收稿日期 基金項(xiàng)目 陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃農(nóng)業(yè)領(lǐng)域一般項(xiàng)目 陜西省教育廳一般專項(xiàng)科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目 第一作者 孫啟昌 男 陜西西安人 工程師 碩士 研 究方向?yàn)樾畔⒒ㄔO(shè)與管理 信息通信 計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù) 基于 處理器的溫室大棚智能 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 孫啟昌 胡國強(qiáng) 楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西楊凌 西北農(nóng)林科技大學(xué) 陜西楊凌 摘要 為了實(shí)現(xiàn)溫室大棚的智能監(jiān)測與控制 設(shè)計(jì)基于 處理器的溫室大棚智能監(jiān)控系 統(tǒng) 系統(tǒng)分為三個部分 數(shù)據(jù)采集及設(shè)備控制終端 智能網(wǎng)關(guān)終端 手機(jī)客戶端 數(shù)據(jù)采集 及設(shè)備控制終端以 微處理為核心 通過傳感器 算法 等技術(shù) 實(shí)現(xiàn)溫室大棚數(shù)據(jù)采 集 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)傳輸及執(zhí)行設(shè)備的智能控制 智能網(wǎng)關(guān)終端實(shí)現(xiàn)多個溫室大棚數(shù)據(jù)從內(nèi)網(wǎng)發(fā)送 至公網(wǎng) 手機(jī)客戶端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送 經(jīng)測試驗(yàn)證 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)溫室大棚的智能 監(jiān)控 關(guān)鍵詞 處理器 數(shù)據(jù)采集 智能網(wǎng)關(guān) 算法 手機(jī)客戶端 中圖分類號 文章編號 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 引言 溫室大棚作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植的主要手段 通過 控制大棚環(huán)境的溫度 光照 空氣濕度 土壤濕度等 因子 實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的增產(chǎn)增收 目前 大棚環(huán)境因子 的控制 主要靠人工經(jīng)驗(yàn) 無法實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)化智能控 制 市面上溫室大棚環(huán)境監(jiān)控手段主要是通過單片 機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn) 但是該技術(shù)具有局限性 無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程 控制 人機(jī)交互 復(fù)雜的控制算法 實(shí)時數(shù)據(jù)傳輸 等 隨著電子技術(shù) 通信技術(shù) 傳感器技術(shù)的發(fā) 展 該文利用 微處理技術(shù) 數(shù)據(jù)采集技術(shù) 數(shù) 據(jù)處理技術(shù) 技術(shù) 技術(shù) 技術(shù) 設(shè)計(jì)基于 處理器的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)溫室大棚數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)處理 執(zhí)行設(shè)備智能化 控制 數(shù)據(jù)無線實(shí)時傳輸?shù)?年第 期 工業(yè)儀表與自動化裝置 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 基于 處理器的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)分 為三部分 一是數(shù)據(jù)采集及設(shè)備控制終端 二是智能 網(wǎng)關(guān)終端 三是 手機(jī)客戶端 系統(tǒng)框架如圖 所示 數(shù)據(jù)采集及設(shè)備控制終端以 處理器為核心 外置多個不同類型的溫度 傳感器 光照傳感器 空氣濕度傳感器 土壤濕度傳 感器 將采集的各類數(shù)據(jù)通過算法分析后 處 理器控制卷簾 加熱器 噴灌 光源燈 風(fēng)機(jī)等設(shè) 備的智能工作 同時將算法分析后的數(shù)據(jù)利用 模塊發(fā)送至智能網(wǎng)關(guān)終端 智能網(wǎng)關(guān)以 處理器為核心 通過 模塊將接收到 的多個采集及設(shè)備控制終端數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換后 使用 通信模塊發(fā)送至 手機(jī)客戶端 用戶利用 軟件實(shí)時查看溫室大棚內(nèi)的環(huán)境信息或控制數(shù) 據(jù)采集及設(shè)備控制終端中的執(zhí)行設(shè)備 圖 系統(tǒng)框架圖 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 根據(jù)系統(tǒng)框架 系統(tǒng)硬件由主要由 處理 器 各類傳感器設(shè)備 各類執(zhí)行設(shè)備 模塊 模塊及顯示屏等組成 處理器采用 該處理器由中國自主研發(fā) 具有高性 能 低功耗 功能豐富等特點(diǎn) 集成四核 位 架構(gòu) 主頻高達(dá) 內(nèi)置 豐富的功 能拓展接口 外接 的 和 的存儲 兼容 網(wǎng)絡(luò) 滿足系統(tǒng)開發(fā)需求 因此 系統(tǒng)硬 件設(shè)計(jì)主要分為 部分 一是數(shù)據(jù)采集及設(shè)備控制 終端 二是智能網(wǎng)關(guān)終端 兩個終端通過 模 塊進(jìn)行數(shù)據(jù)交互傳輸 數(shù)據(jù)采集及設(shè)備控制終端硬件設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集及設(shè)備控制終端硬件主要由 處理器 模塊 顯示屏 溫度傳感 器 光照傳感器 空氣濕度傳感器 土壤濕度傳感 器及各類執(zhí)行設(shè)備組成 各類傳感器將采集的數(shù) 據(jù)經(jīng) 轉(zhuǎn)換后通過通過 接口傳輸?shù)?處理器 數(shù)據(jù)經(jīng) 處理器處理后 根據(jù)設(shè) 置閾值 通過比較 利用 口發(fā)送控制指令 控 制卷簾 加熱器 噴灌 光源燈 風(fēng)機(jī)等各類執(zhí) 行設(shè)備的工作 顯示屏主要實(shí)現(xiàn)處理后的數(shù)據(jù)顯示 及人機(jī)互動 模塊將處理后的數(shù)據(jù)傳輸至智 能網(wǎng)關(guān)終端 模塊選用飛凌的 模塊 數(shù)據(jù) 傳輸速率 頻率范圍在 之 間 傳輸距離 之間 支持 操作系 統(tǒng) 采用 接口 性能穩(wěn)定可靠 顯示屏采用 寸的電容屏 接口 分辨 率為 支持觸摸 像素比例 溫度傳感器選用星儀 防水溫度傳感 工業(yè)儀表與自動化裝置 年第 期 器 測量范圍在 測量精度在 光照傳感器選用建大仁科光照度傳感器 測量 范圍在 測量精度在 空氣濕度傳感器選用華控興業(yè) 測量范圍在 測量精度在 響應(yīng) 時間小于 土壤濕度傳感器選用威盟士 測量范圍在 測量精度在 內(nèi)置 溫度補(bǔ)償器 智能網(wǎng)關(guān)終端硬件設(shè)計(jì) 智能網(wǎng)關(guān)終端硬件主要由 處理 器 模塊 顯示屏和 模塊組成 模 塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收 顯示屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動功 能 模塊實(shí)現(xiàn)處理后數(shù)據(jù)發(fā)送至 手機(jī)客 戶端或接收 手機(jī)客戶端發(fā)送的控制指令 智能網(wǎng)關(guān)終端 模塊同樣采用飛凌的 模塊采用移遠(yuǎn) 接口 支持 和 模式 向下兼容 網(wǎng)絡(luò) 支持 操作系統(tǒng) 傳輸速率為 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用 開發(fā)軟件 支持 操作系統(tǒng)開發(fā)及 操作系統(tǒng) 開發(fā) 具有 同一代碼可部署在 目標(biāo)平 臺 的優(yōu)點(diǎn) 保證了系統(tǒng)的統(tǒng)一性設(shè)計(jì)與開發(fā) 軟件設(shè)計(jì)分為三個部分 一是數(shù)據(jù)采集及設(shè)備控制 終端 二是智能網(wǎng)關(guān)終端 三是手機(jī)客戶端 具體軟 件設(shè)計(jì)如下 數(shù)據(jù)采集及設(shè)備控制終端軟件設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)采集及設(shè)備控制終端采用 系統(tǒng) 軟件 通過交叉編譯后將 系統(tǒng)和 開發(fā)軟件移植到終端 處理器上 至此 終端開 發(fā)環(huán)境部署完成 傳感器數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì) 在 軟件開發(fā)中 使用 函數(shù)管理控制各 類傳感器接口 第一 初始化溫度傳感器 光照 傳感器 空氣濕度傳感器 土壤濕度傳感器等設(shè)備 第二 各類傳感器開始采集數(shù)據(jù) 通過 函數(shù)讀 取傳感器參數(shù) 第三 利用 函數(shù)每間隔 分鐘 采集一次數(shù)據(jù) 以此往復(fù)循環(huán)采集大棚各類環(huán)境數(shù) 據(jù) 第四 將每次采集的數(shù)據(jù)通過 轉(zhuǎn)換后 通過 接口傳輸至處理器 第五 數(shù)據(jù)采集結(jié)束 傳 感器數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)如圖 所示 圖 傳感器數(shù)據(jù)采集軟件設(shè)計(jì)流程圖 數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì) 為控制溫室大棚執(zhí)行設(shè)備處于合理工作狀態(tài) 保證作物水 光 溫度等最優(yōu)配比 需對各類傳感器 采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 首先 在同一時刻 通過拉依 達(dá) 準(zhǔn)則對同類型傳感器在不同位置采集的 異常數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除 其次 將剔除后的數(shù)據(jù)加權(quán) 平均 最后 將計(jì)算的數(shù)值與設(shè)定閾值進(jìn)行比較 判 定是否控制相對應(yīng)執(zhí)行設(shè)備 設(shè)系統(tǒng)在同一時刻 同類傳感器在不同位置采集的獨(dú)立數(shù)據(jù)為 依據(jù)拉依達(dá) 準(zhǔn)則 分別算出 溫度 光照 空氣濕度 土壤濕度的算術(shù)平均值 剩余 誤差及標(biāo)準(zhǔn)誤差 若剩余誤差大于 倍標(biāo)準(zhǔn)誤差 時 則判斷為異常數(shù)據(jù)并進(jìn)行剔除 反之則保留數(shù) 據(jù) 通過判斷后的數(shù)據(jù) 加權(quán)求平均 算術(shù)平均值公式為 剩余誤差公式為 標(biāo)準(zhǔn)誤差公式為 加權(quán)求平均公式為 執(zhí)行設(shè)備軟件設(shè)計(jì) 數(shù)據(jù)通過 處理器處理后 將上述計(jì)算的 結(jié)果與設(shè)置的閾值進(jìn)行比較 判斷是否控制相應(yīng)的 執(zhí)行設(shè)備 若計(jì)算結(jié)果在設(shè)定的范圍內(nèi) 口輸 出 設(shè)備保持原狀 若計(jì)算結(jié)果不在設(shè)定范圍內(nèi) 年第 期 工業(yè)儀表與自動化裝置 口輸出 打開卷簾 加熱器 噴灌 光源 燈 風(fēng)機(jī)等相應(yīng)執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行工作 數(shù)據(jù)無線傳輸 處理器將數(shù)據(jù)處理后 通過 模塊 發(fā)送至智能網(wǎng)關(guān)終端 系統(tǒng)支持 協(xié)議 數(shù)據(jù)傳輸采用 網(wǎng)絡(luò)編程 通過 協(xié) 議建立可靠穩(wěn)定的連接 首先 初始化模塊 建立 通過 函數(shù)綁定智能網(wǎng)關(guān)終端公網(wǎng) 地 址 利用 函數(shù)連接到智能網(wǎng)關(guān)終端 使用 函數(shù)發(fā)送處理后的數(shù)據(jù) 調(diào)用 函數(shù)接收 手機(jī)客戶端發(fā)送的控制執(zhí)行設(shè)備指令 數(shù)據(jù)無線傳 輸軟件設(shè)計(jì)如圖 所示 圖 數(shù)據(jù)無線傳輸軟件設(shè)計(jì)流程圖 智能網(wǎng)關(guān)終端 智能網(wǎng)關(guān)終端采用 系統(tǒng) 軟件 通過交叉編譯后移植到 處理器上 終端 的作用是將多個溫室大棚采集處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)智能 網(wǎng)關(guān)發(fā)送至 手機(jī)客戶端 為了保障數(shù)據(jù)在 公網(wǎng)上傳輸 需要通過運(yùn)營商申請一個公網(wǎng) 地 址 至此 智能網(wǎng)關(guān)終端軟件設(shè)計(jì)環(huán)境準(zhǔn)備完成 首 先 初始化終端 建立 通過 函數(shù)綁定本 地 與公網(wǎng) 使用 函數(shù)監(jiān)聽數(shù)據(jù)采集及設(shè) 備控制終端和手機(jī)客戶端的連接 如果連接成功 使 用 函數(shù)接收數(shù)據(jù)采集及設(shè)備控制終端發(fā)送的 數(shù)據(jù) 利用 函數(shù)將接收到的數(shù)據(jù)通過 模塊 發(fā)送至 手機(jī)客戶端 反之 智能網(wǎng)關(guān)終端通 過 模塊接收 手機(jī)客戶端發(fā)送的控制指 令 再使用 模塊將接收的數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)采 集及設(shè)備控制終端 智能網(wǎng)關(guān)終端軟件設(shè)計(jì)如圖 所示 圖 智能網(wǎng)關(guān)終端軟件設(shè)計(jì)流程圖 手機(jī)客戶端 手機(jī)客戶端采用 操作系統(tǒng) 開發(fā)軟件采 用 軟件支持 軟件開發(fā) 首先 初始化 設(shè)備 建設(shè) 通過 函數(shù)綁定智能網(wǎng)關(guān)終端 公網(wǎng) 地址 使用 函數(shù)連接智能網(wǎng)關(guān)終端 調(diào)用 函數(shù)接收數(shù)據(jù)或者通過 函數(shù)發(fā)送 控制指令 手機(jī)客戶端軟件設(shè)計(jì)流程如圖 所示 圖 手機(jī)客戶端軟件設(shè)計(jì)流程圖 工業(yè)儀表與自動化裝置 年第 期 系統(tǒng)測試 系統(tǒng)測試選擇在北方種植的火龍果溫室大棚 內(nèi) 種植時間一般為 月至 月 成熟期在 月至 月 該文以溫室大棚火龍果生長所需的溫度 光照 空氣濕度 土壤濕度為例 在大棚內(nèi)不同位置分別部 署溫度傳感器 光照傳感器 空氣濕度傳感器 土壤 濕度傳感器各 個進(jìn)行數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)設(shè)置火龍果生 長最適宜的溫度在 光照范圍在 要求的空氣濕度保持在 土壤濕度在 當(dāng)各類傳感器采集的參 數(shù)通過算法處理后 若不在以上數(shù)據(jù)范圍內(nèi) 數(shù)據(jù)采 集及設(shè)備控制終端通過 處理器自動控制溫室 大棚內(nèi)的卷簾 加熱器 噴灌 光源燈 風(fēng)機(jī)等 執(zhí)行設(shè)備的工作 啟動數(shù)據(jù)采集及設(shè)備控制終端 智能網(wǎng)關(guān)終端 手機(jī)客戶端 終端自動配置網(wǎng)絡(luò) 三個終端網(wǎng)絡(luò)連接 成功 第二 在大棚中分別部署溫度傳感器 光照傳 感器 空氣濕度傳感器 土壤濕度傳感器各 個進(jìn)行 數(shù)據(jù)采集 將采集的 類數(shù)據(jù)通過處理器中拉依達(dá) 算法判斷數(shù)據(jù)的異常 然后再利用加權(quán)求 平均的算法分別計(jì)算當(dāng)前溫度 光照 空氣濕度 土 壤濕度 溫室大棚溫度 光照數(shù)據(jù)采集及算法見表 溫室大棚空氣濕度 土壤濕度數(shù)據(jù)采集及算法見 表 表 和表 為 月 日 截取的 數(shù)據(jù) 設(shè)置傳感器采樣間隔為 分鐘 表 溫室大棚溫度 光照數(shù)據(jù)采集及算法 月 日 時間溫度 算法光照 算法 表 溫室大棚空氣濕度 土壤濕度數(shù)據(jù)采集及算法 月 日 時間空氣濕度 算法土壤濕度 算法 根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果 判斷是否控制相應(yīng)的執(zhí)行 設(shè)備 本系統(tǒng)的執(zhí)行設(shè)備分別為卷簾 加熱器 噴灌 光源燈 風(fēng)機(jī) 將計(jì)算的結(jié)果與設(shè)置的閾值進(jìn) 行比較 若計(jì)算出的結(jié)果在設(shè)定的參數(shù)范圍內(nèi)則表 示為 反之 情況一 計(jì)算出的值大于設(shè)定參數(shù)則 表示為 情況二 計(jì)算出的值小于設(shè)定參數(shù)則表示 為 表 是系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果與執(zhí)行設(shè)備之間的控制 關(guān)系 表 計(jì)算結(jié)果與執(zhí)行設(shè)備之間的控制關(guān)系 計(jì)算結(jié)果與閾值比較執(zhí)行設(shè)備狀態(tài) 序號溫度光照空氣濕度土壤濕度卷簾加熱器噴灌 光源燈風(fēng)機(jī) 關(guān)閉關(guān)閉關(guān)閉關(guān)閉關(guān)閉 關(guān)閉關(guān)閉打開關(guān)閉關(guān)閉 關(guān)閉關(guān)閉打開關(guān)閉關(guān)閉 打開關(guān)閉打開關(guān)閉打開 將計(jì)算后的結(jié)果通過 模塊發(fā)送至智能 網(wǎng)關(guān)終端 智能網(wǎng)關(guān)將接收的各類數(shù)據(jù)通過 網(wǎng) 絡(luò)發(fā)送至 手機(jī)客戶端 農(nóng)戶通過 手 機(jī)客戶端實(shí)時掌握大棚內(nèi)的環(huán)境信息 農(nóng)戶也可以 通過 手機(jī)客戶端控制溫室大棚內(nèi)的卷簾 加熱器 噴灌 光源燈 風(fēng)機(jī)等設(shè)備工作 智能 網(wǎng)關(guān)初始化如圖 所示 手機(jī)客戶端接收數(shù) 據(jù)如圖 所示 年第 期 工業(yè)儀表與自動化裝置 圖 智能網(wǎng)關(guān)初始化 圖 手機(jī)客戶端接收的數(shù)據(jù) 結(jié)語 該文設(shè)計(jì)的基于 處理器的溫室大棚智能 監(jiān)控系統(tǒng) 能夠?qū)崿F(xiàn)溫室大棚精準(zhǔn)化監(jiān)控與控制 系統(tǒng)分為三個部分 一是數(shù)據(jù)采集及設(shè)備控制終端 二是智能網(wǎng)關(guān)終端 三是 手機(jī)客戶端 數(shù)據(jù) 采集及設(shè)備控制終端通過 處理器實(shí)現(xiàn)溫室大 棚環(huán)境信息采集 數(shù)據(jù)處理 智能控制執(zhí)行設(shè)備 將 處理后的數(shù)據(jù)通過 模塊發(fā)送至智能網(wǎng)關(guān)終 端 智能網(wǎng)關(guān)終端實(shí)現(xiàn)多個數(shù)據(jù)采集及設(shè)備控制終 端的數(shù)據(jù)處理及轉(zhuǎn)發(fā) 將接收的數(shù)據(jù)通過 模塊 發(fā)送至 手機(jī)客戶端 手機(jī)客戶端實(shí)時查看 數(shù)據(jù)或控制數(shù)據(jù)采集及設(shè)備控制終端中執(zhí)行設(shè)備 工作 參考文獻(xiàn) 龔琴 基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)中 的應(yīng)用 電腦與信息技術(shù) 趙尚飛 陳立萬 符譯丹 等 溫室大棚花卉智能監(jiān)控 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 農(nóng)業(yè)工程技術(shù) 邢玲玲 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)研究 電子制作 陳慧 基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)研究 杭州 浙江科技學(xué)院 劉玉芹 徐海華 基于 的溫室大棚遠(yuǎn)程智能 監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 自動化儀表 汪言康 周建平 許燕 等 基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚智 能監(jiān)控系統(tǒng)研究 機(jī)床與液壓 肖云方 溫室大棚溫濕度智能監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 信息 技術(shù)與信息化 鞏師洋 農(nóng)業(yè)溫室大棚遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí) 現(xiàn) 銀川 北方民族大學(xué) 張寶峰 楊雷 朱均超 等 溫室大棚溫濕度智能監(jiān)控 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 自動化儀表 王冬梅 路敬祎 基于單片機(jī)的溫室大棚智能監(jiān)控系 統(tǒng)設(shè)計(jì) 內(nèi)燃機(jī)與配件 程倩 基于無線傳感器的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè) 計(jì) 無線互聯(lián)科技 魏芬 季宇峰 基于無線傳感網(wǎng)的溫室大棚智能監(jiān)控 系統(tǒng)的研究 測控技術(shù) 韓力英 楊宜菩 王楊 等 基于單片機(jī)的溫室大棚智 能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) 程劍 基于 技術(shù)的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng) 福建電腦 鞠傳香 吳志勇 基于 技術(shù)的溫室大棚智能監(jiān) 控系統(tǒng) 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 楊寶貴 基于 的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 中國新通信 陶平 基于 的溫室大棚智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究 成都 西華大學(xué) 雷文禮 張鑫 任新成 等 基于 的大棚環(huán)境監(jiān) 測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 電子設(shè)計(jì)工程 歡迎投稿 歡迎訂閱 歡迎刊登廣告 工業(yè)儀表與自動化裝置 年第 期