摘要：給出了一種基于嵌入式系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡的智能大棚控制系統(tǒng)的設計方法，該方法通過傳感器對系統(tǒng)內(nèi)的各種環(huán)境參數(shù)進行采集，并由無線通信網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳回控制終端?？刂平K端由Qt編寫，能完成圖形界面繪制、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫管理和PID控制計算，以及整個智能大棚系統(tǒng)的運行。運行結果表明，該系統(tǒng)人機界面良好、操作簡便、自動化程度高，具有良好的應用前景和推廣價值。
關鍵詞：智能大棚；無線傳感器網(wǎng)絡；無線數(shù)據(jù)采集；ARM

0 引言
    智能大棚是基于嵌入式系統(tǒng)和無線傳感器網(wǎng)絡的自動控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)由無線監(jiān)控節(jié)點、傳感器、變頻器和全GUI的人機控制終端等組成。各種傳感器、語音呼叫和控制狀態(tài)數(shù)據(jù)由安置在各個大棚里的監(jiān)控節(jié)點來采集，再通過無線局域網(wǎng)傳輸?shù)娇刂浦行?，計算機根據(jù)預先設定的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)比較結合PID算法來精確控制各個控制終端。用戶可以隨時調(diào)整這些自動控制，以便讓大棚始終處于一個最佳生長環(huán)境。

1 系統(tǒng)設計方案
    系統(tǒng)設計主要分為兩個部分，即終端虛擬控制平臺系統(tǒng)和大棚基站系統(tǒng)的設計，與傳統(tǒng)的儀器相比，基于計算機的虛擬儀器的優(yōu)勢就是它可以方便地進行組網(wǎng)通信，實現(xiàn)連棟大棚的規(guī)?；芾?，提高系統(tǒng)的靈活性。首先，系統(tǒng)通過大棚基站內(nèi)的無線傳感器節(jié)點對棚內(nèi)的各個環(huán)境參數(shù)進行采集(如溫度、濕度、光強、CO2濃度等)，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，再發(fā)送給終端虛擬控制中心，終端再通過數(shù)據(jù)比較和自適應PID控制算法發(fā)出控制指令，大棚基站接到控制指令后，對棚內(nèi)的外圍電氣設備進行相應的控制，從而改變棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)。如果在設定的時間內(nèi)沒有接到終端的控制指令，大棚基站則會通過與內(nèi)部設定的環(huán)境參數(shù)的比較，對相應的電氣設備進行控制操作，這種方法的好處是可以避免在終端維修或網(wǎng)絡繁忙時出現(xiàn)數(shù)據(jù)遺失所造成的大棚基站失控。此外，終端和基站、基站和基站之間還可以進行語音呼叫，使終端用戶可以隨時和各棚內(nèi)的工作人員進行聯(lián)系，了解大棚基站的運作狀況。其系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計
    系統(tǒng)監(jiān)控主要由大棚基站和PC終端機兩部分組成，PC機終端是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理和控制決策中心，根據(jù)棚內(nèi)的具體參數(shù)，由終端系統(tǒng)專家發(fā)出最合理的參數(shù)設置和控制指令。大棚基站通過無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集，并與PC機終端所設定的參數(shù)進行比較，從而對外圍電氣設備進行控制，以改變棚內(nèi)的環(huán)境，使棚內(nèi)達到一個最佳的生長環(huán)境，并把棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)、電氣設備的狀態(tài)反饋給PC機終端。
2．1 基站控制系統(tǒng)
    大棚基站控制系統(tǒng)以32位嵌入式微處理器為核心，由無線數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、外圍控制電路子系統(tǒng)、語音子系統(tǒng)等組成，無線數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)由多個無線傳感器網(wǎng)終節(jié)點構成，可實時多點地準確采集大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，并傳給對應的基站。當終端控制臺把基站設定為自動控制方式時，基站便可對接收到的數(shù)據(jù)進行處理，并與系統(tǒng)設定的參數(shù)進行比較，然后發(fā)出控制指令來對外圍控制電路子系統(tǒng)進行控制(包括換氣扇、灌溉網(wǎng)絡、采光子系統(tǒng)等)。當終端控制臺設定基站為手動控制時，終端可以通過對基站地址的設定選擇指定的基站進行手動控制操作，其原理框圖如圖2所示。

2．2 無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計
    網(wǎng)絡節(jié)點采用32位EasyARM1138為主控制器，無線數(shù)據(jù)傳輸采用nRF24L01無線傳輸模塊，nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2．4～2．5 GHz ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強型ShockBurst技術，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。圖3所示是其電路原理圖。

2．3 外圍控制電路的設計
    外圍控制電路子系統(tǒng)同樣采用EasyARM1138為主控制芯片，輔以nRF24L01無線通信模塊。該子系統(tǒng)通過EasyARMll38的I／O口控制DAC08 32來產(chǎn)生正弦波，然后驅(qū)動變頻器以改變外圍各電氣設備的工作狀態(tài)，從而避免能源的浪費。無線通信模塊可實現(xiàn)終端與基站、基站與基站、基站與各無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點之間的組網(wǎng)通信功能。

3 系統(tǒng)軟件設計
    本智能大棚的終端虛擬化控制平臺由Nokia公司Qt開發(fā)環(huán)境編寫而成。Qt是一個多平臺的C++圖形用戶界面應用程序框架。它能提供給應用程序開發(fā)者建立藝術級圖形用戶界面所需的所有功能，可用于高性能的跨平臺軟件開發(fā)。整個智能大棚的控制中心軟件由6大部分組成，分別是控制內(nèi)核模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、PID控制計算模塊、串口通信模塊、圖形繪制模塊、文件記錄管理模塊。其控制中心軟件框架結構如圖4所示。

3．1 數(shù)據(jù)庫的設計
    本程序中的數(shù)據(jù)庫部分負責建立專家系統(tǒng)，用于存放各種植物參數(shù)和檢索?？紤]到軟件開發(fā)的成本問題，本系統(tǒng)采用了MySQL。MySQL是一個快速客戶機／服務器結構的SQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，由一個服務器守護程序mysqld以及許多不同的客戶程序和庫函數(shù)組成，該系統(tǒng)雖然不是開源的，但可以免費使用。其優(yōu)點是功能強大，靈活性好，應用編程接口豐富，結構精巧。
    考慮到植物所包含的信息很多，所以，在設計時可采用多表結構。分別是植物名稱、適宜生長溫度、適宜生長濕度及生長時間段。通過利用MySQL編程語言可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的訪問。
    Qt的QtSql模塊通過數(shù)據(jù)庫驅(qū)動可與不同的數(shù)據(jù)庫進行通信。創(chuàng)建一個數(shù)據(jù)庫連接需要做如下三個步驟：激活驅(qū)動程序、配置好連接信息和打開連接。整個創(chuàng)建過程可以放在內(nèi)核模塊的構造函數(shù)里。其程序如下：
  
   
    在內(nèi)核模塊中，通過QtSql提供的相應API可完成數(shù)據(jù)庫的讀寫操作。
3．2 PID控制計算
    預設定參數(shù)可由程序預先設定好，用戶可在主控制界面的“大棚設置”中進行參數(shù)修改?，F(xiàn)場信號由各個對應的傳感器采集，然后經(jīng)過量化、編碼后傳給計算機。利用計算機上的PID控制計算模塊進行計算，再將結果通過無線網(wǎng)絡傳給各個大棚的控制節(jié)點，這些節(jié)點再將信號進行解碼分析，即可得出變頻器控制信號。這樣，變頻器通過改變各個泵機、風扇或電磁閥工作，就可以調(diào)整各個參數(shù)。從而實現(xiàn)一個完整的PID控制。
    系統(tǒng)中的偏差e是給定值SP(預設定參數(shù))和過程變量PV(實際值，通過傳感器采集)的差。通過PID控制可描述輸出M(t)作為比例項、積分項和微分項的運算關系：
   
    式中：M(t)是PID的輸出，是關于時間的函數(shù)；Kc是PID的回路增益；e是PID回路偏差，即專家數(shù)據(jù)與傳感器采集數(shù)據(jù)的差；Minitial是PID回路初始值。
    為了能夠在計算機中實現(xiàn)PID控制功能，必須對連續(xù)的PID控制方程進行離散化操作。即對誤差進行周期采樣，然后經(jīng)計算輸出。通過對連續(xù)PID方程的進一步組合、簡化，可得：
   
    式中，Mn是第n采樣時刻的計算值；Kc是增益；SPn是采樣時刻n的給定值；PVn是采樣時刻n的過程變量；Ts是采樣周期；T1是積分時間常數(shù)；MX是采樣時刻n-1的積分項(積分項前值)；TD微分時間常數(shù)；PVn-1是采樣時刻n-1的過程變量。下面是PID計算的核心部分程序：
   
   
4 結語
    本文設計的采用虛擬控制技術和無線傳感器網(wǎng)絡技術開發(fā)的經(jīng)濟型大棚智能測控系統(tǒng)，是一種集監(jiān)、控、管于一體的大棚溫室智能化監(jiān)控設施，其特點是可同時實現(xiàn)幾個、幾十個大棚相關參數(shù)的監(jiān)測控制，并就地顯示及無線組網(wǎng)方式傳輸，實現(xiàn)對水泵、通風扇、燈光等裝置的集中智能控制，以及對溫室環(huán)境的智能調(diào)節(jié)和預報警，從而實現(xiàn)對作物生長環(huán)境的智能化控制和溫室作物的科學管理，實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，以達到作物穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)、高效的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)要求。若在系統(tǒng)中增加對太陽能的利用，則可進一步降低對煤、電、油的需求，節(jié)省農(nóng)業(yè)投資成本。