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基于Arduino与组态王的智能温室大棚监控系统设计

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  摘 要:为解决传统温室大棚智能化水平不足、经济效益低下等问题,设计了一套由微控制板和组态软件组成的智能温室大棚监控系统。该系统将Arduino控制板作为下位机,其由传感器、传输模块和继电器模块组成,可实现对大棚内各项环境因素的实时监测、有效传输与调控。将PC机作为上位机,利用组态王6.55组态软件设计人机交互组态界面,接收下位机传输的数据,并显示实时数据和变化曲线,同时将数据存入数据库中,结合软件自带报警控件,发送指令至下位机,对棚内环境进行调控。实验表明,该系统可以很好地完成监测调控功能,使棚内各项环境因素能够保持在合适范围内,一定程度上提高温室大棚的自动化水平和农作物产量,提高经济效益。
  关键词:智能大棚;传感器;Arduino;组态王6.55;数据库;MAX485
  中图分类号:TP39;S24 文献标识码:A 文章编号:2095-1302(2020)07-00-03
  0 引 言
  传统温室大棚内的空气温湿度、光照强度、土壤湿度等均为人工测量或凭经验判断,存在低效且测量不准确的问题。同时,对于棚内作物生长因素的调控是由人工进入现场操作,调控程度缺少统一标准。另一方面,虽然当下智能大棚发展迅速,已经有多种类型的大棚监控系统,但大多成本较高,不易推广。为提高大棚的自动化水平[1],实现增产增收,研发了一种由上位机、下位机和传感器组成的可实时采集、直观显示与调控的智能温室大棚监控系统,使用传感器监测大棚内部各项环境因素。下位机控制传感器和继电器工作,并将数据传输至上位机,接收上位机发送的控制指令。上位机接收数据,进行显示、报警、发送控制指令、数据存入数据库等操作,管理者足不出户就可以查看大棚内的情况,对大棚进行管理。这套系统成本相对较低,易于使用与维护[2]。
  1 智能温室大棚监控系统总体设计
  系统的总体设计框架如图1所示。底层数据采集由DHT11温湿度传感器、光敏电阻传感器和土壤湿度传感器实现,组成了系统的感知层,将实时监测大棚内的温湿度、光强和土壤湿度。传感器与Arduino从机组成采集模块,由从机获取数据并通过MAX485模块将数据传送至主机。Arduino主机与PC机相连,组态王通过PC机上的串口与主机进行串口通信,获取采集的数据,在组态王软件中通过一系列函数转换,将数据进行综合处理,使其能在组态王界面上显示与操作,并根据科学实验设定各变量的报警值。当环境因素不在合理范围内时,发送指令至从机,对继电器进行控制,打开或关闭相应设备[3]。同时,该系统实现了组态王6.55与Access数据库连通,可将数据以自动或手动方式存入数据库,之后可随时从数据库中调出进行分析利用。
  2 系统硬件设计
  2.1 主控模块
  主控模块以Arduino Mega256为核心控制板,它是基于Atmega2560处理器的微控制板,有54路数字输入/输出端,16路模拟输入端,4路UART接口,256 KB的FLASH,
  8 KB的SRAM,一个16 MHz的晶振器,一个ICSP Header,只需简单地配合USB数据线连接电脑或者交直流变压器即可使用[4]。
  2.2 传感器检测模块
  (1)采用DHT11温湿度传感器采集棚内空气温湿度,具有成本低、相对湿度和温度一体测量、响应快、抗干扰能力强、信号传输距离长、数字信号输出、精确校准等特点,其湿度测量范围为20%RH~95%RH,温度测量范围为0~50 ℃,
  基本满足大棚内温湿度测量要求。该传感器包括1个电容式感湿元件和1个NTC测温元件,可与Arduino微处理器实现单总线双向串行传输[5]。
  (2)采用G5516光敏电阻传感器采集棚内的光强。G5516采用比较器输出,信号干净,波形好,驱动能力强,电流超过15 mA。工作电压为3.3~5 V,有两种输出形式:DO数字开关量输出(0和1)和AO模拟电压输出,模拟电压输出的数值范围为0~1 023。
  (3)YL69土壤湿度传感器实现采集土壤湿度功能,比较器采用LM393芯片,工作电压为3.3~5 V,较稳定,具有数字和模拟两种输出形式。该传感器两极采用铜箔,表面镀镍防止生锈,以提升导电性能并延长传感器寿命[6]。
  2.3 传输模块
  (1)Arduino模块与PC机之间的通信通过USB数据线实现,USB数据线为Arduino模块提供了一个虚拟串口,使其可与PC机进行串口通信,需要注意的是Arduino控制板中的数据以串行传输的方式传送至电脑,可以大幅降低信息传输的出错率。
  (2)从机和主机之间采用MAX485模块实现RS 485串行通信,用于主从机之间相互传送信息。RS 485传输的优点是使两设备可以进行长距离、高速率数据传输,同时避免受到噪声干扰。
  2.4 执行器控制模块
  输出控制模块主要由继电器、加热板、风扇、补光灯和水泵组成,将这些执行器与继电器上的NO(常开)和COM(公共端)相連,当继电器收到Arduino控制板发来的置高电平命令后,NO端闭合,相应执行器工作[7]。
  3 系统软件设计
  3.1 Arduino下位机程序设计
  Arduino下位机进行温室大棚环境数据的采集、传输以及接收组态王发送的指令,控制相关执行器开闭。数据采集部分通过程序读取所测空气温湿度、光强以及土壤湿度,由于测得的光强和土壤湿度均为模拟电压值,所以需通过转换程序将模拟电压值转换成百分比形式,然后与空气温湿度共同输出到串口。同时还需读取组态王发送到串口的字符并判断,令相应继电器工作[8]。数据采集流程如图2所示,数据采集部分程序如图3所示。
  3.2 基于组态王的上位机组态界面设计   在组态王中定义外部设备,选择对应的COM口,按照设备配置向导的提示确定生产厂家、设备名称和通信方式。在数据词典中定义变量,主要涉及I/O字符串、内存字符串、内存整数和内存实数。创建并设计画面,将相关控件与变量进行动画连接,建立人机交互界面。其中需建立如下4个组态画面,实现相应功能。
  (1)大棚监测画面:以仪表的形式显示所采数据,并自动绘制环境因素实时趋势曲线。
  (2)历史趋势曲线画面:此画面可对大棚内的环境因素进行历史曲线分析。
  (3)报警与操作画面:按照设定好的数据范围实现动态报警,并在此画面中发送指令到Arduino Mega2560,控制相应继电器,调节棚内环境[9]。
  (4)数据库操作画面:实现组态王与Access数据库的连接,将数据通过手动或自动方式存入数据库,且可实时调出,以报表形式显示、打印或保存为Excel表格[10]。
   4 测试结果分析
  为验证系统的可靠性,在温室大棚内进行验证。将上述程序烧录进Arduino Mega2560控制板后,对大棚内的环境条件进行测量,将采集到的数据以I/O字符串形式传输至组态王并由其内部函数进行处理,在大棚监测画面上显示,如图4所示(其中左边大棚图片仅为背景图,后期会在该处显示摄像头上传的大棚实时画面)。在历史趋势曲线画面内,调用组态王内置的历史趋势曲线控件,自动完成各环境变量的历史趋势曲线的绘制,记录一段时间内环境因素的变化趋势。在报警与操作画面内,根据实际情况设置报警阈值,当高于或低于阈值时报警,然后管理人员根据报警提示进行控制操作。在数据库操作界面,组态王与Access数据库连接,通过组态王内部函数实现默认自动存储数据到数据库,也可手动将数据存入数据库,并通过数据库报表控件对数据库进行查询/条件查询、打印报表等操作,如图5所示。经过多次实验测试与改进后,系统的可靠性有了一定保障,基本可满足智能温室大棚的需要。
  5 结 语
  本系统的创新点在于将Arduino平台与组态王相结合并应用于温室大棚监控,实现有效的数据采集与传输,并通过反馈机制进行控制,同时利用数据库技术可实现对数据的
  二次利用。借助有线传输的形式,可在一定距离内实现对大棚的远程管理。系统无论硬件或软件,成熟度较高,操作简单易上手,便于后期维护。实验证明,该系统运行稳定、可靠,具有一定的推广价值。
  参考文献
  [1]郭鹏,马建辉.农业温室大棚智能环境监测系统设计[J].中国农机化学报,2016,37(4):71-73.
  [2]唐志国,文昊,苏中南,等.基于单片机和组态王的智能温室大棚集散控制[J].吉林大学学报(信息科学版),2017,35(5):513-518.
  [3]朱薪豪,候艳艳,单承刚,等.智能农业大棚系统的设计与实现
  [J].电脑知识与技术,2015,11(4X):244-246.
  [4]陈吕洲.Arduino程序设计基础[M].北京:北京航空航天大学出版社,2015.
  [5]左义海,石振东,王博,等.创客从0到1[M].北京:北京航空航天大学出版社,2016.
  [6]陈培东,姚玉环,李祖鹏.基于Arduino的远程自动浇花系统设计[J].电子世界,2017(6):179.
  [7]韩永佳.基于Arduino的蔬菜大棚智能灌溉控制系统设计[J].山西水利科技,2016(4):82-85.
  [8]赵亮,侯国锐.单片机C语言编程与实例[M].北京:人民邮电出版社,2003.
  [9]杨红.组态王与单片机通讯控制流水灯[J].清远职业技术学院学报,2017,10(5):44-47.
  [10]李江全.組态软件KingView从入门到监控应用50例[M].北京:电子工业出版社,2015.
  作者简介:李守晓(1985—),男,山东烟台人,博士,天津农学院讲师,主要研究方向为电学成像系统的软、硬件设计。
  李秋立(1998—),男,河南信阳人,本科,主要研究方向为物联网技术应用。
  梁兵兵(1998—),男,甘肃平凉人,本科,主要研究方向为物联网技术应用。
  李皖(1999—),女,贵州贵阳人,本科,主要研究方向为物联网技术应用。
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