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基于组态软件的设施园艺生长环境监控系统设计

现代测试技术大作业

题　　目：

基于组态软件的园艺生长环境现代监测系统

学　　院：

　　　机电工程学院　　　　　　　　

专　　业：

　　　测控技术与仪器　　　　　　　

班　　级：

　　　测控112　　　　　　　　　　

学　　号：

　　　*********　　　　　　　　

姓　　名：

　　　***　　　　　　　　　　

指导教师：

　　　顾晓军　　　　　　　　　　

基于组态软件的园艺生长环境现代监测系统

摘要

大型现代化园艺的增长速度很快，并正在成为中国设施农业中最热点的产业之一，同时，与之相关的园艺的环境，园艺的监控也得到了最大的发展。

随着科学技术的迅速发展和农村市场经济的不断完善，农村劳动力的转移和产业结构调整，迫切需要由传统农业向现代化的信息农业转换。

从技术上来看，近几年来，为了“数字农业”信息快速采集技术发展迅速，充分的了解土壤水分、环境的温湿度与光照等情况，实现适时、适地、适量灌溉，施肥和远程监控管理。

因此,为了充分地了解土壤水分，环境的温湿度与光照等情况，实现适时、适地、适量施肥和远程监控管理，且具有自动管理随着温度的变化的大棚卷帘的开闭。

本文设计了基于组态软件的设施园艺生长环境监测系统软件。

该软件通过传感器采集园艺生长环境信息（温湿度、光照等），并在无线传感网络支持下，使用组态软件信息管理（传感器信息编辑、历史曲线与记录、数据报表与统计等）且具有远程数据通信管理功能，与此同时建立决策支持系统，并根据土壤水分自动控灌溉阀门的开闭。

基于组态软件的监控系统设计已经基本完成，其界面和曲线图等都已制作完成，实现了在数字农业领域中园艺生长环境管理的可视化、便利化管理，有助于农业用户，节省劳动力。

关键词：

数字农业；设施园艺；无线传感器网络；组态软件；

目录

摘要II

1绪论1

1.1课题的来源与意义1

1.2研究现状1

1.2.1在设施园艺方面的应用1

1.2.2在农业环境监测方面的应用2

1.3课题研究的主要内容2

2系统总体设计2

2.1总体结构2

2.2系统功能设计3

3系统软件的设计3

3.1组态软件的界面设计3

3.2组态软件的程序设计7

4硬件系统设计9

4.1温湿度、光照等信息的识别与管理9

4.2远程通信10

4.2.1对于本论文GPRS应用的必要性11

4.2.2GPRS通信节点程序图设计11

总结11

参考文献12

1绪论

1.1课题的来源与意义

数字农业是信息技术发展的结果，代表了现代农业的发展新趋势。

嘉兴市属长江三角洲沿海经济发达地区之一，近几年来，农村经济发展迅速，正处在向农业现代化迈进的过程中，许多地方已经建立或正在进行高科技的农业现代化园区建设。

随着科学技术的迅速发展和农村市场经济的不断完善，农村劳动力的转移和产业结构调整，迫切需要由传统农业向现代化的信息农业转换。

许多地区已经开始注重数字农业思想和技术在农业中的应用。

而数字农业的关键就是农田数字信息的采集与管理，首先对土壤信息、环境信息、作物生长信息及其位置信息的快速采集，即快速采集土壤水分、养分、与温度等土壤属性，环境温湿度、光照等环境信息，农作物生长状况信息以及田间定位信息等。

其次，对所采集到的信息进行处理与整合，结合专家经验建立决策支持系统，或者通过长年的数据记录与相关分析，精确地掌握被测园艺的作物产量、品质和园艺土壤、环境信息间的确切关系[1-3]。

从技术上来看，近几年来，“数字农业”信息快速采集技术发展迅速，为了充分的了解土壤水分，环境的温湿度与光照情况，实现适时、适地、适量灌溉，施肥和远程监控管理，但价格昂贵，难以推广应用。

从应用上来看，浙江省地处东部发达地区，农业集约化程度高、规模大，建立了大量国家高新农业科技示范园、农业高新技术产业示范区等，例如，嘉兴市凤桥镇是嘉兴市南湖区最大的一个农业重镇，全镇耕地面积74930亩，粮食种植面积达5.7万亩、油菜1.3万亩、蔬菜瓜果5.1万亩，其中有1万亩无公害凤桥水蜜桃基地、1.1万亩无公害茭白基地、1.2万亩精品"特小凤"系列西瓜基地、3000亩葡萄基地、800亩花卉苗木基地、4000亩慈菇基地、1500亩大红袍荸荠基地、1000亩翠冠梨基地、1200亩甘蔗基地、4500亩高产优质桑园基地。

这些为面向数字农业的土壤与环境信息快速采集与处理系统的应用提供了方便与紧迫要求[4]。

1.2研究现状

目前，中国的设施园艺栽培面积已超过3.3万英亩的设施园艺，增长了近400倍与1980年相比，适合中国知识产权研究温室设计具有我国自主知识产权的这些需求上一些温室的研究与开发，应变能力强对本地气候，成本低，良好的市场前景。

在所有地区增长最快的现代温室设施栽培与正成为设施农业在中国，该行业的最佳热点之一，同时与温室作业相关的材料，并大大地发展了其它配套设施[5]。

1.2.1在设施园艺方面的应用

2002年，英特尔公司率先在俄勒冈州建立了第1个无线葡萄园，传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔1min检测一次土壤温度、湿度或该区域有害物的数量，以确保葡萄健康生长，进而获得大丰收。

王寅涛等[6]设计了一种基于TI的ZigbeeSoC的无线监测网络和GPRS远程数据传输与控制网络组成的温室远程测控系统．实现了智能温室大棚土壤环境的远程监测。

通过以CC2530为核心的传感器节点获取实时数据，采用ARM微处理器（$3C6410）的控制器，配置相应外围接口和显示器件，实现节点的数据汇总；并通过互联网，完成远程数据传输。

后台服务器作为远程数据中心，负责数据存储、检索、控制和查询等服务。

1.2.2在农业环境监测方面的应用

PerkinsM等[7]介绍了一种由Motomla实验室开发的低开销、低能、自组织的传感器网络neuRFon，该系统可以监测农业、环境和一些过程参数。

李正明等[8]引将无线传感器网络应用于水文水利监测系统中，构建了基于wSN的无线水文水利监测系统，在硬件设计中分别采用单片机和ARM微处理器与CC2500配合设计网络节点；在软件设计中，移植TinyOS操作系统和ZigBee协议栈，搭建软件开发平台。

何琼[9]设计了基于物联网的CO2排放监测系统,包括如下几个部分：

CO2传感器数据采集模块、基于物联网的传感器网络通讯方案、基于GPRS的远程数据传输方案、基于组态王（KingView）的人机界面系统，该系统可实现远程CO2排放的监测与管理。

实际测试表明该系统应用可靠、成本低、集成效率高。

1.3课题研究的主要内容

本课题主要研究内容是基于组态软件的设施园艺生长环境监测系统设计，主要可以分一下几个部分：

1.实现温湿度、光照等数字信息的识别与管理；

2.使用组态软件设计信息管理界面；

3.设计数据管理单元，包括传感器信息的编辑、历史曲线与记录数据报表与统计等；

4.具有远程数据通信管理功能；

5.建立决策支持系统，并根据土壤水分自动控制灌溉阀门的开关；

综上以上几点最终达到如下的目标：

传感器节点自动检测环境温、湿度与光照等信息，并将其信号传送给协调器节点；协调器节点可以将所获取的信号提供给上位机，操作员根据上位机所获取的信息，进一步准确的来了解设施园艺生长环境的详细信息。

在此基础上，进行系统集成、适用性论证与评价[10-12]。

2系统总体设计

2.1总体结构

本软件的设计按照预期目标的要求，共可分为以下几个部分：

1.实现温湿度、光照等数字信息的识别与管理；

2.使用组态软件设计信息管理界面；

3.设计数据管理单元，包括传感器信息的编辑、历史曲线与记录数据报表与统计等；

4.具有远程数据通信管理功能；

5.建立决策支持系统，并根据土壤水分信息自动控制灌溉阀门的开关；

2.2系统功能设计

系统开发的总体目标是实现园艺生长环境监控系统的精确化、系统化、科学化和自动化[13]。

本智能环境监控系统设计有如下几个功能：

Ø数据识别：

通过各无线传感器节点自动采集园艺环境中的环境温度、环境湿度、光照等气象信息数据。

Ø组态软件的设计与信息管理：

组态软件对于园艺环境因素进行界面的设计，传感器信息的编辑、历史曲线与记录数据报表与统计等的管理；

Ø远程数据通信的管理：

把各无线传感器节点监测到的数据经传感器网络、GPRS网络、Internet网络传输到终端管理服务器上，最后把管理平台的控制信息再发送回监控节点完成整个数据间的双向通信。

Ø自动控制：

由终端服务器上管理平台输出控制指令信号，由D/A转换电路转换成电信号，经过放大电路处理，决定电磁阀控制灌溉阀门的开启或关闭[14-16]。

3系统软件的设计

3.1组态软件的界面设计

这个界面就是组态主界面（也是这个软件重要的一部分）如图3-1：

这个图包括我们园艺环境的所需一些重要的信息，如风速、风向、光照度、雨量、空气的温湿度等，这个界面直观易懂，供专家对园艺的环境的进行实时了解，可以提高作物的产量和质量[17]。

图3-1气象信息采集主界面

接下来我们点击任何一个数据块，我先点击“土壤及灌溉”这个数据块，会跳到下面图3-2：

土壤信息与灌溉控制图：

图的里面显示了四个地点的土壤水分与土壤温度情况，并设定了土壤水分上下限，随时出现报警情况从而实现各个灌溉阀门的开关。

图3-2土壤信息与灌溉控制界面

我们在从上个图中，用手去点击“气象信息”回到了主界面，在主界面上，我们点击界面上“历史数据”然后就跳转到如图3-3这个界面，可以实时进行观察各历史数据以及选择观看各类历史曲线。

图3-3历史数据界面

例在这个界面点击一下“XXX历史曲线”，就会跳转到下一个图3-4。

例如这些个历史曲线能帮助专家进行数据的分析，有利于园艺的生长。

图3-4各类历史曲线

我们从主界面上点击一下“实时数据”那个按钮，就可以跳转到采集点实时数据窗口如（图3-5），可以立刻看到数据的值，里面有曲线和数值，这样看起来更容易观察数据，可以供专家分析数据，做出更多决策来使作物生长的更好。

图3-5实时数据界面

我们可以去“土壤信息与灌溉控制”界面点击警报按钮，就跳转到警报界面3-6上，可以知道土壤水分的报警值。

图3-6警报界面

3.2组态软件的程序设计

组态软件主要含有4个方面，包括主控窗口、设备窗口、用户窗口、实时数据库、运行策略。

图3-6用户窗口

图3-7实时数据库

图3-8运行策略

图4-21脚本程序---灌溉阀门的控制

图4-24脚本程序---风向

4硬件系统设计

4.1温湿度、光照等信息的识别与管理

BYT20YSCGJ光照度传感器是以（紫蓝色硅光电池）为光强传感器，采用先进的电路模块技术开发变送器，用于实现对环境光照度的测量，输出标准的电压及电流信号，体积小，安装方便，线性度好，传输距离长，抗干扰能力强。

可广泛用于环境、温室、养殖、建筑、楼宇等的光照度测量。

量程可调。

量程：

0-200Klux、0-20Klux、0-2000可选供电电压：

24VDC/12VDC输出信号：

0/4—20mA，0-5V/10V可选精度：

±2%。

DHT21数字温湿度式的传感器是一种含有已经校准了以数字信号形式输出的温湿度式复合的传感器。

它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保它具有极高的可靠性能和优越的稳定性。

此类传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，且与一个高性能8位单片机相连接。

因此该产品具有品质高、响应快、抗干扰强、性价比高等优点。

如图5-1所示，温湿度与光照传感器为了与数据采集模块相连，BYT20YSCGJ光照度传感器变送器需要通过模拟信号放大，采样保持，A/D转换，将数字信号输入到AT89S52，再通过D/A转换，输出标准的4～20mA电流信号；DHT21可以直接将数字输入到AT89S52，再通过D/A转换，输出标准的4～20mA电流信号[18]。

图5-1温湿度与光照一体式传感器结构图

4.2远程通信

远程通信，这个词语源于希腊语“远程”（遥远）和通信（共享），在现代术语中，远程通信是指，在连接的系统间，通过使用模拟或数字信号调制技术进行的声音、数据、传真、图像、音频、视频和其它信息的电子传输。

4.2.1对于本论文GPRS应用的必要性

通过GPRS使在远方的专家，随着科技的发展，提出了园艺生长环境的监测系统，它是利用无线网络技术、GPRS技术、Internet技术等，以及应用自动化控制进行精准园艺环境的信息采集，实时地监测作物的生长状况，以便使作物更好的生长。

系统以无线传感网络技术为核心，实时采集各种参数，如：

环境的温度、湿度、光照等，通过GPRS技术等与组态软件相结合的应用，解决现行的只是单纯依靠人的主观经验来进行观测，因人为的不精确的观测，带来了误差比较大，使园艺里的作物不能很好的发展的问题，优化了作物的生长环境，使传统的农业实现了数字农业，提高了资源的利用率。

其中，GPRS网络覆盖范围广，性能较为完善，它通信网本身具有较强的数据纠错能力，数据传输率较高，能够保证数据传输的可靠性和实时性。

同时，结合计算机网络等技术，专家也可以通过GPRS现场农户的PC相连，帮助农户进行分析与决策与监测分析。

4.2.2GPRS通信节点程序图设计

总结

本论文以组态软件、无线网络为基础，讨论与设计了分别应用智能管理、园艺生产环境（温湿度、光照等）监控，对于组态软件信息管理（传感器信息编辑、历史曲线与记录、数据报表与统计等）且具有远程数据通信管理功能，与此同时建立决策支持系统，并根据土壤水分信息自动控制灌溉阀门的开闭。

实现了在数字农业领域中园艺生长环境管理的可视化、便利化。

但是，本文的研究设计只是初步的理论研究，其功能要求、原理等都仍存在许多需要改进的地方。

另外，虽然组态软件对园艺的监控系统设计已经基本完成，其界面和曲线图等都已制作完成，初步设计已近完成，但仍然需要研究更多有关无线网络、组态软件的使用，如怎样做到精准的实时观测、低功耗等等，以便尽可能地降低成本。

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