摘要：給出了一種基于嵌入式系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能大棚控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，該方法通過傳感器對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的各種環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，并由無線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳回控制終端。控制終端由Qt編寫，能完成圖形界面繪制、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫管理和PID控制計(jì)算，以及整個(gè)智能大棚系統(tǒng)的運(yùn)行。運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)人機(jī)界面良好、操作簡(jiǎn)便、自動(dòng)化程度高，具有良好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。
關(guān)鍵詞：智能大棚；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；無線數(shù)據(jù)采集；ARM

0 引言
    智能大棚是基于嵌入式系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由無線監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、傳感器、變頻器和全GUI的人機(jī)控制終端等組成。各種傳感器、語音呼叫和控制狀態(tài)數(shù)據(jù)由安置在各個(gè)大棚里的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)來采集，再通過無線局域網(wǎng)傳輸?shù)娇刂浦行?，?jì)算機(jī)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)比較結(jié)合PID算法來精確控制各個(gè)控制終端。用戶可以隨時(shí)調(diào)整這些自動(dòng)控制，以便讓大棚始終處于一個(gè)最佳生長(zhǎng)環(huán)境。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)部分，即終端虛擬控制平臺(tái)系統(tǒng)和大棚基站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，與傳統(tǒng)的儀器相比，基于計(jì)算機(jī)的虛擬儀器的優(yōu)勢(shì)就是它可以方便地進(jìn)行組網(wǎng)通信，實(shí)現(xiàn)連棟大棚的規(guī)?；芾恚岣呦到y(tǒng)的靈活性。首先，系統(tǒng)通過大棚基站內(nèi)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)棚內(nèi)的各個(gè)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集(如溫度、濕度、光強(qiáng)、CO2濃度等)，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，再發(fā)送給終端虛擬控制中心，終端再通過數(shù)據(jù)比較和自適應(yīng)PID控制算法發(fā)出控制指令，大棚基站接到控制指令后，對(duì)棚內(nèi)的外圍電氣設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制，從而改變棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。如果在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)沒有接到終端的控制指令，大棚基站則會(huì)通過與內(nèi)部設(shè)定的環(huán)境參數(shù)的比較，對(duì)相應(yīng)的電氣設(shè)備進(jìn)行控制操作，這種方法的好處是可以避免在終端維修或網(wǎng)絡(luò)繁忙時(shí)出現(xiàn)數(shù)據(jù)遺失所造成的大棚基站失控。此外，終端和基站、基站和基站之間還可以進(jìn)行語音呼叫，使終端用戶可以隨時(shí)和各棚內(nèi)的工作人員進(jìn)行聯(lián)系，了解大棚基站的運(yùn)作狀況。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)監(jiān)控主要由大棚基站和PC終端機(jī)兩部分組成，PC機(jī)終端是整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理和控制決策中心，根據(jù)棚內(nèi)的具體參數(shù)，由終端系統(tǒng)專家發(fā)出最合理的參數(shù)設(shè)置和控制指令。大棚基站通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并與PC機(jī)終端所設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，從而對(duì)外圍電氣設(shè)備進(jìn)行控制，以改變棚內(nèi)的環(huán)境，使棚內(nèi)達(dá)到一個(gè)最佳的生長(zhǎng)環(huán)境，并把棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)、電氣設(shè)備的狀態(tài)反饋給PC機(jī)終端。
2．1 基站控制系統(tǒng)
    大棚基站控制系統(tǒng)以32位嵌入式微處理器為核心，由無線數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、外圍控制電路子系統(tǒng)、語音子系統(tǒng)等組成，無線數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由多個(gè)無線傳感器網(wǎng)終節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，可實(shí)時(shí)多點(diǎn)地準(zhǔn)確采集大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，并傳給對(duì)應(yīng)的基站。當(dāng)終端控制臺(tái)把基站設(shè)定為自動(dòng)控制方式時(shí)，基站便可對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并與系統(tǒng)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較，然后發(fā)出控制指令來對(duì)外圍控制電路子系統(tǒng)進(jìn)行控制(包括換氣扇、灌溉網(wǎng)絡(luò)、采光子系統(tǒng)等)。當(dāng)終端控制臺(tái)設(shè)定基站為手動(dòng)控制時(shí)，終端可以通過對(duì)基站地址的設(shè)定選擇指定的基站進(jìn)行手動(dòng)控制操作，其原理框圖如圖2所示。

2．2 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
    網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用32位EasyARM1138為主控制器，無線數(shù)據(jù)傳輸采用nRF24L01無線傳輸模塊，nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2．4～2．5 GHz ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。圖3所示是其電路原理圖。

2．3 外圍控制電路的設(shè)計(jì)
    外圍控制電路子系統(tǒng)同樣采用EasyARM1138為主控制芯片，輔以nRF24L01無線通信模塊。該子系統(tǒng)通過EasyARMll38的I／O口控制DAC08 32來產(chǎn)生正弦波，然后驅(qū)動(dòng)變頻器以改變外圍各電氣設(shè)備的工作狀態(tài)，從而避免能源的浪費(fèi)。無線通信模塊可實(shí)現(xiàn)終端與基站、基站與基站、基站與各無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的組網(wǎng)通信功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本智能大棚的終端虛擬化控制平臺(tái)由Nokia公司Qt開發(fā)環(huán)境編寫而成。Qt是一個(gè)多平臺(tái)的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架。它能提供給應(yīng)用程序開發(fā)者建立藝術(shù)級(jí)圖形用戶界面所需的所有功能，可用于高性能的跨平臺(tái)軟件開發(fā)。整個(gè)智能大棚的控制中心軟件由6大部分組成，分別是控制內(nèi)核模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、PID控制計(jì)算模塊、串口通信模塊、圖形繪制模塊、文件記錄管理模塊。其控制中心軟件框架結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3．1 數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)
    本程序中的數(shù)據(jù)庫部分負(fù)責(zé)建立專家系統(tǒng)，用于存放各種植物參數(shù)和檢索?？紤]到軟件開發(fā)的成本問題，本系統(tǒng)采用了MySQL。MySQL是一個(gè)快速客戶機(jī)／服務(wù)器結(jié)構(gòu)的SQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，由一個(gè)服務(wù)器守護(hù)程序mysqld以及許多不同的客戶程序和庫函數(shù)組成，該系統(tǒng)雖然不是開源的，但可以免費(fèi)使用。其優(yōu)點(diǎn)是功能強(qiáng)大，靈活性好，應(yīng)用編程接口豐富，結(jié)構(gòu)精巧。
    考慮到植物所包含的信息很多，所以，在設(shè)計(jì)時(shí)可采用多表結(jié)構(gòu)。分別是植物名稱、適宜生長(zhǎng)溫度、適宜生長(zhǎng)濕度及生長(zhǎng)時(shí)間段。通過利用MySQL編程語言可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)庫的訪問。
    Qt的QtSql模塊通過數(shù)據(jù)庫驅(qū)動(dòng)可與不同的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行通信。創(chuàng)建一個(gè)數(shù)據(jù)庫連接需要做如下三個(gè)步驟：激活驅(qū)動(dòng)程序、配置好連接信息和打開連接。整個(gè)創(chuàng)建過程可以放在內(nèi)核模塊的構(gòu)造函數(shù)里。其程序如下：
  
   
    在內(nèi)核模塊中，通過QtSql提供的相應(yīng)API可完成數(shù)據(jù)庫的讀寫操作。
3．2 PID控制計(jì)算
    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?，F(xiàn)場(chǎng)信號(hào)由各個(gè)對(duì)應(yīng)的傳感器采集，然后經(jīng)過量化、編碼后傳給計(jì)算機(jī)。利用計(jì)算機(jī)上的PID控制計(jì)算模塊進(jìn)行計(jì)算，再將結(jié)果通過無線網(wǎng)絡(luò)傳給各個(gè)大棚的控制節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)再將信號(hào)進(jìn)行解碼分析，即可得出變頻器控制信號(hào)。這樣，變頻器通過改變各個(gè)泵機(jī)、風(fēng)扇或電磁閥工作，就可以調(diào)整各個(gè)參數(shù)。從而實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)的運(yùn)算關(guān)系：
   
    式中：M(t)是PID的輸出，是關(guān)于時(shí)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；Minitial是PID回路初始值。
    為了能夠在計(jì)算機(jī)中實(shí)現(xiàn)PID控制功能，必須對(duì)連續(xù)的PID控制方程進(jìn)行離散化操作。即對(duì)誤差進(jìn)行周期采樣，然后經(jīng)計(jì)算輸出。通過對(duì)連續(xù)PID方程的進(jìn)一步組合、簡(jiǎn)化，可得：
   
    式中，Mn是第n采樣時(shí)刻的計(jì)算值；Kc是增益；SPn是采樣時(shí)刻n的給定值；PVn是采樣時(shí)刻n的過程變量；Ts是采樣周期；T1是積分時(shí)間常數(shù)；MX是采樣時(shí)刻n-1的積分項(xiàng)(積分項(xiàng)前值)；TD微分時(shí)間常數(shù)；PVn-1是采樣時(shí)刻n-1的過程變量。下面是PID計(jì)算的核心部分程序：
   
   
4 結(jié)語
    本文設(shè)計(jì)的采用虛擬控制技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)開發(fā)的經(jīng)濟(jì)型大棚智能測(cè)控系統(tǒng)，是一種集監(jiān)、控、管于一體的大棚溫室智能化監(jiān)控設(shè)施，其特點(diǎn)是可同時(shí)實(shí)現(xiàn)幾個(gè)、幾十個(gè)大棚相關(guān)參數(shù)的監(jiān)測(cè)控制，并就地顯示及無線組網(wǎng)方式傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)水泵、通風(fēng)扇、燈光等裝置的集中智能控制，以及對(duì)溫室環(huán)境的智能調(diào)節(jié)和預(yù)報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)作物生長(zhǎng)環(huán)境的智能化控制和溫室作物的科學(xué)管理，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，以達(dá)到作物穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)、高效的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)要求。若在系統(tǒng)中增加對(duì)太陽能的利用，則可進(jìn)一步降低對(duì)煤、電、油的需求，節(jié)省農(nóng)業(yè)投資成本。