CN103076783B - 一种温室群控系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温室群控系统，适用于温室群的集中控制，该系统包括上位机、中心基站、从控制终端、无线传感器采集装置、温室控制执行机构、气象站和远程服务器，所述的中心基站设在中心温室内，所述的从控制终端设置在卫星温室内，所述的中心基站连接气象站、从控制终端以及上位机，所述的无线传感器采集装置和温室控制执行机构设置在每个卫星温室和中心温室内，分别与所在温室内的中心基站或者从控制终端连接，所述的远程服务器连接上位机。与现有技术相比，本发明提供了一种控制精确、资源节约共享、布置方便、易于现场管理、数据传输快速准确、可视化的温室群控系统，大大提高了温室群控系统的监控效率以及自动化程度。

Description

一种温室群控系统

技术领域

本发明涉及现代农业工程领域，尤其是涉及一种温室群控系统。

背景技术

设施农业属于高投入高产出，资金、技术、劳动力密集型的产业。它是利用人工建造的设施，使传统农业逐步摆脱自然的束缚，走向现代工厂化农业、环境安全型农业生产、无毒农业的必由之路，同时也是农产品打破传统农业的季节性，实现农产品的反季节上市，进一步满足多元化、多层次消费需求的有效方法。

随着我国设施农业的不断发展，温室已经越来越多的被应用于农业生产中。并且，随着我国农业温室的建筑面积日益增大，集中建设的温室群也越来越多。为了节省控制系统的软硬件成本，针对温室实施群控制策略就显得尤为重要。虽然目前已经有了一些针对温室群的控制系统，但是主要存在以下几个缺点：各个温室的控制相互独立、造成了资源浪费；在各个温室内布置传感器时采用有线的方式，布线困难；各温室的控制器与PC机进行远距离的数据传输时，基本都是采用了串行通信的方式，传输距离以及传输速度受到很大限制等。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种控制成本低、控制策略优、布线方便、易于现场管理、数据传输距离远且快速准确的温室群控系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种温室群控系统，该系统适用于温室群的集中控制，所述的温室群包括一个中心温室以及多个卫星温室，所述的系统包括：

设置于每个卫星温室和中心温室内的无线传感器采集装置，用于采集温室内的温室参数；

设置于每个卫星温室和中心温室内的温室控制执行机构，用于调节温室的环境；

设置于中心温室内的中心基站，分别连接中心温室内的温室控制执行机构和无线传感器采集装置；

设置于卫星温室内的从控制终端，分别连接其所在卫星温室内的温室控制执行机构和无线传感器采集装置，并且连接中心温室内的中心基站；

气象站，连接中心温室内的中心基站，用于采集温室外的气象信息；

上位机，连接中心温室内的中心基站，用于对温室群进行远程控制；

远程服务器，连接上位机。

所述的中心基站和从控制终端之间通过串行接口或者以太网进行连接，中心基站和气象站之间通过串行接口连接，中心基站和上位机之间通过互联网连接，上位机和远程服务器之间通过互联网连接。

所述的无线传感器采集装置为基于Zigbee的无线传感器采集装置，包括传感器模块、Zigbee采集节点和Zigbee网关节点，所述的传感器模块设置在Zigbee采集节点处，Zigbee采集节点与Zigbee网关节点之间通过Zigbee协议无线连接，所述的Zigbee网关节点通过串行接口连接中心基站或从控制终端。

所述的传感器模块包括温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器和土壤水分传感器。

所述的温室控制执行机构包括电机以及由电机驱动的可活动式的天窗、侧窗和遮阳网。

所述的中心基站包括现场控制器以及与该现场控制器连接的LCD触摸屏、摄像头、GPRS模块和继电器，所述的LCD触摸屏用于显示中心温室和卫星温室的温室参数，所述的GPRS模块用于接收来自移动通信设备的查询或控制信息，并返回数据，所述的摄像头用于获取中心温室内的视频信息，所述的继电器用于向温室控制执行机构输出控制信号。

中心基站的现场控制器为基于ARM的现场控制器。

所述的从控制终端包括现场控制器以及与该现场控制器连接的继电器，所述的继电器用于向温室控制执行机构输出控制信号。

从控制终端的现场控制器为基于51单片机的现场控制器。

与现有技术相比，本发明可以实现对温室参数的协调控制，通过基于ARM的中心基站对各温室的集中管理，达到了资源共享的目的，实现了控制策略的共享；在温室内采用基于Zigbee的无线传感器网络进行数据采集以及传输，解决了布线不方便这一问题；采用了基于ARM的中心基站以及上位机的双层管理模式，在现场端就可以对温室进行控制；中心温室的基站作为一个数据传输的网关，对卫星温室采用串口或者以太网通信，对上位机采用互联网通信，实现了数据的集中管理与快速、准确传输；在网络上设有一个远程服务器，用户可以通过网络来访问进行温室的访问以及管理，大大的方便了用户。

本发明提供了一种控制精确、资源节约共享、布置方便、易于现场管理、数据传输快速准确、可视化的温室群控系统，大大提高了温室群控系统的监控效率以及自动化程度，对于温室内作物产量的提升也有相当大的帮助，对目前温室群控领域来讲是一个较大的飞跃。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明的中心温室布局图；

图3为本发明的卫星温室布局图；

图4为本发明的中心基站的接口示意图；

图5为本发明中中心基站所运行的协调控制算法的复位程序流程图；

图6为本发明通过协调控制算法进行天窗控制的程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种温室群控系统，适用于温室群的集中控制，整个系统包括由中心温室2以及多个卫星温室3组成的温室群、上位机1、气象站4和远程服务器5组成。上位机1位于监控中心，可以对各温室进行综合管理，包括参数显示、数据存入数据库、运行控制算法并下发控制指令等，远程服务器5连接到互联网，与监控中心的上位机1进行通信，可以给用户提供网络管理、访问的能力。气象站4位于温室现场，用于采集温室外的气象信息。

中心温室2的布局如图2所示，其内设有基于ARM的中心基站21、基于Zigbee的无线传感器采集装置22和温室控制执行机构23，基于Zigbee的无线传感器采集装置22负责采集中心温室2的温室参数，并通过无线的方式发送给基于ARM的中心基站21。基于ARM的中心基站21整合本温室以及各卫星温室3的数据，通过互联网发送给监控中心的上位机1。温室控制执行机构23可以响应基于ARM的中心基站21下发的指令，进行相关的控制。其中，基于ARM的中心基站21包括基于ARM的现场控制器以及与该现场控制器连接的LCD触摸屏、摄像头、GPRS模块、继电器以及一系列通信接口，LCD触摸屏用于显示中心温室和卫星温室的温室参数，GPRS模块用于接收来自移动通信设备的查询或控制信息，并返回数据，摄像头用于获取中心温室内的视频信息，继电器用于向温室控制执行机构23输出控制信号。如图4所示，基于ARM的中心基站21上包含以太网接口41、用于连接摄像头的接口42、用于连接GPRS的接口43、用于连接继电器的通用GPIO口44以及串口集线器45(Hub)，该串口集线器包含RS232、RS485等多种形式的串行接口。

卫星温室3的布局如图3所示，其内设有基于51单片机的从控制终端31、基于Zigbee的无线传感器采集装置32和温室控制执行机构33。基于Zigbee的无线传感器采集装置32负责采集卫星温室的温室参数，并通过无线的方式发送给基于51单片机的从控制终端31。基于51单片机的从控制终端31收集到温室数据之后，通过RS485串行总线或者以太网将数据发送至中心温室，温室控制执行机构可以响应基于51单片机的从控制终端31下发的指令，进行相关的控制。其中，基于51单片机的从控制终端31包含基于51单片机的现场控制器、用来向温室控制执行机构33输出控制信号的继电器以及用于数据传输的一系列通信接口。

中心温室2和卫星温室3中的基于Zigbee的无线传感器采集装置均包括传感器模块、Zigbee采集节点和Zigbee网关节点，传感器模块设置在Zigbee采集节点处，包括温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器和土壤水分传感器等，用来采集温室内的温室参数，并通过Zigbee采集节点来转发。Zigbee采集节点与Zigbee网关节点之间通过Zigbee协议无线连接，Zigbee网关节点通过串行接口连接基于ARM的中心基站21或基于51单片机的从控制终端31。

中心温室2和卫星温室3中的温室控制执行机构包括电机以及由电机驱动的可活动式的天窗、侧窗和遮阳网，电机通过继电器的输出信号进行控制，拖动天窗、侧窗和遮阳网进行动作，从而改变温室的环境，达到温室群控的目的。

本系统的具体监控流程如下：

(1)基于ARM的中心基站与各温室的交互流程。

1)系统启动时，各温室内的基于Zigbee的无线传感器采集装置以及温室控制执行机构复位，各温室内的现场控制器均进行初始化。

2)系统运行时，各温室内的基于Zigbee的无线传感器采集装置每隔一定的周期进行一次温室内的数据采集(每个温室内放置12个数据采集点)。采集完一次数据后，这12个点经过无线传输的方式，发送给接在各个现场控制器上的Zigbee网关，Zigbee网关再将数据通过RS232接口发送给各现场控制器。

3)中心温室的基于Zigbee的无线传感器采集装置采集完数据之后，直接通过Zigbee网关经由RS232串口发送给基于ARM的中心基站；卫星温室采集完数据并将数据发送给各基于51单片机的从控制终端之后，各从控制终端通过RS485串口总线或以太网，将数据发送给中心温室的基于ARM的中心基站。

4)中心温室的基于ARM的中心基站接收到各温室发送过来的数据分别在相应的位置进行实时显示，并存入嵌入式数据库。同时，会将这些数据通过互联网转发给监控中心的上位机进行后续的操作。

5)中心温室的基于ARM的中心基站在接收到各温室内数据的同时，在后台运行协调控制算法，其复位程序流程如图5所示。此算法是对上位机控制管理系统的一个补充，即使在脱离上位机的情况下，也可以进行一些简单的控制，以控制温室的天窗为例，其工作流程如图6所示。此算法会对输入的数据包括温室内参数以及气象站的气象信息进行运算，得出控制指令后，对相应的温室下发控制指令，各温室的控制器再利用继电器驱动温室控制执行机构进行动作。

(2)基于ARM的中心基站与上位机的交互流程。

1)中心温室的基于ARM的中心基站在接收到自己温室的数据以及其他各温室的数据之后，会将这些数据通过互联网立即转发到监控中心的上位机。监控中心的上位机运行着一套温室监控软件，会对上传过来的数据进行一系列的管理操作，主要包括实时显示、动态图表显示、数据存入数据库、协调控制、节省能耗、输出控制结果等。

2)中心机房的上位机运行完相应的控制算法之后，会将相应的控制指令进行下发。中心温室的基于ARM的中心基站接收到控制指令之后，会根据数据的帧协议，识别出是针对哪一个温室的指令，将控制指令发往相应的温室，进行相应的控制。

(3)监控中心上位机与远程服务器的交互过程。

监控中心上位机在接收到基于ARM的中心基站的数据之后，还会将此数据通过以太网发送给远程的服务器，此服务器为一个web网络服务器，用户可以通过浏览器进行登陆访问，查看温室内的各个参数并进行相应的管理操作，极大的方便了用户。

(4)中心温室的视频、图像采集功能。

在中心温室内的基于ARM的中心基站的后台，运行着视频、图像定时采集程序。此程序会每隔一定的时间(时间间隔可设置)进行一次视频或者图像的采集，并通过互联网发送给中心机房的上位机。上位机可以实现实时的播放，从而实现了温室环境的可视化。

(5)基于ARM的中心基站的短信查询功能

为了使用户能够不在温室现场也可以查询温室的数据，本发明还给用户提供了一个短信查询温室内参数的功能。由于中心基站带有GPRS模块，用户只需向特定的号码发送特定的字符串指令，即可得到基站返回的温室内的实时数据。

本发明提供了一种控制精确、资源节约共享、布置方便、易于现场管理、数据传输快速准确、可视化的温室群控系统，大大提高了温室群控系统的监控效率以及自动化程度，对于温室内作物产量的提升也有相当大的帮助，对目前温室群控领域来讲是一个较大的飞跃。

Claims (9)

1.一种温室群控系统，该系统适用于温室群的集中控制，所述的温室群包括一个中心温室以及多个卫星温室，其特征在于，所述的系统包括：

设置于每个卫星温室和中心温室内的无线传感器采集装置，用于采集温室内的温室参数；

设置于每个卫星温室和中心温室内的温室控制执行机构，用于调节温室的环境；

设置于中心温室内的基于ARM的中心基站，分别连接中心温室内的温室控制执行机构和无线传感器采集装置；

设置于卫星温室内的基于51单片机的从控制终端，分别连接其所在卫星温室内的温室控制执行机构和无线传感器采集装置，并且连接中心温室内的中心基站；

气象站，连接中心温室内的中心基站，用于采集温室外的气象信息；

上位机，连接中心温室内的中心基站，用于对温室群进行远程控制；

远程服务器，连接上位机；

中心基站接收到中心温室数据和卫星温室内的从控制终端发来的数据后，直接对各温室进行控制或将接收的数据发送给上位机，并根据上位机返回的控制指令对相应的温室进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种温室群控系统，其特征在于，所述的中心基站和从控制终端之间通过串行接口或者以太网进行连接，中心基站和气象站之间通过串行接口连接，中心基站和上位机之间通过互联网连接，上位机和远程服务器之间通过互联网连接。

3.根据权利要求2所述的一种温室群控系统，其特征在于，所述的无线传感器采集装置为基于Zigbee的无线传感器采集装置，包括传感器模块、Zigbee采集节点和Zigbee网关节点，所述的传感器模块设置在Zigbee采集节点处，Zigbee采集节点与Zigbee网关节点之间通过Zigbee协议无线连接，所述的Zigbee网关节点通过串行接口连接中心基站或从控制终端。

4.根据权利要求3所述的一种温室群控系统，其特征在于，所述的传感器模块包括温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器和土壤水分传感器。

5.根据权利要求1所述的一种温室群控系统，其特征在于，所述的温室控制执行机构包括电机以及由电机驱动的可活动式的天窗、侧窗和遮阳网。

6.根据权利要求2所述的一种温室群控系统，其特征在于，所述的中心基站包括现场控制器以及与该现场控制器连接的LCD触摸屏、摄像头、GPRS模块和继电器，所述的LCD触摸屏用于显示中心温室和卫星温室的温室参数，所述的GPRS模块用于接收来自移动通信设备的查询或控制信息，并返回数据，所述的摄像头用于获取中心温室内的视频信息，所述的继电器用于向温室控制执行机构输出控制信号。

7.根据权利要求6所述的一种温室群控系统，其特征在于，中心基站的现场控制器为基于ARM的现场控制器。

8.根据权利要求2所述的一种温室群控系统，其特征在于，所述的从控制终端包括现场控制器以及与该现场控制器连接的继电器，所述的继电器用于向温室控制执行机构输出控制信号。

9.根据权利要求8所述的一种温室群控系统，其特征在于，从控制终端的现场控制器为基于51单片机的现场控制器。