基于物联网的温室大棚卷帘自动控制系统

刘思晴，解迎刚，沈 彤，刘永强

（北京信息科技大学 信息与通信工程学院，北京 100101）

0 引 言

在我国北方地区，早春、早秋、冬季温室大棚内气温比较低，不适宜农作物的生长。大棚卷帘相当于一层保温层，在极端天气下起到重要作用，不仅能够抵御恶劣天气，而且能够起到保温作用，使得作物不受外界严酷环境尤其是温度的骤然变化影响。而收放卷帘工作是一项重复、费时的工作，使用温室卷帘机能大幅减少卷放帘时间。目前大棚卷帘多为人工手动控制卷帘机，而一台卷帘机平均卷放帘子时间为5～6 min，如果使用手动控制方式，每棚用时5～6 min，再加上步行时间约4～5 min，总共用时约为10 min。现以有50个温室的园区为例，采用手动方式时卷帘工作共需500 min，如果使用5名员工人工操作需要100 min，容易延误温室农作物的采光时间，而且如此重复、不便的操作实在过于低效，手动卷帘不适合规模化和集约化生产。

为解决以上问题，本文设计一款基于物联网的无人值守卷帘机智能控制系统，通过程序自动定时或者远程调用控制伺服电机转动，伺服电机带动卷帘，实现卷帘收放；此外，还可以在农业大棚中加入传感器，并在卷帘上布置感应节点/模块，当卷帘收起/放下到一定位置时，系统命令伺服电机停止转动，以防止旋转过度。同时，可在卷帘工作完成后，利用已安装在现场的摄像头拍摄状态图片，实时发送到农户手机上。无人值守的智能化卷帘机控制系统避免了升降大棚卷帘机的时间对大棚生产的限制，解放了劳动力，解决了设施农业生产者的后顾之忧。既节约了成本，又避免整套更换智能大棚会进一步加大农作物损害的风险。

本文还设计了手机APP或PC端控制系统，当网络畅通且网关和手机端设备均连接上同一网络时，实时监测土壤水分、土壤湿度、空气湿度、空气温度、光照强度等数据；并通过人工智能系统对采集的数据进行分析处理，模拟出最适合温室内农作物生长的环境，进而随时操控卷帘机收放卷帘，保证温室大棚内环境最适宜作物生长，为作物高产、优质、高效、生态、安全创造条件。

1 系统设计

目前市场上所使用的卷帘机大部分均为步进电机，因此本设计也使用24 V步进直流电机。单独使用直流电机显然不能够直接实现电机正、反转，因此必须使用两路继电器进行控制。当从继电器输入正向电流时，电动机能够正向转动；当输入反向电流时，电动机反转。本设计采用Cat1云可编程式网关作为核心部件，将电脑与可编程式网关进行连接，在开发模式下将编写好的核心程序烧写入网关。确认代码无误后，使用网关的开发平台进行测试，测试代码是否能够正常运行，随后下载至网关内，接通电源后自动运行下载好的程序，根据程序功能即可实现自动运行/自动控制。

要实现自动控制，传感器是必不可少的。本设计使用温湿度传感器、光照强度传感器和土壤PH酸碱度传感器对棚内数据进行综合采集。同样通过编写核心程序内的代码实现与各个传感器之间的通信/信息传递，从传感器获取数据后，网关通过编写的代码，将相关数值与设置好的阈值进行比较，并判断是否放下/升起大棚卷帘。例如，当棚内温度过低时，传感器向网关传输数据，系统通过程序判断此时大棚正在经历恶劣天气，急需保温，因此通过网关下达指令，令卷帘机放下卷帘，保护大棚内作物的安全和合适的温湿度。除此之外，通过代码编程，也可实现调动其内置的通信模块功能，将采集到的温湿度等数据自动上传至阿里云平台，实现数据可视化。温室大棚物联网系统如图1所示。

图1 温室大棚物联网系统

从整体来看，上述系统实际上就是系统的自动控制支线，系统通过数据、指令自行对卷帘机进行控制，其流程如图2所示。

图2 自动控制循环流程

然而，一套完全闭环的自动控制系统显然存在诸多问题，例如对突发事件的处理等；除此之外，若要实现无人值守系统，整套系统应具备可以通过外部介入（人工控制）控制卷帘机的功能，以此应对极其突发的事件；如果要拥有常用的每日定时功能，就需要一套能够实现中断、打断、优先度更高一级的手机APP小程序。显然通过手机进行远程控制一定是优先度最高的，其不能与自动控制的系统冲突。手机APP操作支线路流程如图3所示。

图3 手动控制循环流程

2 系统硬件实现

在硬件选型与设计方面，主要的困难点为如何打通从网关到卷帘机、从网关到APP这两条线路。实际上后者能够通过后文所介绍的软件编程进行解决，设备使用的可编程网关自带SIM卡，编程后可以直接向云端上传数据。

系统的物理硬件结构如图4所示，主要的硬件系统选型如下：

图4 物理硬件结构

（1）可编程网关选型

作为本设计的核心部件，对于可编程器的选择至关重要。如果选择C51单片机进行设计和实现，虽然端口也为普通的通信串行口，但设计过于简陋，存在平台对接、兼容性以及成本等问题，且C51单片机开发板不具备单独的通信模块，不能够直接将获取到的数据上传至云服务器/云平台。因此本设计采用可编程网关TiGW200（Cat1）作为核心部件，提供整条自动控制支线路的编程控制。

使用网关模块虽然能够实现上传云平台的通信功能，但是其内部的算法至关重要。除了后文要提到的烧写入网关的核心算法和代码之外，还必须具有能够发出指令控制卷帘机收放卷帘的接口。本设计采用的网关拥有两路RS 485通信口以及电源供电，通过插入手机SIM卡来确保通信的可靠性。

（2）信号转换控制器选型

如上文所述，设计使用可编程网关作为核心部件，但由于网关只提供RS 485通信串行口，其5 V的弱电显然不可能控制强电的24 V电机，因此在两路继电器/中继器之间显然还缺少一种模块，它需要实现左侧RS 485通信口输入，将数字量转化为模拟量后，从右侧开关输出侧输入能够给予控制继电器的模拟量。

RS 485转两路开关模拟量控制器实现了数字量与模拟量的对接，即网关通过RS 485发出指令信号后，通过转换器即可转换为能够驱动电机的模拟量信号。

（3）两路控制继电器选型

若想实现从网关控制卷帘机这一条线路，那么在控制器转换为开关量后必然需要一个模块能够通过正向、反向电流来驱动卷帘机转动，这便是开关控制模块。在这里值得一提的是，若选用普通的4～8脚继电器，则只能实现单向的通电/断电，无法实现正向电流与反向电流的供给，因此这里选用两路电路控制器。

3 系统具体实现

本系统的功能如下：

（1）在电动卷帘机的基础上，推出无人值守的智能化卷帘机控制系统，利用物联网网关控制农用大棚卷帘机的升降，基于物联网感知并实时反馈卷帘机卷帘位置，每天定时或根据天气状态启动卷帘，当卷帘机放下或收起达到限定或指定位置后即自行停止；并可在卷帘工作完成后，利用已安装在现场的摄像头拍摄状态图片，实时发送到农户手机上，大大解放了劳动力，避免了升降大棚卷帘机时间对群众大棚生产的限制。温室大棚卷帘机实物如图5所示。

图5 温室大棚卷帘机实物图

（2）基于物联网环境监控，以农业物联网技术为支撑，通过在温室安装各类传感器，实时监测土壤水分、土壤湿度、空气湿度、空气温度、光照强度等数据；并通过人工智能系统对采集的数据进行分析处理，模拟出最适合温室内农作物生长的环境，进而对供水系统、卷帘装备等进行远程自动化控制，从而改善温室内部农作物生长环境，达到调节生长周期、改善产品质量、降低生产成本、提高经济效益等目的。

（3）农户手机APP监控软件可以通过APP软件精确了解温室内以及农田的环境状况，并可对温室的卷帘、水泵等装置进行控制，以达到植物的最佳生长环境或人为设定环境。手机APP实时数据监测界面如图6所示。

图6 手机APP实时数据监测界面

4 结 语

系统以编程网关TiGW200（Cat1）作为核心部件，手机端通过4G网卡连接网关，网关另一侧连接传感器、电机等设备，进而通过手机APP控制大棚卷帘和监测大棚内部的环境，不仅能够实现早晚定时收放卷帘，遇突发情况手机APP能够直接控制卷帘收放，还能实时监测农作物的生长环境并把数据反馈到手机APP，通过与数据对比进而控制水泵、卷帘等装置，创造并维持最佳的植物生长环境。与手动控制的传统大棚卷帘相比，此设计节约了大量的人力，实现了高效种植；通过提升农业生产智能化水平来降低设施农业生产者的劳动强度和提高时间自由度。实现信息的高效共享，对于农业发展、农民富裕、农村繁荣具有十分重要的意义。