浅析基于物联网的智能温室信息管理系统设计

浅析基于物联网的智能温室信息管理系统设计温室作物生产受外界气候影响小，能满足不同季节对各种农产品需求，已经成为现代农业的重要组成部分。物联网技术是信息发展的最新阶段，温室作物生产引入物联网技术可以提高温室环境的控制水平从而提高作物的产量和质量，同时又可以为温室作物网上销售提供平台，提升温室作物生产适应及市场需求能力，提高经济效益。因此，物联网技术在各类温室的应用成为当前研究的热点。国内温室主要分日光温室、普通温室和智能温室三种类型。日光温室及普通温室由于应用历史长、应用范围广，其物联网应用研究较受关注。黎贞发等和孙忠富等研发的日光温室小气候与生态环境监测的物联网网络，可以有效满足日光温室低温灾害监测和预警需要。普通玻璃温室和塑料连栋温室的物联网监控系统，具有低造价、易施工的优点。智能温室是指能优化控制温室环境及作物生长状态、同时能为绿色产品的可追溯及网络销售提供信息数据支持的现代大型温室。与普通温室相比，智能温室出现历史短、信息处理复杂，针对智能温室的物联网应用研究目前还比较少。本文提出一种适用于智能温室信息管理的混合型物联网系统方案，能很好的满足智能温室需要处理大量、多类型数据信息处理要求。1系统设计及测试方法1.1硬件设计硬件系统整体网络系统分为本地网络和远程网络。本地网络布置在温室内，包括环境信息采集子网、作物信息采集子网、控制子网。环境信息采集子网负责采集环境信息，环境信息为数值型，数据不大但种类多，各类传感器分布在温室内部。环境信息采集子网采用Zigbee无线网络，能稳定连接多种环境信息传感器。空气温湿度测量选用全防水HLTH-242型温湿度传感器;光强强度测量选用HLAS-53-GZ-x型光照传感器;二氧化碳测量选用HTU22201型二氧化碳传感器;选用HLW-G33-g型无线采集器作为无线网络采集点，选用嘉兴宏联电子的无线网关作为无线网络聚集点。作物信息采集子网用来采集作物信息，作物信息为矢量型数据，以视频或图片的形式展现，数据量大。因此作物信息采集子网采用WIFI无线网络，WIFI内部局域网带宽达45Mb/s满足图片及视频传输带宽的要求。图像及视频的采集使用海康DS-2DE8174型球型摄像头进行旋转角度扫描采集，采用海康DS-7808N-E2型网络硬盘录像机进行视频和图像的保存。摄像头直接通过WIFI无线连接到路由器，硬盘录像机有线连接到以太网交换机。系统通过H3CER3108GW无线路由器连接到外部网络。控制子网主要实现控制信息的通讯及赋值，控制信息为开关型，用来控制温室环境和灌溉设备的开停，因此对通讯的实时性要求高。控制子网采用有线的工业以太网，能够很好的满足实时要求。环境因子控制器选用西门子S7-300模块式PLC，水肥控制器选用带有工业以太网接口的S7-1200整体式PLC，选用H3C-S5024P以太网交换机进行控制网络组网。1.2软件系统设计软件系统包括数据采集层、数据管理层、应用层三个层次。在数据采集层进行环境信息及作物信息的采集并传递给管理层。数据管理层的数据管理系统是整个软件系统的核心，对环境信息、生长信息、控制信息统一管理，并为应用层提供服务。应用层包括本地应用和远程应用，本地应用即温室控制、环境及作物信息的处理包括控制及应用两个模块，远程应用包括可追溯系统及网络销售系统。1.2.1数据管理系统设计数据库是数据管理系统的核心，所有的温室环境信息、作物生长信息和控制信息都存放在数据库中。数据库采用SQLSERVER2008数据库平台，采用表的形式存储数据。数据库表共有10个:传感器表、传感器参数表主要保存传感器的型号、安装位置及参数的定义;采集器表保存采集器型号及安装位置;环境信息当前值表、环境信息历史值表保存环境信息的历史值和当前值;控制信息表、控制信息当前值表、控制信息历史值表保存每一个设备的控制信息当前值和历史值;作物信息类型表、作物信息指表记录作物不同时期的生长信息。1.2.2本地信息应用系统的设计本地信息应用系统以MCGS工控组态软件为平台，实现监控、报警及数据管理的功能。应用系统的参数分输入参数、输出参数、中间参数三种，输入参数主要来源于外部操作人员的操作指令和数据库的数据读入，输出参数主要传输给PLC进行环境控制及数据库进行保存，中间参数是监控软件运行的辅助参数。系统模块由数据通讯模块、主界面模块、及控制模块组成。数据通讯模块主要实现应用系统和数据管理的通讯以及主界面与控制模块的通讯。与数据管理系统的通讯需要调用MCGS软件中的ODBC函数，在Win7控制面板的管理工具中找到ODBC数据管理器，定义ODBC源名称为akyws与SQLSERVER数据库akydata数据库相对应。在软件的循环策略中调用脚本程序工具实现。现举例说明调用数据库的外部温度数据，其脚本程序如下所示。!ODBCOpen(dsn=akyws，selectValuefromCurrent_data，DB1)程序功能注释:打开数据库的current_data表，取其value的值。!ODBCBind(DB1，外部温度)程序功能注释:把MCGS中外部温度参数和数据库中value值关联。!ODBCSeekToPosition(DB1，1)程序功能注释:value值定位于第一行。!ODBCGetCurrentValue(DB1)程序功能注释:value当前行值赋予对应的外部温度参数。主界面与控制模块的通讯通过设置MCGS通讯来实现。温室环境控器为S7-300，灌溉控制器为S-1200。在MCGS的设备窗口定义各自的通讯模块，S7-300选择西门子CP443-1以太网驱动模块、S1200选择Simens1200模块。CP443-1以太网驱动模块重要的参数设置为本地的IP地址(MCGS服务器)和远端IP地址(PLC)设置、CPU的槽号设置(默认为2)。监控界面以MCGS工控组态软件为平台主界面。控制模块主要通过PLC来实现对温室环境的控制。PLC程序主要实现点动控制及自动控制。在点动控制状态下，通过本地或远程界面直接控制目标设备。在自动控制状态下采用分时控制的方法，可以把一天分四个部分，分别定义其开始时间和停止时间。在时间段定义好的前提下，再选择采用常规的经验设定值控制和积温优化控制两种方法。在S7-300PLC中，共设置了OB1主程序模块、FC1点动模块、FC2常规控制设定值获取模块、FC3温度控制模块、FC4遮阳控制模块、FC5窗口控制模块、FC6积温优化控制等7个模块。其中FC1实现点动控制;FC2根据当前时间判断当前所处的控制阶段，根据监控系统所给的经验数据设置温度等环境参数的设定值;FC3适用当前温度与设定温度有较大偏差，运用天窗和遮阳已经无法控制时，需要运用湿帘或加热设备进行温度控制;FC4主要运用于内外遮阳设备控制;FC5主要用于天窗和侧窗设备控制;FC6运用积温和优化算法实现环境参数的设定值。1.3测试方法本系统安装在安徽科技学院温室大棚，温室为南北走向的Venlo式双屋脊阳光板玻璃温室。2014年12月28日对物联网系统进行了验收试验。环境检测参量数据精度用标准仪表进行对比检验测试，整体系统的软硬件性能通过12h运行观测系统是否满足设计要求。2结果与分析2.1系统的监控系统分温室环境监视、温室灌溉监视和环境控制三部分。温室环境监视主要即时显示温室中各环境参数的当前值及执行设备的当前运行状态;温室灌溉监视单元对灌溉情况进行监控;温室环境控制实现温室环境控制的人机互动。主要控制分三种方式:手动控制、本地控制、远程控制。手动控制通过控制柜面板的转换开关直接控制设备的开停;本地控制是指服务器运行的监控界面对系统的控制，又分为点动控制和自动控制，点动控制是指通过按钮直接控制设备开停，自动控制是指按照设定的参数自动实现温室设备的开停运行;远程控制是指通过IE的网页远程控制及手机APP软件实现远程的点动控制。2.2系统实例验证对各环境信息采集数据进行精度分析，温度数据最大误差为1.2%，湿度最大绝对误差为1%，照度最大误差为1.1%，CO2浓度相对误差最大误差为1.2%，均满足设计要求。整体系统性能检测在设置目标温室温度的条件下，采用常规算法(上下限算法)和积温优化算法进行12h运行比较。优化算法在具体的某点与目标的温度差值要大于常规算法，但优化算法的日积温误差为0.4%，常规算法日积温误差为0.8%。优化算法日耗电量为0.4kW，常规算法为1.2kW。因此优化算法虽然在某时间点的温度值与目标值的差值要大于常规算法，但其日积温误差精度比常规算法高一倍，耗电量仅为常规的1/3，因此整体性优于常规算法。同时系统在运行中保持稳定，各项设计功能均能实现，满足设计要求。3讨论本文提出了一种适用于智能温室的混合型物联网温室信息管理方案，使用Zigbee无线网络进行环境信息的采集及处理解决环境信息数据种类及采集点多的问题，采用WIFI宽带网络采集作物信息解决作物信息数据量大的问题，采用工业以太网对控制信息进行处理满足实时控制的要求，软件系统实现了把温室智能生产、产品安全追溯、网络销售相结合的功能。系统经实际运行验证能很好的满足智能温室的信息管理要求，具有一定的先进性。温室作物生产中，采用物联网技术把作物智能生产、产品安全追溯、网络销售融于一体的智能温室将是未来温室发展的新趋势。本研究后续还需要研究温室作物生产与智能温室信息管理优化之间的关系，并给出智能温室提高作物生产效率的信息管理方法和策略。