齐 铁，王志国

（绥化学院 信息工程学院，黑龙江 绥化 152061）

1 引言

目前，我国温室分布地域广，连栋温室多，形成了温室群.但是，在温室自动控制系统中，大多采用系统内置温、湿度等各种传感器，配置相应的控制设备和摄像头，工作人员在办公室内实时监控温室内作物的生长状况，同时，通过有线网络的测控系统，实现对温室环境测量和控制的远程监控，从而实现农业专家对温室环境参数的指导.这种有线网络，布线比较复杂，安装成本较高，移动困难，并且维护工作量大.特别是，由于温室内有一定的酸度、湿度和强光照射，极易造成线路的老化和腐蚀，降低了系统的抗干扰性和可靠性.这样，利用无线通信技术来对温室进行实时远程监控是智能温室控制系统发展的必然趋势[1].

该控制系统在管理方面，采用客户机/服务器的模式分两级进行，可根据具体温室群的数量现场调整系统的控制规模，扩展方便.在远程控制方面，采用无线通信的方式，实现对温室现场数据的采集和执行命令的发送，解决了有线网络在温室内布局困难等难题，避免了由于线路老化而引起的通信故障.因此，该系统通用性强，可靠性高，可以为温室作物提供适宜的生长环境[2].

2 系统总体设计

2.1 系统的总体结构

图2－1 系统总体结构图

智能温室远程控制系统采用无线通信技术，利用嵌入式服务器来实现远程控制，各温室现场分控制系统构成总控制系统的客户机，由客户机实现对各温室环境数据的采集和执行设备的智能自动控制控制，同时将采集到的环境数据发送给服务器[3].系统总体结构如图2－1所示.

(1)主控制模块

本系统由若干主控模块组成，主控模块利用无线网络将接收的温室环境数据发送给服务器，同时对数据进行分析处理后向其对应的执行控制模块发送执行控制指令.主控制模块可以有选择的调整各温室现场控制器和对应功能模块的控制数量和类型，满足各地区不同用户的需求，从而提升了系统的可扩展性和实用性[4].

(2)数据采集模块和执行控制模块

每个主控模块由若干数据采集和执行控制两模块组成，各数据采集模块将采集的温室中的温度、湿度、二氧化碳浓度和光照强度经过分析处理后，利用无线网络发送到主控制模块.执行控制模块利用主控制高、低电平变化，通过相应的接触器和继电器组成的电机伺服电路，从而实现执行设备的启动、停止和换向工作.

(3)C/S模式结构

本系统采用C/S模式，客户机为各温室分现场控制系统，服务器采用嵌入式web服务器.在嵌入式服务器上，能够生成动态页面，用户只需通过浏览器既可对设备进行监控和管理.

(4)无线通信模块

本系统采用无线通信技术实现温室环境数据的传输和执行设备控制指令的发送.利用点对多点的星型网络结构，将数据采集和执行控制模块与主控制模块相连接，控制方便；主控制模块可以与数据采集和执行控制模块隔离检测，便于故障诊断，而且某个模块故障不会影响其它模块工作[5].

（5）远程监控系统

远程监控系统采用浏览器/服务器模式的方式，工作人员在远端通过互联网登录远程监控网页，就可以完成对温室环境进行远程监控、设定控制参数极限值和远程控制执行设备等工作；同时根据温室环境情况对温室执行设备进行远程手动控制.

（6）多种控制方式相结合

本系统控制综合运用了智能控制、现场人工控制和远程控制三种控制方式.智能控制与人工控制相结合，从而保证了控制的可靠性.

2.2 系统硬件设计

系统硬件设计包括：嵌入式服务器核心系统、扩展I/O接口和10M和100M 网络接口的设计.服务器核心系统通过10M和100M网口接入网络；服务器核心系统通过I/O扩展接口与无线通信模块进行通信，从而实现温室内环境数据的无线接收及对控制指令的无线发送.服务器系统结构如图2－2所示.

图2－2 服务器系统结构图

2.3 无线通信模块的硬件设计

本系统无线通信模块采用二级点对多点的星型结构，将嵌入式服务器作为星型网络的一级汇交节点，温室内的现场控制系统的主控模块作为星型网络的二级汇交节点，将数据采集模块及执行控制模块作为星型网络的子节点，构成点对多点多任务的星型无线网络系统[6]，星型无线网络系统结构如图2－3所示.

图2－3 星型无线网络结构图

2.4 无线通信软件设计

2.4.1 无线网络通信协议

该协议规定了汇交节点和子节点间的无线通信标准，主要实现控制子节点、系统的注册管理、数据采集和控制执行设备等功能.子节点运行后，以MAC地址向汇交的节点注册后被分配到ID号，从而获得实时的子网编号；汇交节点根据温室内的环境测试需求，分配给相应的传感器数据采集任务；汇交节点利用数据包的形式去通知子节点；汇交节点再分析采集到的数据进行调控决策，最后将控制指令发送给执行控制节点[7].

无线网络协议中，每个数据帧包含32b，各字段定义及意义如下：

0：传输方向，用来确定数据的收发方向；

1：子网代码，用来区分相同硬件的不同区域的星型网络；

2和3：子节点ID，表示正在运行该条命令中对应的子节点的地址；

4：命令类型，表示数据包中所包含的命令类型；

5至31：命令参数，表示数据包中所包含的命令内容.

2.4.2 无线网络通信程序设计

本系统为了避免各个子节点引起的干扰问题，采用分时 TDMA（Times Division Multiple Access）技术，将系统的汇交节点与任意一个子节点之间的通信采用分时方式分开.汇交节点通过扫描的形式与各子节点进行通信，这样点对多点的通信就变为若干个点对点通信的组合，其主控程序流程如图2－4所示.

图2－4 无线网络通信主控程序流程图

3 结语

本文在无线通信技术和嵌入式技术的基础上，研究了智能温室无线远程自动控制系统，设计了星型无线网络通信程序.通过反复实践，该系统的无线数据采集和执行控制具有很好的准确性和实时性，可以实现温室的远程监控功能，执行设备智能控制的可靠性比较高，适应了现代化温室的发展要求.

〔1〕梁竹君.环境监控技术在设施农业中的应用[J].安徽农业科学，2009，37（16）：7672-7673.

〔2〕陈晓，吴洪海.基于Web Service的温室远程监控系统设计[J].机电工程，2008，25（8）：8-10.

〔3〕于海业，马成林，王振华,等，远程控制技术在温室环境控制中的应用现状分析[J].农业机械学报，2003，3（6）：160-163.

〔4〕严海.VENLO型温室建模与智能控制研究[D].浙江工业大学，2009.

〔5〕吴海洪，基于W eb的温室远程智能监控系统研究[D].浙江工业大学，2007.

〔6〕张荣标，谷国栋，冯友兵等，基于IEEE802.15.4的温室无线监控系统的通信实现[J].农业机械学报，2008，39（8）：119-124.

〔7〕管耀武，杨宗德.ARM嵌入式无线通信系统开发实例精讲[M].北京：电子工业出版社，2006：132-182.

〔8〕于海波.基于无线网络的远程自动抄表系统的研究[D].中国海洋大学，2006.