雷桂斌　王淑青　黃華達　江燎源　黃志威

摘要化學方法調節(jié)蔬菜水果的生長，對人體健康的影響，還有待人類更多的研究和認識。我國農業(yè)產業(yè)集中度低，農業(yè)科技的推廣嚴重受到成本的制約。在溫室內建立索道，用繩索牽引吊掛在索道上帶傳感器生長控制器，實現溫室任意位置、準確和有效數據采集，減少了生長控制系統的成本。植物生長控制系統將植物栽培技術和嵌入式控制技術結合，預測剩余生長期的生長環(huán)境參數，執(zhí)行裝置運行控制命令，確保溫室的環(huán)境變量在需要的區(qū)間內波動。同時，它降低工人的勞動強度，提高植物生長期控制精度，實現農產品的附加值最大化。

關鍵詞環(huán)境變量；生長控制；性價比；物聯網；嵌入式系統

中圖分類號S126文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）22-07662-03

國際電信聯盟將物聯網定義為：通過二維標識碼識讀設備、射頻識別（RFID） 裝置、紅外感應器、全球定位系統和激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把任何物品與互聯網相連接，進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡。物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，物聯網中所有的元素，所有的設備、資源及通信等，都是個性化和私有化的。其目的是實現物與物、物與人，所有的物品與網絡的連接，方便識別、管理和控制。支撐層、感知層、傳輸層、平臺層和應用層構成物聯網產業(yè)5個層級，分別是物聯網產業(yè)規(guī)模的2.7%、22.0%、33.1%、37.5%和4.7%，參與物聯網感知層、傳輸層競爭的廠商眾多，成為產業(yè)中競爭最為激烈的領域，技術進步較快。

蔬菜、水果和花卉在現在人們日常生活中是必不可少的物品，隨著城市建設和人們生活質量的逐步提高，蔬菜、水果和花卉的需求數量和品種逐步增多，質量要求也逐漸提高，而且市場需求反季節(jié)條件下蔬菜、水果和花卉進行產出，傳統栽培方式在這樣的社會需求下已無法滿足要求，因此需要更精確地對作物生長進行控制，因此良好的溫室智能控制與管理系統對于蔬菜、水果和花卉來說是不可缺少的。我國蔬菜、水果和花卉種植面積是世界上最多的國家之一，種類豐富，有些是我國特有的品種，可以出口創(chuàng)匯創(chuàng)造很好的經濟效益；蔬菜、水果和花卉是附加值較高的作物，更多的回報可以來自于智能控制和管理上的投入和建設。但是，目前我國花舟溫室自動化程度還很低，現代化溫室比例僅有2%，所以溫室自動控制和管理系統在設施園藝方面的應用前景非常廣闊[1-4]。

隨著農業(yè)現代化的發(fā)展，溫室種植因其涉及學科廣、科技含量高、與人民生活關系密切，已越來越受到世界各國的重視。在溫室條件下，通過檢測控制植物生長的溫度、濕度、光照、水肥量等植物生長條件，從而定量控制植物生長，能有效提高農產品的附加值，如定量控制花卉的生長期，能確保某一時間段的花期，避免因環(huán)境因素的改變而使花期提前或延后，使生產效益最大化。我國農業(yè)產業(yè)分散，集中度低，農業(yè)科技的推廣嚴重受到成本的制約[5-9]。為此，筆者開展基于物聯網的植物生長控制系統研究，旨在為精度控制植物生長狀況及實現農產品附加值最大化提供參考。

1系統的總體設計

溫室系統是耦合性的不均勻的非線性的慣性系統，智能溫室的核心技術就是通過控制系統對溫室的環(huán)境變量進行檢測和調節(jié)達到適宜作物生長環(huán)境的目的。溫室系統是非線性系統，很難建立精確的模型來定性地研究。溫室內部的小氣候是個復雜的能量和物質轉化系統，環(huán)境變量種類多，不確定因素多，各變量之間進行著能量傳遞和物質交換。溫室系統是不均勻的系統，即便是小型的溫室也具有較大的面積，溫室內部各個部分的環(huán)境變量分布不均勻，比如溫室內不同的高度、同一位置不同時間點的溫度都是不同的，而且引起這些溫度變化的誘因是多方面的，有光照、氣流、濕度等多種因素。

溫室系統環(huán)境變量具有慣性。它并不是對外部調節(jié)立即響應，而是經過一段時間后才進行響應，溫室內部環(huán)境變量響應外部調節(jié)的過程有一定的時滯。比如夏天室外溫度過高導致溫室內溫度過高，通常要打開水簾和風機對室溫進行降低，當水簾和風機打開后并不是馬上就能降低溫度，而是在水簾風機工作一段時間后溫室內部的溫度才會降低。

溫室系統環(huán)境變量具有耦合性。溫室系統包含了多個環(huán)境變量，其中一個變量改變，會影響其他變量發(fā)生相應的變化，各變量之間是相關的，各個變量的控制過程是彼此耦合在一起的。

由上述特點可知，溫室系統是一個復雜的大系統，其具有多個輸入量和輸出量，對溫室系統提出的控制要求又因不同的作物而又有所區(qū)別，因此建立精確的控制模型是高成本的、不適用的。通常，在溫室控制當中往往采用的是區(qū)間控制，比如某作物只要外部的溫度在一定的溫度區(qū)間內就能很好地生長，在溫室控制當中只要保證溫室內部溫度調控在這一區(qū)間即可，而沒必要過分追求對溫度的精確控制。

如圖1、2所示，溫室系統是不均勻系統，為了數據足夠且準確有效，需要采集溫室多個數據采集點的數據，增加采集點就增加硬件，就會增加系統成本。環(huán)境數據變化較慢，間隔一定時間采集數據是可行的方案。為了減少成本，在溫室內建立索道，用繩索牽引吊掛的帶傳感器控制器，控制器可以在溫室水平面內任意位置停留下來采集數據，在采集數據期間，控制器靠充電電池提供電源。照度傳感器能調整方位角，采集不同方位角的光強。在?？空荆刂破鬟B接充電器自動充電，減少維護工作量；控制器連接執(zhí)行裝置執(zhí)行控制命令，調節(jié)溫室的環(huán)境變量；控制器連接網絡向管理人員手機發(fā)送檢測數據，向服務器查詢最佳控制參數。溫室控制器控制運動控制子系統，運動控制子系統安裝在停靠站。繩索的運動由步進電機牽引，運動控制子系統單片機控制步進電機的運動速度、停留和采集數據的時間間隔。

圖1溫室立面圖2溫室平面2系統的硬件設計

控制系統包括主控制器和輔控制器。主控制器包括ARM處理器、存儲器、液晶顯示屏、有線網卡、無線網卡、GPRS模塊、攝像頭、檢測裝置和改變環(huán)境變量的執(zhí)行裝置。檢測裝置包括空氣溫度傳感器、空氣濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、照度傳感器；執(zhí)行裝置包括升溫設備、降溫設備、灌溉設備、噴霧設備、移動溫室覆蓋物電機和溫室通風設備電機（圖3）。輔控制器由AT89C52單片機、電源驅動模塊和步進電機組成，接受主控制器的指令，控制步進電機的運動速度、停留、采集數據的時間間隔和協同主控制器采集數據。主控制器采用三星的S3C2440A處理器、TSL2561光強度傳感器、SHT11溫濕度傳感器、TGS4160二氧化碳傳感器。