山地农业大棚测控系统的联调试验

秦 中，刘彦宾，葛耿育

（遵义师范学院信息工程学院，贵州遵义563006）

在西南地区的山地发展高效生态农业种植存在诸多影响因素[1,2]。因地制宜地搭建农业大棚、合理利用山地的自然气候条件和水土资源、为耕种人员和农作物营造舒适的耕种环境从而避免季节性干旱造成的农作物减产是山地发展高效农业的有效途径之一。

作者采用农业大棚与现代信息测控技术相结合，对大棚内部环境进行实时监测和控制，构建了适合于山地特点的农业大棚网络观测与控制系统，准确、实时地提供可调控信息服务[3,4]，进一步改善了高效山地农业的耕种条件。

作者针对测控装备的应用技术系统集成问题，分析了在农业大棚种植环境设计、无线传感器组网调试、服务器联网传输数据中遇到的问题，设计了农业大棚数据采集、联网传输及控制方案，检验了有关测控环节的数据传输处理情况，并对设计的可行性进行了评估。

1 农业大棚的任务

西南某山谷内建有农业种植大棚近百间，此前已开展了多年的蔬菜种植工作，但尚未安装自动测控系统，管网供水及大棚窗户均由人工控制，面临操作调控效率方面的困难。通过实地调查发现，影响到棚内农作物种植的环境因素复杂多变，包括阳光、气温、雨水、土壤养分、杂草、微生物等，特别是人工水分供应与农作物的水分需求过程难免出现偏差，土壤水分制约农作物生长的现象比较突出[5,6]。有效调节水分的保障供应能力，尤其显得重要。

农业大棚技术的应用，实际上是为农作物建立更加适宜其生长的良好环境，避免自然环境条件变化的不利因素影响，进一步提高农作物的品质和产量。由于大棚系统的复杂性，为了降低人工操作复杂系统功能的难度，利用传感器及时获取重要的、直观的有效信息，有助于人工顺利办理棚内具体的劳动事务。

山地的高效农作物种植事务，是一项比较复杂的系统工程。虽然高效农业种植已在棚内环境数据采集及高速网络应用方面早已提出了技术需求，但是目前山地农业大棚种植的测控系统的配套建设力度，还处于相对滞后的阶段。难点并不只是棚内环境影响因素的数据采集与控制技术复杂，还包括人力劳动在内有关农作物生长过程的协调事务，诸如“播种育苗、翻地、移栽、清理杂草、供水、施肥、灭虫、收获、贮藏或销售”等一系列具体劳动。

2 系统功能定义

2.1 系统功能定义

由于农业大棚测控系统是包括“耕种人员、耕地面积、光照气温、种子育苗、肥料水分、除草灭虫、收获存储、质量检测、通告公告、事件预警”等一系列数据信息基础上的测控功能集成，本次测控系统试验设计的原始数据类型，主要来源于温湿度等传感器产生的数字信号，以及系统程序根据接收数据自动判断发出的控制器开关指令。

测控系统的服务功能定义：(1)服务对象是指具有一定农业种植经验及设备操作控制能力的工作人员（要求能操作测控设施，在系统可能出现意外情况下可及时启动应急预案）及棚内环境。(2)观测数据包括光照强度、温湿度，以及土壤水分含量。(3)人员进出应有感应记录。(4)充分重视控制器及电源的安全问题，即棚内部分的电源可使用低压电(12V及以下)或新能源[7]，以避免任何可能因操作失误导致人员伤亡。

2.2 数据服务定义

本次测控系统的数据流程设计是：（1）将前端传感器获得的数字信号为起始阶段。（2）原始数据经无线传送到采集站点。（3）通过网络转发到达服务器保存。（4）由服务器内决策程序自动判断产生控制器开关指令。（5）发送控制器开关指令到大棚附近的网络终端站点。（6）最后以无线传送方式传送指令给指定位置的控制器。至此，完成一次测控工作周期（30秒以内）。

原始数据需要经过两次处理之后，才会送达服务器贮存。其一是在数据采集站进行的初步处理，在此设立处理的优点是可避免无效数据进入网络，减少网络数据流量；其二是在服务器环节的高级处理（合理性校验）。

控制决策程序所需要调用的数据，一方面可从数据接收处理程序的变量中获得，另一方面也可按自有巡查周期，从存贮的数据文件（库）内读取。前者的程序调试难度较大，后者则可以独立方式运行。控制器的执行情况，需要向服务器反映消息，当然，这一点也可通过此后采集到的数据中观察到控制效果。

模型的可视化使得进度控制变得更加容易，对项目管理非常有利。在模型审查中，一些多专业交叉的问题会暴露出来，设计人员可以及时修改设计。仪表专业施工中发生概率较高的电缆槽板与管道碰撞等问题，通过三维建模和模型审查，完全可以在设计阶段发现和解决，从根本上杜绝了该类问题的发生。

3 功能模块设计

3.1模块功能划分

根据常规的数据观测系统设计方案[8,9]，可将农业大棚测控系统划分为以下六个模块：

（1）农业大棚环境的图形图像表达。建立大棚立体透视图，对传感器及控制器的位置给予编码和定位显示。

（2）种植人员的数据信息。将参与种植的劳动人员基本情况，预先装入服务器数据文件（数据库），用热释电人体传感器实时记录人员的进出情况。

（3）播种及育苗的数据报送。各季选种的农作物类型与大棚内划分的地块编号，采取人工方式向网络服务器填报。

（4）气温与通风调节。为了适应夏季气温高和冬季低温凝冻的棚外气候条件，可根据棚内温湿度自动调节窗户启闭幅度，以调整通风条件发挥一定的调温效果。

（5）水分(肥料)的调配供应。根据土壤水分传感器数据及管网控制器确定供水时间长短，这主要是依据农作物生长期的需水过程线[5]，肥料适时溶入水内随管网配送。

3.2 程序代码设计

编程语言的选择。前端传感器与单片机的连接选用C语言在大棚内建立无线传感器网络协议，自动采集光照强度、气温、土壤水含量、人体感应等参数，然后数据经过中转端 PC机连接互联网（或GPRS），将其传送到网络服务器[10]。

对比预存可供判断处理的农作物生长环境条件要求及可供调控比较的对应参数阈值，在代码编程实现时，按三级控制权限（服务中心、控制站，传感器与控制器的内联），向控制终端发出调控指令。

服务器端的程序软件，宜选用具有图形图像、数据库处理功能的VisualC++编程环境编写程序。在服务器端的程序设计时，是通过指定端口接收并存储来自大棚内的传感器数据，另设有提供用户查询的数据服务通道。

用户端的程序设计主要是接通服务器，调用数据查询功能，也可直接接收服务器实时分发的大棚采集数据或控制指令。此外，管理员也可以通过服务器向大棚发送人工控制指令，操作棚内可控设备开关。

采集器的程序设计是使用无线单片机(CC2530)分别连接传感器，组成星型网点轮询式数据采集模型，并在2.4GHz频段上传到协调器。控制器亦为CC2530开发板，只是内控程序不同，是由PC机经过串口发送指令给该控制器，实现对可控设施的操作。

4 统集成分析

本次农业大棚测控系统的设计及实地集成试验，经历了反复测试其功能并不断完善的过程。大体上是将大棚农作物测控系统工程划分为七个环节：(1)功能列举定义。(2)模块结构设计。(3)单项程控测试。(4)功能器件连接。(5)程序集成测试。(6)系统运行服务（模拟）。(7)系统功能升级等技术处理阶段。前五项属于系统的研发测试准备，真正发挥实际效用的是“系统运行服务”阶段。若运行期间出现系统功能方面的问题，则可通过“系统升级”加以改进。

测试时主要采用周期轮询式的数据采集方法，这对于控制时效性要求不高的大棚（数十秒内轮询一次）还是比较实用的。最初在测试时，是将数据采集汇总与控制指令下发共用同一频率通道，后来经过调整，重新优化了PC机数据中转环节，即通过串口连接两个协调器，分别执行采集和控制功能，思路效果更清晰一些，可减少程序优化集成调试的难度。

系统在运行提供服务的过程中，为了确保各类数据报送、发布及时准确，增强农业大棚测控系统的正常服务功能，还需要有关农业种植专业技术人员、种植农户的参与合作。

5 结论与展望

本次在西南山区某地点进行的农业大棚环境测控系统设计及应用的联网调试情况表明，在编程设计调用硬件测控功能方面，至少需要四个环节的程序需要调试，才能实现系统功能集成：（1）单片机接收传感器数据后，通过串口转发给互联网采集站（PC机或 GPRS 模块）。（2）服务器接收(或分发)数据，同时处理数据存储方式。（3）网络客户端(或控制端)的程序调试。（4）控制设备终端的调控程序。

此四个及以上环节的程序，由于是在不同地方的设备运行，需要有相应的通信协议实现数据传送。值得一提的是，为数据采集与控制指令分别建立各自的传输通道，在编程调试时通信协议的逻辑关系会更清晰一些，可降低程序编码及后期系统集成的难度。

西南山区发展高效农业的重要基础之一是实用型农业大棚测控系统的开发设计及应用，这可是一项比较复杂的软硬件集成技术。系统开发与测试需要参与人员紧密合作，分别针对有关技术环节展开多级测试；若有分工合理的专业开发队伍，建成比较理想的测控系统是有可能的。

[1]李敏,杨文举.西部地区农村人力资源开发与农业可持续发展探析[J].遵义师范学院学报,2002,4(2):16-18.

[2]张勇.建国初期农业合作化运动的反思与启示[J].遵义师范学院学报,2015,17(1):25-29.

[3]卢晓鹏,刘杨梅,马显莹.基于涡动观测系统的云南高原农作物观测分析研究[J].水资源开发与管理,2016,(3):68-71.

[4]罗希昌,周杰,杜景林.基于无线传感器网络的应急气象观测系统设计[J].传感器与微系统,2013,32(11):108-111.

[5]高晓丽,徐俊增,杨士红,等.贵州地区主要作物需水规律与作物系数的研究[J].中国农村水利水电,2015,(1):11-14．

[6]许晴.大力推进节水灌溉产品创新和深度研发[J].中国农村科技,2014,(11):25-26．

[7]阎昌国,刘小雍,李生红,等.光伏发电系统并网控制策略研究[J].遵义师范学院学报,2017,19(2):97-99.

[8]张雪芬,王秀芳,李翠娜,等.农作物主要生长参数自动观测技术综述[J].气象科技,2013,41(6):1122-1127.

[9]彭炜峰.智能山地分区精准滴灌及数据处理系统的研究[J].农机化研究,2017,(9):112-117.

[10]颜建辉,陈崇成,魏一丁,等.基于ZigBee无线传感器网络的林区局地环境监测系统[J].中国农业科技导报,2017,19(6):72-82.