用担心布线的繁杂，可以将传感器安放在温室内的任何一个地方，并且可以随意的调整位置。传感器还内存有ID号，每个传感器的ID是全球唯一，是代表该传感器的身份。传感器安放好后，传感器的ID号、采集的数据、所在位置等信息会一并的传给路由。

湿度传感器内置单片控制系统，因此可以设置传感器检测和外发数据的周期，就可以设置传感器外发数据的周期为1次/小时、1次/分钟、或1次/30秒等，一来可以根据现场的实际需求而定，二来可以为传感器节省电能，使用的时间更长久。

4.4.2.2数据传输

传感器将采集到的数据无线发送给室内的路由器，路由器接收并转化传感器的数据，标签是利用电磁波形式传递数据，路由接收后，解调该数据。

在同一时间会有多个标签向路由发送数据，路由会将接收到的数据进行融合，整理成较精准的数据发出。如：

路由器除接收并发送无线传感器的数据外，还可以作为其他路由器的上位路由，其他路由可以借此路由进行与协调器的通讯。如图：

协调器是最终连接电脑的设备，它前端采集路由数据，后端向电脑传送数据。工业RS485串口连接电脑，防尘防水。

4.4.2.3控制时序

A、湿度高于标准值：

 如：ID号为“123456789”的传感器，检测到现场的湿度数据为80%RH时，数据经由无线路由，无线协调器，最终将数据上传给工控机。

 系统为保证该湿度值不是瞬间的值，会在第一次接收到该ID号的数据后延时0~90秒，再取值比较，借以准确的判断该值是一个趋势值。

 系统会调出在该段时间的标准值65%RH，并与现场数据比对，判断比现场的温度高15%RH，即会控制除湿设备开启。

 控制除湿设备的开启顺序：系统在一定的时间内（0~99秒可调）判断当前湿度值不能降低到目标值时，会顺序开启除湿设备；当现场湿度与目标湿度相差较大时，系统控制跳跃开启其中的某项设备。

 侧窗：分段开启侧窗通风系统，进行除湿，依此原理，直至侧开窗系统为 100%。 除湿机控制：开启除湿机进行除湿。

 报警：判断温度降不到目标值,则计算机会开启湿度过高报警，提示用户需增加除湿设备。

系统会时时检测现场湿度，当现场湿度趋于目标温度时，系统即关闭除湿设备。B、湿度低于标准值：

 如：ID号为“123456789”的传感器，检测到现场的湿度数据为40%RH时，数据经由无线路由，无线协调器，最终将数据上传给工控机。

 系统为保证该湿度值不是瞬间的值，会在第一次接收到该ID号的数据后延时0~90秒，再取值比较，借以准确的判断该值是一个趋势值。

 系统会调出在该段时间的标准值65%RH，并与现场数据比对，判断比现场的温度低15%RH，即会控制加湿设备开启。

 控制加湿设备的开启顺序：系统在一定的时间内（0~99秒可调）判断当前湿度值不能升到到目标值时，会顺序开启加湿设备；当现场湿度与目标湿度相差较大时，系统控制跳跃开启其中的某项设备。

 加湿机控制：开启加湿机进行加湿。需设置相应的目标值，系统就会自动运行。判断时间保证了不是判断瞬间湿度值的超标，而是判断湿度度整体趋势的变化；在一定的时间内湿度值都超标，才启动控制条件。稳定判断时间保证温室设备启动后，不判断瞬间达到目标值，而是稳定一段时间后才判断。避免了控制条件很快反复上升；也避免设备电机频繁启动，从而更好的保护电机. 报警：判断温度降不到目标值,则计算机会开启湿度过高报警，提示用户需增加除湿设备。

系统会时时检测现场湿度，当现场湿度趋于目标温度时，系统即关闭加湿设备。

4.4.3土壤温度控制

4.4.3.1现场数据采集 在温室内安放多个有线传感器，传感器时时的通过线缆向电脑发送数据。

4.4.3.2控制时序

土壤温度低于标准值：

 该传感器是数字传感器，内存有0~99的ID号，现场变送出数字信号传送给电脑。现场的温度数据为15℃时，系统为保证该湿度值不是瞬间的值，会在第一次接收到该ID号的数据后延时0~90秒，再取值比较，借以准确的判断该值是一个趋势值。

 系统会调出在该段时间的标准值25℃，并与现场数据比对，判断比现场的温度低10℃，即会控制升温设备开启。

 控制升温设备的开启顺序：系统在一定的时间内（0~99秒可调）判断当前湿度值不能提高到目标值时，会顺序开启升温设备；当现场温度与目标温度相差较大时，系统控制跳跃开启其中的某项设备。

 内遮阳保温幕：拉下内遮阳保温幕，不使室内温度外泄。 外遮阳幕：若外界光照较强，可打开外遮阳幕，通过光照升温。 热风炉、水暖空调、暖气：打开加热装置，是室内温度升温。

 报警：判断温度升不到目标值,则计算机会开启温度过低报警，提示用户需增加升温设备。

系统会时时检测现场温度，当现场温度趋于目标温度时，系统即关闭升温设备。

4.4.4光照度控制

4.4.4.1现场数据采集

在温室内安放多个无线光照传感器，因传感器无线发送数据，所以不用担心布线的繁杂，可以将传感器安放在温室内的任何一个地方，并且可以随意的调整位置。传感器还内存有ID号，每个传感器的ID是全球唯一，是代表该传感器的身份。传感器安放好后，传感器的ID号、采集的数据、所在位置等信息会一并的传给路由。

传感器内置单片控制系统，因此可以设置传感器检测和外发数据的周期，就可以设置传感器外发数据的周期为1次/小时、1次/分钟、或1次/30秒等，一来可以根据现场的实际需求而定，二来可以为传感器节省电能，使用的时间更长久。

4.4.4.2数据传输

传感器将采集到的数据无线发送给室内的路由器，路由器接收并转化传感器的数据，传感器是利用电磁波形式传递数据，路由接收后，解调该数据。

在同一时间会有多个标签向路由发送数据，路由会将接收到的数据进行融合，整理成较精准的数据发出。如：

路由器除接收并发送无线传感器的数据外，还可以作为其他路由器的上位路由，其他路由可以借此路由进行与协调器的通讯。如图：

协调器是最终连接电脑的设备，它前端采集路由数据，后端向电脑传送数据。工业RS485串口连接电脑，防尘防水。4.4.4.3控制时序

光照度低于标准值：每种植物都有不同的温度生长曲线，植物在不同的时间段都会有不同的适宜生长光照度，如在每一天中，植物对于光照度的需求就有多种，这是因为其处于不同的时段，会有不同的转化机能。当温室内的光照度高于标准值时，系统会自动比较在某时段标准值与实际值的差异，进而来控制不同设备进行调整。

 如：ID号为“123456789”的传感器，检测到现场的光照度数据为50lux时，数据经由无线路由，无线协调器，最终将数据上传给工控机。

 系统为保证该光照度值不是瞬间的值，会在第一次接收到该ID号的数据后延时0~90秒，再取值比较，借以准确的判断该值是一个趋势值。

 系统会调出在该段时间的标准值300lux，并与现场数据比对，判断比现场的温度低250lux，即会控制设备开启调控。

 控制光照设备的开启顺序：系统在一定的时间内（0~99秒可调）判断当前光照值不能升到目标值时，会顺序开启补光设备；当现场光照度与目标光照度相差较大时，系统控制跳跃开启其中的某项设备。

 外遮阳幕打开：徐缓的打开外遮阳棚，使室外的阳光能照射进来  内遮阳幕打开：打开外遮阳棚，使室外的阳光能照射进来  补光灯：打开补光灯，进行补光。

 报警：判断光照度降不到目标值,则计算机会开启光照度过高报警，提示用户需增加光照度设备。

系统会时时检测现场光照度，当现场光照度趋于目标温度时，系统即关闭光照设备。

4.4.5风速对外拉幕的保护

当室外风速超过保护值时，则系统自动启动外拉幕的风速保护功能。条件级别保证外拉幕在非正常情况下（例：大风），优先自动收拢外拉幕，避免外拉幕遭到毁灭性破坏。判断时间保证了不是判断瞬间风的超标，而是判断风整体趋势的变化；在一定的时间内风都超标，才启动控制条件。稳定判断时间保证温室设备启动后，不判断瞬间达到目标值，而是稳定一段时间后，才判断。避免了控制条件很快反复上升；也避免设备电机频繁启动，从而更好的保护电机。

4.4.6风向及风速对天窗的保护

大风、雨雪保护：系统不是判断瞬间风速的超标，而是判断风整体趋势的变化，以进行大风时的关闭通风窗的保护。风向传感器能判断出是迎风还是背风，以进行不同级别的保护。4.4.7 CO2施肥

通过定时控制设置，可设多组 co2 施肥时间规律的选择 4.4.8 专家数据库 系统内置最新的农业专家数据库，根据不同作物的生产特性和要求可以自动调用相对应的最佳控制方案和参数。

4.4.9 数据报表、绘制曲线：

记录的数据可以导出“EXECL”报表。同时可以生成全日、全周、全月的变化趋势曲线图。

五、项目扩展

5.1 GSM无线短信报警功能：（选配项）

系统可实现“GSM 无线短信报警”，可以将“温室的报警信息”以短信的方式迅速发到相关人员的“手机或PDA”上，请求人工干预。

不同的温室、不同的管理员手机号，均可以通过灵活的设定将他们组合关联起来。因此，任何一个温室出现报警都能迅速发到和该温室相关的一人或多人的手机号。5.2远程监控功能（选配项）

通过连接宽带互联网，可以实现互联网远程登陆访问功能，方便异地监控。

六、项目总结

篇8：智能温室环境感知系统设计

近年来,随着经济的迅速增长,农业的基础研究和应用技术正日益受到广泛重视,农业温室基础设施发展迅速,但是在自动监控方面仍存在着诸多问题。大多数温室大棚采用的都是人工管理模式,种植产品单一,在环境管理上也并未形成完备优势。相应地,智能温室环境感知系统却可以获取人工管理中精细易忽略或未能感知到的环境指数变化,而且将其作为调整温室环境各项指数的标准,从而优质发挥其理想控制实效作用。

基于此,本文即通过有针对性地将光照强度传感器、温湿度传感器、CO2浓度传感器整合在一个系统中,该系统能够对温室大棚内影响作物生长速度的重点关键项因素进行全程监控,同时还可对监测项数据提供显示和传送功能,另外也附配有报警提示,从而升级改进农业生产过程。

1 系统方案设计

温室中,光照强度、温湿度、CO2浓度对农作物的生长呈现有多方面影响,本次设计主要致力于将提高农作物的质量和产量、同时也要一并减少人力资源作为研发目的,也就是在对温室环境进行检测监控中来调节温室环境,使各项指数更适合作物生长。研究成果具体用于完善温度、湿度、光照度以及CO2浓度检测技术,从而全面满足对温室大棚建设的智能需要。概括来讲,就是采用STC15F2K60S2单片机作为主控芯片,驱动温湿度传感器AM2302、光照强度传感器GY-30和CO2浓度传感器MH-Z14检测数据,在2.2TFT屏上显示数据和报警。

2 系统硬件电路设计

本设计用于温室大棚环境指数检测、监控和报警。硬件电路通过STC15F2K60S2单片机将各种传感器集成到一个系统中来获得各种功能实现,主要电路组成有温湿度检测电路、光照强度检测电路、CO2浓度检测电路、显示电路、报警电路、按键电路、电源电路和无线传输电路。系统硬件设计构成如图1所示。由图1可知,电路设计中各组成部分的运行原理过程可做如下阐释分述。

2.1 主控芯片电路设计

设计中,采用的STC15F2K60S2芯片是高速、可靠、抗干扰强的新一代单时钟单片机,而且运行速度较快。这是由宏晶科技生产的51单片机,工作电压在3.8~5.5V之间。晶振采用12MHz频率。在实际应用时,晶振电路中的电容需要和晶振的大小实现匹配。滤波旁路电容则是置于主控芯片的旁边,用来过滤清除最后的干扰纹波。

2.2 电源电路设计

本文电源设计部分是直接连入220V的交流电,对电源的研发包括2个部分:交流电转直流和直流电源的处理。

其中,交流转直流电部分是单端反激式电源电路,单端反激开关电源采用了稳定性良好的双环路反馈控制系统,可以通过开关电源的PWM(脉冲宽度调制器)迅速调整脉冲占空比,从而在每一个周期内对前一个周期的输出电压和初级线圈充磁峰值电流进行有效调节,达到稳定输出电压的目的。对应电路实现如图2所示。

电源电路根据系统的不同要求输出2个电压电路,分别为输出5 V稳压电路和3.3 V稳压电路。交流电压经过处理得到5 V稳压直流电,再从5 V电压中得到3.3 V电压提供给主控单元电路。

2.3 温湿度检测电路设计

温湿度传感器芯片以单总线输出数据传到主控单元,并经由程序化后,再发送到显示屏来展现最终结果,该过程是以AM2302为核心完成主体电路设计。其工作电压为3.3~6 V,配置有单线制串行接口,主要应用于数字模块采集技术和温湿度传感技术中。设计电路如图3所示。

2.4 光照强度检测电路设计

光照强度的测量是通过核心芯片GY-30来构建设计方案。GY-30采用总线的方式而与单片机之间实现串行通信,工作电压为3~5 V,并且配有内置照度数字转换器,可直接输出光照强度数字。该测量电路如图4所示。

2.5 CO2浓度检测电路设计

MH-Z14A二氧化碳气体传感器利用非色散红外(NDIR)原理对温室内的CO2浓度进行检测。该芯片工作电压为4~6 V,并提供有3种输出方式:模拟电压输出、PWM波形输出和UART输出。MH-Z14A内置温度传感器用于温度补偿。实际电路如图5所示。

2.6 无线传输电路设计

采集到的环境各项指数需要通过无线传输模块传送到接收室,完成无线传输的芯片是NRF24L01。该芯片工作电压为1.9~3.6 V,其传输速率可达2Mbps,传输速度非常快。NRF24L01可以和各种型号的单片机配合使用,软件编程简单便捷。具体电路如图6所示。

3 系统软件设计

系统研发时,软件设计包括2部分:发送端设计和接收端设计。其中,发送端为重点设计模块,不仅能够定制支持传感器数据的采集、处理和显示,而且通过无线模块传输,还具有报警功能。接收端则是规划完成无线接收及显示功能。

3.1 发送端程序设计

当发送端初始化运行结束后,单片机将驱动CO2浓度传感器、温湿度传感器、光照强度传感器采集数据,并将计算后的数据反馈给单片机进行处理。系统采集到数据会产生一个中断信号,从而转入LCD的初始化设置。单片机处理后的数据就会发送到TFT显示屏,还会经由无线传输模块发出。用于发射的模块在经过初始化后,则会接收到单片机发来的数据并存入数组tx_buf,NRF24L01模块接收后发送该数组内的数据。并且在判断数据超出范围后即会发出报警。发送端的软件程序流程如图7所示。

3.2 接收端程序设计

接收端程序设计主要是NRF24L01无线传输的接收,系统初始化配置NRF24L01信道工作频率2.4 GHz,发射速率为1 MHz。接收模块进入接收数据的状态,通过读取状态寄存器来判断是否接收到数据。如果未接收到数据,显示屏显示预设的固定值;如果已接收到,则显示正在接收的数据。无线接收程序流程如图8所示。

4 结束语

在本设计中,使用传感器检测温室大棚内的温湿度、光照强度和CO2浓度,并通过无线传输传送数据,再运用显示屏执行结果展示。整个过程即是依据目标任务提出了具体的设计方案并集结了一系列硬、软件关键技术,从而最终实现了温室环境系统的有效监测。不仅做到了环境数据的直观显示,而且同时配有蜂鸣器报警系统,因而本次功能设计可以成功应用于温室大棚的智能检测。

参考文献

[1]沈勇,蒋文雄,段勇.基于NRF24L01的通用无线通信模块设计[J].电子设计工程,2013,21(18):84-86.