薛曉健 林都 蓋艷

【摘要】本文基于WinCe 6.0系統(tǒng)和PID控制算法，設(shè)計一套溫室大棚的智能化環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)，優(yōu)勢在于：可以實(shí)現(xiàn)三種不同的操控界面，①每個大棚里的ARM一體機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時的監(jiān)測和手動控制。②工控機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對各個大棚的自主控制。③用手機(jī)或者ipad來控制，實(shí)現(xiàn)對大棚環(huán)境自動監(jiān)測和控制。一方面是我們的大棚環(huán)境控制更加的智能化，方便了農(nóng)戶，可以在有網(wǎng)絡(luò)的地方時刻了解自己大棚的情況。另一方面，為作物提供最佳的條件，以提高作物產(chǎn)量和效益。

【關(guān)鍵詞】WinCe 6.0系統(tǒng);PID控制算法;智能化;環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng)

Abstract：Based WinCe 6.0 system and PID control algorithm design a intelligent monitoring and control system on greenhouse environment，the advantages：You can achieve three different control interface， ①each one machine shed in the ARM real-time monitoring and manual control. ②IPC can achieve independent control of each greenhouse. ③using a mobile phone or ipad to control，to achieve automatic monitoring and control of greenhouse environment.On the one hand，more intelligent of our greenhouse environment control， wherein a network to understand the situation of their own greenhouses for farmers.On the other hand，provide the best conditions for the crop，in order to improve crop yield and efficiency.

Key words：WinCe 6.0 system;PID control algorithm;intelligent;monitoring and control system on greenhouse environment

引言

農(nóng)業(yè)作為一個國家發(fā)展的基礎(chǔ)，對農(nóng)業(yè)的重視度也可以反應(yīng)一個國家的發(fā)展程度，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，如果用人工去對環(huán)境監(jiān)測，并做出處理，顯然是很低效的，再者，近年來，智能化應(yīng)用于各行各業(yè)，對大棚的自動化監(jiān)測，控制，管理系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生。智能化溫室大棚的控制系統(tǒng)是在自然資源的基礎(chǔ)上，通過科技的融合，來調(diào)節(jié)大棚環(huán)境里的溫度，濕度，二氧化碳濃度，以及光照強(qiáng)度等以得到作物生長的最佳環(huán)境條件，旨在提高作物產(chǎn)量，作物品質(zhì)，也提高農(nóng)戶的利益。國外在這一方面發(fā)展的比較成熟，國內(nèi)也引進(jìn)了一些，但是或許是環(huán)境不同，主要技術(shù)沒有掌握，在國內(nèi)的效果不是很好，所以我們必須研究適合我國環(huán)境的智能化溫室大棚的控制系統(tǒng)。

1.系統(tǒng)整體設(shè)計方案

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如圖1：采集機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)屬于終端層，ARM一體機(jī)，工控機(jī)，手持設(shè)備屬于應(yīng)用層，終端層的監(jiān)測機(jī)構(gòu)分布在大棚內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測和傳輸數(shù)據(jù)，終端層的執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以達(dá)到作物生長的最佳條件，通信層我們都采用無線傳輸。應(yīng)用層：ARM一體機(jī)可以實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的顯示和手動控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。工控機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對每個大棚監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示和自動的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，手機(jī)可以通過和工控機(jī)的連接，間接地控制工控機(jī)來實(shí)現(xiàn)對每個大棚監(jiān)測數(shù)據(jù)的顯示和自動的控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

2.硬件的選擇和程序設(shè)計

采集機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)我們采用北京迪輝科技有限公司研制的DWSCZ-T8及數(shù)字溫濕度，光照，二氧化碳濃度四合一為一體的變送器，通過RS232和DRF1605H相連，組成采集模塊，無線傳輸數(shù)據(jù)，ARM一體機(jī)我們采用LJD-EWinV5-LK7，采用一體機(jī)是因?yàn)樗呀?jīng)集成ARM的Wince6.0系統(tǒng)，并有好的封裝外殼，防水，防潮。

3.通信協(xié)議和上位機(jī)軟件

本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信是采用DRF1605H模塊，它基于TI公司CC2530F256芯片，運(yùn)行ZigBee2007/PRO協(xié)議的ZigBee模塊，通過對模塊的配置，上電，設(shè)置他們中的一個為主節(jié)點(diǎn)，是剩下的為從節(jié)點(diǎn)，是很多個ZigBee模塊組成一個龐大的網(wǎng)絡(luò)，傳感器等檢測信息，通過串口發(fā)到ZigBee模塊，然后通過ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，兩個DRF1605H理論傳輸距離為1.6公里[3]。

DRF1605H有好幾種傳輸方式（點(diǎn)對點(diǎn)的傳輸，廣播式的傳輸，透明傳輸?shù)龋┛晒┪覀冞x擇，以方便數(shù)據(jù)的傳輸。

工控機(jī)和手持設(shè)備的通信，采用了Team viewer軟件，Team Viewer是一個能在任何防火墻和NAT代理的后臺用于遠(yuǎn)程控制，桌面共享和文件傳輸?shù)暮唵吻铱焖俚慕鉀Q方案。只要我們在我們的工控機(jī)上和我們的手機(jī)上同時運(yùn)行這個軟件，第一次運(yùn)行啟動軟件時，會自動獲得伙伴ID，只要我們在手機(jī)上輸入工控機(jī)的ID，然后就可以建立連接，手機(jī)就可以控制我們的工控機(jī)做任何事情。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的控制軟件主要有內(nèi)核模塊，數(shù)據(jù)庫模塊，PID控制計算模塊，串口通信模塊，圖形模塊設(shè)計，文件記錄管理模塊。

（1）數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

本程序的數(shù)據(jù)庫部分負(fù)責(zé)建立專家系統(tǒng)，用于存放各種植物的參數(shù)和檢索，考慮到軟件開發(fā)的成本問題，本系統(tǒng)采用MySQL MySQL是一個快速客客戶機(jī)/服務(wù)器結(jié)構(gòu)的SQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)[4]。

（2）PID控制算法

預(yù)設(shè)定參數(shù)可由程序預(yù)先設(shè)定好，用戶可在主控制界面的“大棚設(shè)置”中進(jìn)行參數(shù)修改，現(xiàn)場信號由各個對應(yīng)的傳感器采集，然后經(jīng)過量化，編碼后傳給計算機(jī)，利用計算機(jī)上的PID控制計算模塊進(jìn)行計算，再將結(jié)果通過無線網(wǎng)絡(luò)傳給各個大棚的控制節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)再將信號進(jìn)行解碼分析，即可得出變頻器控制器信號。變頻器通過改變執(zhí)行機(jī)構(gòu)來調(diào)整各個參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)一個完整的PID控制

系統(tǒng)中的偏差e是給定值SP（預(yù)設(shè)定參數(shù)）和過程變量PV（實(shí)際值，通過傳感器采集）的差。通過PID控制可描述輸出M（t）作為比例項、積分項和微分項的運(yùn)算關(guān)系：

式中：M（t）是PID的輸出，是關(guān)于時間的函數(shù)：Kc是PID的回路增益;e是PID回路偏差，即專家數(shù)據(jù)與傳感器采集數(shù)據(jù)的差;Mintial是PID回路初始值。

為了能夠在計算機(jī)中實(shí)現(xiàn)PID控制功能。必須對連續(xù)的PID控制方程進(jìn)行離散化操作，即對誤差進(jìn)行周期采樣，然后經(jīng)計算輸出，下面PID計算的核心部分程序：

5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6.結(jié)論

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了大棚內(nèi)溫、濕度，光照強(qiáng)度，二氧化碳濃度的實(shí)時采集和顯示以及風(fēng)機(jī)、濕簾、紅外燈，水泵的自動控制，達(dá)到了自動控制大棚內(nèi)溫、濕度，光照的效果。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該控制器運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡單實(shí)用，可擴(kuò)展性強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)溫室大棚。再者其優(yōu)勢在于方便農(nóng)戶，不用一直呆在大棚內(nèi)，也不用呆在監(jiān)控室，帶手機(jī)在有網(wǎng)的地方就可以看到具體情況，以便造成不必要的損失，如果在本系統(tǒng)中在加入視頻監(jiān)測模塊等，會使的大棚的智能化有更可視化的效果。

參考文獻(xiàn)

[1]金曉龍.基于Zigbee的糧倉無線測溫系統(tǒng)的設(shè)計[J].測控技術(shù)，2011，30（10）：44—47.

[2]唐林林.蔬菜大棚的智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].山東大學(xué)，2010.

[3]深圳市鼎泰科技有限公司.RDF系列ZigBee模塊使用手冊[S].

[4]蔣邦友，閆學(xué)文.基于嵌入式圖形界面開發(fā)與應(yīng)用[J].工業(yè)控制加算計機(jī)，2010，23（6）：29-30.

作者簡介：薛曉健（1988—），男，山西運(yùn)城人，研究方向：系統(tǒng)建模與仿真。