基于多网融合的温室环境监控系统的研究与设计

阴国富++朱创录

doi：10.15889/j.issn.1002-1302.2016.10.109

摘要：为了适应西北地区多变的气候环境，提升农产品质量产量，温室种植农作物逐渐受到农民重视，通过温室内稳定的气候状态及可预期的生长时间，调节农产品产量及生长周期，使农业生产者降低生产成本提高收益。利用温室环境监控软件结合JAVA动态服务器建立了一套可同时在远程监控多个温室的移动温室环境监控系统；该系统整合多个温室的环境与设备状况，并根据外界环境变化自动调节温室内部环境，使其达到适合农作物生长的目的。在设计中采用客服/服务器模式，可实时将最新的动态信息显示于客户端，便于管理者实时监控，当外界环境变化异常时，系统会自动在客户端进行预警，并通过手机短信提示温室管理员，管理员可在远程登录主控计算机进行系统控制参数变更，达到有效监控的目的。研究结果显示，利用环境监控系统与监控网络相结合，能使管理者不受时间和地域的限制获得有效的监控管理效果，将有助于温室农业生产环境的精细化、实时性监控管理。

关键词：温室；环境监控；农业生产管理

中图分类号： S24文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）10-0371-04

收稿日期：2016-05-05

基金自助：国家自然科学基金（ 编号：11304230）；渭南师范学院科研项目（编号：15YKF006）。

作者简介：阴国富（1980—），男，陕西富平人，博士，教授，主要从事智慧农业与物联网工程的研究。Tel：（0913）2088723；E-mail：yinguofu@126.com。随着人们生活水平的逐年提升，消费者对于农产品的品质需求不断提高，为了使农产品在激烈的市场竞争中占有一席之地，除了要求农产品产量要高外，更需要有良好的农产品管理和控制，因此促进了农业科技自动化的进步与发展。通过温室设备能够构建作物生长所需最佳环境，通过农业物联网工程达到监控目的，形成适合农作物生长的微气候环境，确保作物的产期与产量。由于作物的种类、栽培时期、栽培方式的多样化，在恶劣环境中隐藏着许多的生长障碍，对于作物生长的影响极大，因此必须了解最佳作物生长环境对环境监控的要求，然后控制环境，给予作物生长上最适合的条件，达到最佳的生长状态。因此必须研究温度、光照、水分对作物的影响。当环境因子改变时，作物的生长会随之变化并适时地表现出不同的反应，比如不同的生物种类、同种类但不同的生态、变换的环境因子、变化的强弱程度与持续时间等，这些因素的改变造成农作物有着不同的反应，但一些较广泛的普遍性原则仍然是通用的，通过对多种植物的研究，可以发现其对温度、湿度等的不同要求，达到精准控制的目的。

早期的温室自动控制多采用继电器、定时器等传统的控制电路，控制复杂且死板；之后发展为结合可编程逻辑控制器（programmable logic controller，简称PLC）的自动控制模式，然而PLC的控制接口复杂，管理者往往需要经过一定的专业训练才能熟悉其操控方法，这对大部分管理者而言无疑是一种负担；当前很多温室的控制主机通常都置于温室内部，通过外接监控面板让管理者实时控制，虽然平时温室整体设备的运转采用周期循环的方式，但是遇到气候异常时，则必须通过管理者的经验数据手动控制，为此需要管理者长时间待命，劳动效率较低[1]。因此，利用计算机强大的运算功能，建立计算机及手机终端与主控系统结合的网络接口监控软件，整合主控系统的设备监控部分及环境因子感测部分，不但能实时显示和纪录环境变化情形，并能最快地作出响应；将图形监控接口设计成窗口化模式，利用图形和文字相结合的呈现方式，管理者能很快熟悉监控设备的控制方法。同时配合互联网的应用，管理者可通过网络以远程计算机或手机来监视和控制温室的环境[1]。除此之外，主控计算机还可整合多个温室内部传送来的各项信息，让管理员易于同时监控大规模或多个温室的现况，减轻管理人员的负担。

1温室环境监控系统总体设计

温室的远程自动监视和控制主要包括2个部分内容，其一，在较为正常的气候环境下，自动控制系统根据温室内的各项参数自动选择灌溉时间、日射量控制、通风控制等，这部分功能的实现是在软件选择自动模式的情况下温室群服务器根据所采集到的参数自动进行控制，其关键参数是各项指标控制门限值的选择；其二，在经验控制模式下，管理者通过远程的各种客户终端实现温室群的监视和控制，则必须将温室内的温度、湿度、日照强度等主要参数传递给远程的管理者，并将管理者的指令正确传递给温室群服务器控制端。

以上2个部分内容实现依靠智能温室监控系统来实现，总体架构包括：温室环境的感知和控制、网络传输、总控中心及各平台软件4个模块组成（图1）。

（1）温室环境的感知和控制模块：由分布式传感器节点及相应控制器构成组成，完成温室内信息的采集及控制功能，采集到的信息通过网络传递到数据中心，由数据中心进行分

析判断或发布人工操作指令。

（2）网络传输模块：智慧温室中的各种监测信息及操作指令通过Wi-Fi网络、无线传感器网络进行汇总，通过光载无线交换机实现到数据中心的信息传递，这样可以实现复杂环境下多温室的异构网络的通信汇总。

（3）总控中心：对接收到的传感器信息进行分析判断，由决策系统生成控制策略，提供PLC控制通断继电器的基本指令，同时还为管理系统及操作平台提供数据服务。

（4）平台软件：对光载无线交换机传递的各种信息通过友好的人机交互界面呈现给用户，并且方便地进行人工操作指令的干预。

本研究利用温室环境监视与控制装置与计算机图形软件并结合Web服务器和数据综合管理服务器建立一套可同时在远程监控多个温室的移动温室环境监视与控制系统，并结合SQL Server数据库，可实时将最新的动态信息显示于网站及客户端上，便于管理者实时监控，当外界环境变化异常时，管理者可在远程登录主控计算机进行系统控制参数变更，达到移动监控的效果。

本研究使用的设备包含：

（1）温室设备。试验温室4个：本试验温室位于陕西省蒲城县椿林镇，为蔬菜育苗温室，温室长88 m、宽18.6 m、高 4.5 m，内部设备有循环风扇21台（18″，铁叶扇，单向，220 V）、轴流机6台（12″，500 W，单向，220 V）、通风窗12扇（位于温室两侧）、外遮阳网2张（锁结针织网，50%）。计算机：微型机5台，智能手机3部，服务器计算机2台。温室设备控制器：Eldar Shany Agricultural Control-Galileo32，规格：EMD-01（32 Outputs，8 Discrete、32 Analog Inputs）。温室外部气象感测站：温度计，型号PT-100，可设定-50～51、0～104、0～211、-100～104 ℃ 4种测量范围，准确度0.05%，反应时间160 s；湿度计，标准偏差±3%，4～20 mA模拟输出；日射计，光合有效辐射（PAR）0～2 000 μmol/（m2·s）；风速计，4～20 mA模拟输出，启动风速 0.78 m/s，最大风速 4467 m/s；风向计，4～20 mA模拟输出，10 ∶4 mA，1 800 ∶12 mA，3 600 ∶20 mA；雨量传感器。 温室内部气象传感器：温度计3组（PT-100），湿度计1组。

（2）物联网通信设备。光载无线交换机及控制系统1套：支持光电/电光转换无线信号，Wi-Fi信号本地产生和处理，本地可对所有Wi-Fi信号集中和统一管理，实现可管、可控、可测，支持射频交换，支持远距离传输。控制系统支持信息平台射频参数管理和控制，频道设置，安全密码设置，网段管理，无线网络管理，信号强度和防干扰管理，接入设置管理，射频交换管理可实现光载无线传输链路按需选择，其模拟光纤传输距离最大为5 000 m。远端射频单元2台，支持信号分路，可将射频信号分为多路，支持远端信号发射与接收，带宽为54 Mb/s（802.11 g），覆盖半径室内为50 m、室外为100 m。有线网络交换机1台，24个10/100 Mb/s自适应RJ45端口。

（3）软件系统。操作系统：Microsoft Windows Server 2010。温室控制软件：Elder Shany Greenhouse Climate control。 光载无线网络管理软件1套：Microsoft SQL Server 2008。

2温室环境监控系统实现及关键问题的解决

2.1实现方法与步骤

本研究是在前期研究[2]的基础上，实现对智慧温室内微气候环境下的控制方法及控制软硬件环境进行整合并改进，主要实现步骤是：首先对原温室内的各种传感器及网络设备进行整合，以达到能够进行精准控制及有效通信的目的。其次，建立控制策略和控制方法，实现温室内微气候环境的建模。再次，根据模型自动判别及手动指令下达方式，通过控制系统及客户端软件，达到温室内小气候环境的精准控制的目的，使温室生产环境能够更高效地满足作物的生长。整个过程的数据通过数据库服务器进行记录，以达到控制及经验积累的目的。主要步骤如下：

2.1.1温室设备、温室控制器及网络设备的整合由于本研究温室是在原有的智慧温室基础上进行改造试验的，原来设备控制方式采用半自动调节的控制方法，与本试验希望能达到的控制模式有所出入，因此对4栋温室首先进行设备的改造和网络综合布线的改造，以满足精准控制的目的。原有的通风窗由于育苗温室面积较为广大，共分8面且采用手动方式开关，改造后将所有的通风窗视为1项设备组件，接入PLC控制电路，增加了温室管理者操作上的便利性。外遮阳网的部分，分为温室的前半段与后半段两面；循环风扇共21台，依据放置的位置分为3组控制，而轴流风机每个温室分为2组进行控制；原温室的喷雾装置主要用来喷洒营养液等，对其进行改造使其满足降温需求。原温室有一部分采用Zigbee网络进行组网及数据传输，还有一部分设备采用WiFi网络进行组网连接，为达到多种异构设备能够进行统一控制的目的，采用了光载无线交换机及控制系统作为网络整合的数据交换设备，可以达到集群管理的目的。

2.1.2温室控制系统的内部连接与控制策略的建立将规划好的设备接点与传感器接点设置在控制软件中，通过软件本身链接的功能，将各设备与相对应的传感器链接，以达到控制目标；并设计内部控制策略及控制模式，使该育苗温室的运转控制形成一个完整的周期系统。再将所有连结完成的设备及传感器通过环境因子的变化加以测试，检查所有设备是否正常运转及停止，并测试设备运转异常时警报系统是否输出警报。

2.1.3建构主控计算机的客户/服务器模式主控计算机实现控制温室集群所有监控信息的汇总，通过相应的控制策略实现对不同温室的控制，控制系统软件虽然采用商业软件并能够实现基本的控制策略的设定，但对于定制化的控制策略则通过软件提供的应用程序接口实现功能的扩充。信息系统的构建，首先将预计呈现的页面建构成实体画面，并将JSP程序镶入页面画面中，形成动态网页。并将温室自动控制软件所接收的数据经过整理后链接至SQL Server数据库中，方便作为历史数据查询，以及分析统计。最后通过ADO对象及ODBE与OLE-DB技术，连接JSP网页及SQL Server数据库，构成1个完整的监控系统。

2.2系统实现关键问题解决方法

本研究在智慧农业物联网温室控制系统的基础上，利用系统平台开放的应用程序接口对已有的温室控制系统的改良，实现不同通信网络环境下多温室的信息聚合，达到统一控制的目的，实现过程中主要采用J2EE技术开发，通过J2EE技术在JAVA平台的基础上构建用于Web应用及Android智能终端开发的应用类库。系统在J2EE架构的基础上整合了Java for android、XML、Ajax Java json等技术，建立互动数据通道及动态网页访问。所有资料的存储与访问采用SQL Server数据库，形成温室环境管控的数据中心，能够与客户端及管理服务器进行交互，并且将所有的历史数据记录在资料库中。

2.2.1温室设备与控制器的整合温室设备控制器：Eldar Shany Agricultural Control-Galileo 32 EMD-01共包含有32点输出接点、8点数字输入、32点模拟输入，将预先规划好的设备与气象站及温室内传感器配置在控制器接点中，研究中所使用的温室控制软件，由若干已定义的对象组成，多个对象运行时形成进程，当对象被某个进程使用时，此程序使用该对象的优先权会大于直接控制此对象，有时不同对象间又会相互影响彼此的运转状态，因此在设定页面时应该格外注意。

试验中以通风窗为对象，因其为1个可分段改变其开度的对象，假设起始状态为通风窗停在某一级开度，然后判断此开度是否是被某个程序所限制，如图2所示，若其判断值为“是”，则因为优先权的影响，使得通风窗持续停在此开度。若其判断值为“否”，则利用设定的温度区间作为调整开度的依据，当室内温度介于区间内，则开度维持不变，并且持续进行上述的判断流程；当室内温度高过设定温度（设定页面中的开窗温度）时，使通风窗之开度大一级，而当室内温度低于关窗条件（开窗温度减去降温程度）时，则使通风窗的开度小一级，当开度变化后，必须等待一段设定的延迟时间后，再持续进行上述的判断流程[3]。这段延迟时间的设定主要是避免通风窗启闭过于频繁，而传感器也有其反应时间，因此在设定此延迟时间时，必须要大于传感器的反应时间，在本研究中温度传感器的反应时间为160 s，因此延迟时间的最小设定值即定为此值。

当对象同时受2项以上的范围值限定时，则依照范围较低的最大值及较高的最小值作为此对象的范围值。例如通风窗原始开度为0～5，当通风窗处于上风状态时，依据风力级数的不同而依次递减通风窗的最大开度0～4，若再限制通风扇运行时，通风窗的最小开度为2，则该通风窗的开度限制，在处于上风处同时通风扇运转时，由原来的0～5，缩短为2～4。

2.2.2环境控制方法在以往的控制方法中，通常将实际的控制输入运行后控制环境才能得到足够的信息获得相应的控制结果。在农业生产控制现场要得到即将加载的控制信息前，必须对控制的效果进行全面掌握，因此必须建立温度和湿度的控制模型，在研究中采用了Pasgianos等提出的关于温湿度动态控制的模型[4]，如式（1）所示：

dTin（t）dt=1ρCpVT·[Qheater（t）+Si（t）-λQfog]-VR（t）VT·[Vin（t）-Tout（t）]-UAρCVT·[Tin（t）-Tout（t）]；（1）

dAωin（t）dt=Qfog（t）VH+1VH[E（Si（t），ωin（t））]-VR（t）VH·[ωin（t）-ωout（t）]。（2）

其中E[Si（t），ωin（t）]=αSi（t）λ-βTωin（t），公式中的符号如表1所示。

表1温湿度变化量计算中的符号表示

符号含义单位Tin 温室内的温度 ℃Tout 温室外的温度 g/（min·m3）UA热交换系数 W/KV温室的体积 m3ρ 大气密度 1.2 kg/m3Cp 空气的比热 1 006 J/（kg·K）Qheater 加热功率WQfog 喷雾系统水容量 g/sSi 日照辐射能量Wλ潜在的热蒸腾 2 257 J/gVR 通风率 m3/sE（Si，ωin） 蒸腾损失率 -α和βT 调整参数-VT、VH温和湿度混合空气体积60%～70%

在温室基本参数确定的情况下（温室体积、热交换系数），根据公式（1）和公式（2）可以计算出温室喷雾、改变通风量及加热等因素变化时温室内部的温度和湿度的变化量。

2.2.3温室环境监控系统软件设置

2.2.3.1控制室软件温室控制系统不仅为温室各个控制设备，如通风窗、风机、循环风机、降温设备、内外遮阳、施加 CO2 设备、加温设备以及雾化设备等提供各自独立运行的控制程序，而且还为不同控制设备共同参与协调运行的综合气候控制过程提供了统一的控制程序。软件的可视化界面为用户提供了方便的操作和直观的信息。用户既可以选择使用控制器面板进行控制操作，也可以使用与控制器连接的PC 机及手机APP实时控制温室气候。图3是温室气候控制系统PC软件主屏幕。首页将温室内外的动态数据置于中央，按照温室控制器获取数据的时间间隔，作为动态数据更新的依据，目前预设的更新时间为10 min/次。网页中所呈现的实时数据，除了室内温度为设备中3个温度传感器的平均值外，其余数据都是依照原始数据库内的数据显示。

客户端软件给用户提供了很多舒适的人性化操作界面。用户在程序主屏幕上通过鼠标单击相应的控制设备图标即可进入该设备的程序设置屏幕，也可以通过点击控制菜单栏内的菜单选项（如“主菜单”）从出现的下拉式菜单中选择进入气候控制设备程序屏幕，如图4所示，当点击“风机”设备图标时即可进入该风机的程序设置屏幕。

2.2.3.2远程控制远程控制采用2种控制方法，其一为远程桌面连接，其二为通过Web或手机客户端远程控制。远程计算机可以利用远程桌面的方法与固定IP的服务器设备进行信息交换，首先输入主控计算机管理者所授权的用户账号及密码，完成认证手续后，方能登入主控计算机端，进行对温室的控制以及更改设定（图5）。针对Web的内容，使用者的权限层级分配分为3级模式。依据温室控制器所接收到的传感器数据，当转换成数据库的资料时，按照其字段传递给动态网页相对应的目标位置，由于在温室控制器所传送的资料数据中，已经先为其他传感器作字段的预留，因此在数据库编排中，必须将该字段计算其中，否则当动态网页撷取数据库的数据时，会依据相对应的字段读取，造成数据错误的情形。在数据的动态显示上采用每30 s刷新1次界面的方案，以保障数据的动态更新（图6、图7）。

3结论

本研究以开放型育苗温室为试验对象，利用温室控制器Eldar Shany Agricultural control-Galileo 32与温室内部环控设备的结合，通过控制器的输出指令，在控制管理上均达到预期的目标。

在温室系统远程控制部分，利用动态网页及数据库的建立，可以顺利地将温室控制器所接收到的数据转换为数据库的格式储存，并且当远程设备通过网络连接主控计算机的伺服网页时，提供最新的温室环境现况；另可依照使用者的分级，而给予不同的浏览及控制权限。然而，即使利用限制使用者身份的方式加以控制权限，仍不免因为用户密码被盗用的可能性，因此在主控计算机端，仍拥有最高管理控制权限，并

可以随时中断远程计算机的控制；且在绝大部分的时间，远程计算机改变主控计算机端的温室控制设定功能并不开放，只有在主控计算机端将此权限开放时，远程计算机才能在默认的用户登录时，改变主控计算机的控制策略或是修改控制器程序。本研究所建立的远程监控部分，虽已可通过网络执行，但网络安全性仍不甚完整，未来将加强网络加密以及对主控优先权排定功能方面进行改善，以建构更完整、更安全的温室移动环控系统。通过JSP动态网页结合温室环控系统的建立，将来可将管理的范围扩大至更广泛的环境集群中，便于专家随时针对各个农场的异常情形实时解决问题，减低农民的损失。

参考文献：

[1]徐立鸿，苏远平，梁毓明. 面向控制的温室系统小气候环境模型要求与现状[J]. 农业工程学报，2013，22（19）：1-15.

[2]阴国富，朱创录. 基于物联网的精密温室环境管控系统研究[J]. 江苏农业科学，2015，43（10）：491-494.

[3]吕学品，张志霞，许童羽. 基于积温和作物生长模型的温室分段控制策略研究[J]. 中国农机化学报，2016，37（3）：281-284.

[4]Pasgianos G D，Arvanitis K G，Polycarpou P，et al. A nonlinear feedback technique for greenhouse environmental control[J]. Computers and Electronics in Agriculture，2003，40（1/2/3）：153-177.