温室中无线环境测控系统的设计

温室中无线环境测控系统的设计

庞利民

宁波大龙农业科技有限公司浙江宁波315040

摘要：从无线传感器网络的体系结构、在温室环境中的应用等方面探讨了基于无线传感器网络的农业温室环境测控系统，为实现把无线传感器网络技术与温室环境相结合，达到智能化、自动化的目标，进而提高温室条件下农作物生产效益做出了一定的探索。

关键词：温室；无线环境；传感器；监控系统

前言：对于温室大棚里面的农作物而言，大棚中的温度、空气湿度、光照度、CO2浓度等因素将严重影响产量，因此，实现对这些因素的智能控制是当前温室大棚种植的关键问题和研究热点，对中国这个人口大国的农业现代化生产以及解决人们的菜篮子需求具有深远意义。

1温室环境控制系统

温室环境测控系统是基于传感技术、电子技术、通讯技术、计算机技术、网络技术、专家系统技术和图像采集处理技术的智能系统，它集成了智能控制算法、温湿环境预测模型、园艺作物生长发育模型及病害预测模型等，可根据作物生长发育规律对温室环境进行智能调控，同时对温室生产、管理和病虫害防治有指导作用。现代温室是设施农业的生产车间，温室环境信息的监测控制系统是实现其生产自动化、高效化最为关键的环节[2]。温室环境管理的内容包括温度、光照、通风、湿度、二氧化碳浓度、遮荫、灌溉等环境因子的控制，温室环境控制系统的使用极大影响了温室产品的质量和生产成本。目前，温室环境控制有4种形式，分别适用于不同的温室环境控制要求。

1.1自动调温器

自动调温器有2种基本类型：一种是开关式自动调温器，另一种是渐变式自动调温器。开关式自动调温器一般控制风扇、加热器等，只有“运行”和“停止运行”2种状态的设备，渐变式自动调温器一般用作电子控制器的传感器。自动调温器投资少，安装简单，使用方便，但控制能力有限，精确度不高，与其他设备兼容性差，扩展性差，能源利用效率低。自动调温器一般用于只需简单温度控制的温室。在温室环境里单个温室即可成为无线传感器网络一个测量控制区，采用不同的传感器节点和具有简单执行机构的节点构成无线网络来测量土壤湿度、土壤成分、pH值、降水量、温度、空气湿度和气压、光照强度、二氧化碳浓度等来获得作物生长的最佳条件，同时将生物信息获取方法应用于无线传感器节点，为温室精准调控提供科学依据。

1.2模拟控制系统

模拟控制系统利用渐变式自动调温器或电子传感器收集环境温度信息来驱动信号放大器和电子逻辑（决策）电路。模拟控制系统的成本高于自动调温器，但是控制作用较全面，控制效果更好，还可使加热和降温设备有效结合，并达到有序控制。模拟控制系统的成本低于计算机控制系统。可将较多的环境控制设备协调起来，全方位控制温室各环境因子。模拟控制系统的扩展性差，不适于有多个种植分区的温室，一般用于小规模单分区温室。

1.3计算机控制系统

随着计算机技术的广泛应用，机械系统设计的理论、方法和手段也随之发生一些重大变革。计算机微处理器取代了模拟控制系统的放大器和逻辑电路，计算机将来自各传感器（温度、湿度、光照传感器等）的信息进行综合分析，以确定如何运行各种设备以控制环境条件。计算机控制系统可控制和协调最多达20个设备。大多数计算机控制系统的综合控制能力优于模拟控制系统，它们操作相对简单。但该系统增容性差，只适用于简单的反馈控制，不适用于多区控制。该种控制系统适用于中等规模的温室生产。

1.4计算机环境管理系统

计算机环境管理系统可协调控制各种环境控制设备，以达到环境综合管理的目的，并可控制温室的肥水管理系统。将作物生长规律、生长形态及不同时期农艺特点与环境控制系统紧密结合在一起，能完成温室内温、光、湿气、水、肥等环境因子综合调控及作物叶片温度、茎叶流量、茎秆直径等无线综合监控，实现温室生产精准控制和无人化管理，达到增产、增效及规模化生产的目的。

2无线传感器网络在温室环境控制中的应用

传统温室环境监测系统布局大多为有线通信方式，如现场总线、集散控制总线等，布线繁琐，不利于系统布局变动和维护。传统的温室环境测控系统一般基于有线网络，有线网络因其实施复杂、维护量大和成本较高等劣势，不容易大规模推广应用。无线传感器网络可以更好地避免传统温室环境测控系统存在的弊端，具有智能健壮、方便灵活、成本较小等优点。

2.1无线传感器网络简介

无线传感器网络是由监测区域内随机分布的大量的、种类繁多的微型传感器组成，它们通过无线通信方式迅速自行组网，对网络覆盖区域中被感知对象的动态信息进行采集、计算和处理。无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的低功耗微型传感器节点通过无线通信方式形成的一个自组织的网络系统，能协作地感知、监测、采集网络覆盖区域中的各种微观环境信息，并对这些信息进行处理，发送给观察者。无线传感器网络已经被视为互联网之后的第二大广泛存在的网络，其作为信息获取的重要和常用的新技术，发展的脚步越来越快，也越来越深入到人们的生产、生活的各个领域，包括农业中的温室环境测控领域。

2.2温室测控系统的体系结构

要实现高水平的设施农业生产和优化温室环境控制，信息获取手段是最重要的关键技术之一。作为现代信息技术三大基础(传感器技术、通信技术和计算机技术)的高度集成而形成的无线传感器网络(WirelessSensorNetwork，简称WSN)，是一种全新的信息获取和处理技术。网络由数量众多的低能源、低功耗的智能传感器节点所组成，能够协作地实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，获得详尽而准确的信息，通过无线网络传送到目标主机以及需要这些信息的用户，同时用户也可以将指令通过网络传送到目标节点使其执行特定任务。

温室控制系统与常规工业控制系统有所不同，一般的工业控制系统属于典型的物一物控制系统，即输入信息及反馈信息经过控制器处理，随之送出控制信息到执行机构，执行机构动作的结果将使得被控对象的状态发生预期的改变。而温室控制系统涉及植物生理、环境和自动控制技术等领域的相关知识，是包括诸多因子组成的复杂系统，既包括环境气候控制又包括水肥灌溉调控。温室控制要配有加热系统、通风系统、帘幕系统、湿帘系统、营养液循环灌溉系统、施肥系统和光照系统等，通过计算机采集每一时刻的环境因子信息，自动进行数据在线处理分析。

2.3无线传感器网络应用于温室环境测控

温室环境测控系统可对温室内外环境进行自动检测、显示；可按不同作物的要求进行多因子综合调节与控制；同时还能对温室内各环境因子的数据长期存储，满足科研和生产的需要，为智能农业专家系统的开发积累丰富的资料数据。将无线传感器网络技术应用在温室环境测控系统，极大地提高了系统的实时性、可靠性，且系统开发成本较低廉，性价比高，维护简单，节点的扩展也非常容易，提高了温室环境下农作物种植环境信息采集、监测和控制的自动化程度。在该系统中，分布在温室环境内的大量传感器节点通过无线通讯网络与汇聚节点进行信息交换。

参考文献

[1]韩安太，郭小华，吴秀山.温室环境控制无线传感器网络的服务质量管理[J].农业工程学报，2010，26（1）：216-220.

[2]郭文川，程寒杰，李瑞明，等.基于无线传感器网络的温室环境信息监测系统[J].农业机械学报，2010，41（7）：181-185.

[3]顿文涛，毕庆生，惠向晖，等.无线传感器网络在数字农业中的应用[J].科技视界，2012（29）：123-124.