[科普中国]-[原创]农业种植大棚远程监控系统设计

我国是世界农业大国，经过几千年的发展，我国农业生产逐渐步入自动化时代，越来越多的先进技术被应用到农业领域中来，大大提高了农业生产效率，节省了大量的人力物力。其中最典型的技术包括机械自动化、农业信息化、移动通信、自动化控制技术等等。随着移动通信网络资费的进一步下降，移动终端也开始在农业生产中广泛流行，开始出现了基于自动化技术、移动通信技术和物联网技术的农业环境监测体系。而农业大棚作为重要的农业生产方式，其远程自动监控更是受到了广泛的关注。

1 当前大棚监控系统的不足

1.1 远程监控平台尚未标准化

目前的大棚监控系统一般由各个不同的公司开发，采用的硬件、软件、通信协议各不相同，没有统一的技术标准，造成了系统之间的数据很难进行共享，管理起来十分不便。

1.2 平台的监控依赖于局域网

传统的大棚监控系统一般通过有线或无线的方式将采集数据聚集到附近的监控中心进行分析与存储，如果需要查看数据，必须到监控中心进行操作，这使系统的应用范围受到很大的局限。

1.3 远程监控系统可靠性不高

受到天气或人为等因素的影响，很多监控系统的通信表现出很差的稳定性，通信中断现象比较常见，造成数据丢失的数据，使大棚的监控不能取得预期效果。

2 农业种植大棚远程监控系统的设计

2.1 总体方案设计

（1）采集大棚内的温度、湿度、CO2浓度、土壤水分含量和光照度等参数，并能对卷帘门、喷淋、光照等开关量设备进行控制。

（2）下位机可以实时显示大棚的环境数据，同时可以自动保存备份和上传；

（3）系统不但可以在农业生产单位的内网进行使用，还可以在互联网上实现远程控制；

（4）用户可以通过智能手机或其它移动终端随时查看实时数据，统计数据和告警数据。

2.2 系统详细设计

2.2.1 关键芯片选型。根据总体设计方案，下位机包括CDMA无线通信模块、数据处理单元、数据采集单元等部分。CDMA模块采用瓦尔公司的NL-886D芯片，该芯片由RS485总线传输数据；上位机与下位机之间采用无线DTU进行数据传输，DTU可以自动维护心跳包，简化了软件的编程。考虑到数据处理单元的核心地位，其必须同时拥有20个以上的IO接口，同时具备看门狗、定时器、USART 串行通信、flash、ADC等基本功能，以满足对模拟信号的采集和处理要求。因此本文的数据处理单元采用了德州仪器的超低功耗微控制器MSP430F149，该芯片的处理器拥有一套完善的精简指令集为程序编写提供保障，内部嵌入了12位ADC芯片，多达48个IO接口，同时满足混合信号的处理要求，非常适用于本系统的需求。

此外，温度与湿度度也是本系统的监测的关键参数，考虑到目前市场上的温湿度计产品的价格并不高，同时为了缩短开发周期，系统采用了市场上采购的一体化温湿度计，这样也节省了硬件的开发成本与通信协议的设计时间。由于采用了SHT10温湿度数字芯片，本系统的温度采集精度可达±0.5℃，湿度采集精度在±4.5%RH以内，完全满足农业大棚的监控要求。

2.2.2 硬件系统设计。根据系统需求，确定硬件系统主要有供电模块、主控模块，串行通信模块、开关量输入输出模块、人机接口模块、与报警模块。供电电路采用24V直流开关电源，主控模块为MSP430F149单片机构成最小系统，负责对所有硬件资源进行统一调度，使之协调一致。为了同时满足CDMA无线模块和数据处理单元的数据传输要求，系统设计了两个RS485串口，采用RS485串行总线的原因主要是考虑到其通信距离较长，搞干扰性能较强，可以满足一些大型农业大棚的通信要求。开关量输入输出电路作为硬件系统的驱动机构，是体现系统控制的重要硬件单元，下位机包括8路开关量输入输出接口，通过控制大功率继电器来达到驱动卷帘门和风机等农机设备的目的，同时这些开头量的实时状态也会被主控单元准确接收，从而对监控逻辑进行判决。人机接口模块包括显示电路、按键电路和报警电路三部分，他们均为监控人员对大棚的管理提供了接口。显示电路是一块液晶显示器，动态地将采集到的温度、湿度、CO2浓度、土壤水分和光照度等数据显示出来，同时也会将相应的阈值显示出来，如果实时数据超出了预设的阈值，声光报警器就会发出告警信息，提醒管理人员及时处理。 按键电路则可以输入预设的运行参数，或动态改变系统参数以达到实时控制的目的。

模拟量采集电路主要用于采集0-5V标准输出电压或4-20mA标准输出电流，但这与 MSP430F149片内的ADC模块参数不相配置，为了解决这个问题，将0-5V信号变换为0-2.5V以实现硬件匹配，当然，这样处理损失了。虽然牺牲了ADC模块的部分分辨率精度，但对于农业大棚的应用场合影响并不明显。

2.2.3 下位机软件系统设计。考虑到系统对上位机软件的通用性、高效性、移植性和安全性等要求，上位机软件平台采用了当今最流行的Java语言进行编写.软件总体架构设计采用C/S与B/S相结合的方法，模块化编程方法来实现。系统开机后，将直接进入系统预设的工作模式，每隔30s会向服务器推送一个数据包，同时在液晶屏上显示出来。服务器与互联网相连，用户可以用自己的手机或其它移动终端随时通过互联网查询大棚各项实时参数，同时能够通过移动终端对大棚内的设备进行手动控制。具体实现方法是，用户在移动终端输入控制指令，指令内容首先被保存在服务器数据库中，然后向下位机发送，如果下位机未成功接收，将进行第二次发送，保证指令的成功执行。对于现场的数据采集，软件采用了定时轮询的采集方式，每隔30秒采集一次传感器数据，并对实时数据进行分析与自动决策，如果无法实现自动决策时将发出声光报警，提示监控人员及时处理。对于模拟量的采集控制逻辑，考虑到软件控制比硬件控制方案成本更低，因此设计了模拟量采集数据算法。以1Hz的频率采集模拟量并进行平均处理，并将前一次计算的平均值参与计算，使计算精度逐步提高。

编辑：季鑫

审核专家：山西省农业种子总站研究员 李竹梅