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“OpenPLANET”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1×104hm2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FieldServer(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