基于物联网的农业大棚温度自动控制系统设计
王峰
摘 要： 为了实现农业大棚温度的自动控制，提出一种基于物联网的农业大棚温度自动控制系统设计方案。在Visual DSP平台下进行控制器的系统开发，系统采用嵌入式ARM Cortex?M0作为主控系统，在物联网体系下进行温度数据采集，对采集的农业大棚温度数据在主控模块中进行信息加工和识别，构建大棚温度自动控制系统的执行控制单元、温度A/D采集单元、中央控制器等单元，通过物联网下各个传感器把大棚温度数据传送给主控单片机，单片机通过执行模块进行温度调节，实现农业大棚温度自动调节。系统测试结果表明，该农业大棚温度自动控制系统具有较好的稳定自动控制性能。
关键词： 物联网； 农业大棚； 温度自动控制；系统设计
中图分类号： TN02?34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）13?0152?03
Abstract： In order to realize the automatic temperature control of agricultural greenhouse， a design scheme of Internet of Things （IOT） based automatic temperature control system for agricultural greenhouse is put forward. The system development of the controller was performed in Visual DSP platform. The embedded ARM Cortex?M0 is taken as the main control system of the system to acquire the temperature data under IOT system. The information processing and recognition for the acquired agricultural greenhouse temperature data were carried out in the main control module. The execution control unit， temperature A/D acquisition unit and central control unit of the greenhouse automatic temperature control system were constructed. The greenhouse temperature data is transmitted to the main control SCM through each sensor under IOT. The temperature is adjusted through the execution unit of SCM to realize the automatic temperature adjustment of agricultural greenhouse. The system test results show that the automatic temperature control system for agricultural greenhouse has stable automatic control performance.
Keywords： Internet of Things； agricultural greenhouse； automatic temperature control； system design
0 引 言
农业大棚温度的精确控制要求较高，需要对农业大棚中各个区域的温度进行准确监测，保障大棚中各个区域的植物正常生长，采用传感器网络对农业大棚各个温度监测节点进行实时温度采集，建立物联网网络结构模型，采用无线射频设备和ZigBee组网技术进行农业大棚温度的自动实时控制。在农业大棚中布设多个物联网传感器节点，不断查询各节点温度，结合RFID阅读器、电子标签等物联网信息识别和自动控制装置，实现大棚温度自动控制，研究农业大棚温度自动控制系统在提高大棚种植产量和生成效率方面具有重要意义[1]。
传统方法中，对农业大棚温度自动控制系统采用PCI总线控制方法，通过外部单片机控制模块、继电器模块进行大棚温度的多传感器控制，但该控制方法不能实现农业大棚的全方位温度自动控制[2]，对此，提出基于物联网的农业大棚温度自动控制系统设计方案。
1 总体设计构架
1.1 温度自动控制系统设计原理及功能模块
为了实现农业大棚温度的信息化管理和自动控制，进行农业大棚温度的网络控制和智能监测，构建基于物联网的农业大棚温度自动控制系统，采用Web构架方法进行农业大棚温度的传感器节点部署和RFID无线射频识别，农业大棚温度自动控制系统的物联网体系结构分为感知控制层、网络传输层和应用服务层三层[3]。基于Open Core核心的Android平臺建立农业大棚温度自动控制系统的硬件监测服务层，在APP终端中进行大棚温度的远程监测与实时控制，将多个RFID节点通过无线射频识别物联网体系结构连接起来，在RFID平台中采用IPv6实时传输协议进行数据传输和自动控制系统的逻辑控制程序设计，开放式应用编程接口设计。根据设计原理，构建基于物联网的农业大棚温度自动控制系统的总体结构模型，如图1所示。
根据图1所示的农业大棚温度自动控制系统总体结构设计，结合大棚温度自动监测数据进行温度的自动控制和信息识别，采用传输控制协议（TCP）建立物联网模型，采用嵌入式Linux控制技术进行大棚温度自动控制系统的信息交换和通信控制[4]。综上分析，农业大棚温度自动控制系统的功能主要包括：大棚温度的传感信息采集和识别功能；物联网信息接入功能；Browser/Server结构模型下单片机控制和组件传输功能；多通道的温度信息记录和回放功能；根据超声波和红外等多种传感器进行大棚温度识别和监测功能。
1.2 开发环境描述
在对农业大棚温度自动控制系统的总体结构分析的基础上进行系统开发，系统建立在物联网和嵌入式Linux内核的开发平台上，农业大棚温度自动控制系统设计包括硬件设计和软件设计两大部分，采用嵌入式ARM Cortex?M0作为主控系统，在物联网体系下进行温度数据采集，选择合适的单片机作为核心控制单元，结合DSP集成信号处理芯片进行温度信息和环境信息的智能处理，采用温度传感器作为物联网三层体系结构的数据采集层，传感器节点设计为个，采用RFID阅读器作为物联网体系结构的传输层，在应用层中创建RTP管理器，在混合射频识别技术下制定Savi信息传输模型，进行温度自动控制系统的物联网体系结构开发[5]。
在物联网体系结构模型下，进行农业大棚温度自动控制系统的软件开发环境和硬件环境分析，系统的软件开发环境建立在Linux嵌入式平台中，系统的硬件外围器件选择ADI公司的A/D和D/A进行温度信息采样，DSP信号处理器设计的采样频率不低于8位，接收信号范围为12～24 dB，在FLASH中控制A/D转换器进行大棚温度的分区监测和控制，D/A芯片选用ADI的bootloader芯片进行中断控制，对采集的农业大棚温度信息进行数字FIR滤波，在开关控制模块输出多路回波信号，农业大棚温度自动控制系统的DAM控制器由外部脉冲源驱动AD7767?1进行中间组件控制和信息跟踪监测，编写添加驱动程序，进行数据读取和信息存储，构建基于物联网技术的农业大棚温度自动控制系统的嵌入式开发平台，实现温度自动控制系统的集成开发和远程控制。
2 系统开发实现
2.1 硬件开发部分
在农业大棚温度自动控制系统的总体模型架构的基础上，进行系统的功能模块化设计和软件开发，采用3G?ZigBee的多点传感器监测技术构建物联网分布式结构模型[6]，进行大棚温度的分布式采样和数据采集，系统采用嵌入式ARM Cortex?M0作为主控系统，以TMS320VC5409A作为数字信息处理芯片，对大棚温度自动控制系统温度数据的A/D采集单元、执行控制单元、中央控制器等硬件电路进行详细设计描述。大棚温度自动控制系统的温度监测总线一共有1条程序总线，3条数据总线。为用户进行数据处理提供方便，采用VIX总线设计方法建立23根地址总线进行大棚温度的自动控制和多方位多通道监测，温度自动控制系统的硬件模块化设计描述如下：
首先进行A/D采集单元设计，大棚温度自动控制系统的A/D采集单元是进行温度控制数据采集单元，是实现大棚温度自动控制的基础，根据温度数据采集速度、信号处理速度的要求，在物联网体系结构下，选择40位的TMS320VC5409A温度采集传感器作为A/D采集的传感器节点，选择2个独立的40位累加器進行温度信息融合。在A/D芯片的片内设置32 KB的寻址范围（地址范围0080H～7FFFH），TMS320VC5409A通过JTAG口对温度数据进行连续性采样，通过CPLD编程进行多通道缓冲串口McBSPs的逻辑控制[7]，在温度自动控制系统的输出终端进行温度过高和过低的声光报警，输出温度信息采集的正弦拟合波形，得到本文设计的温度自动控制系统的A/D模块硬件结构组成，如图2所示。
然后进行执行控制单元设计。执行控制单元是农业大棚温度自动控制系统的执行单元，采用CPU与DAM控制器进行温度自动控制过程中的自主调节，采用串行D/A转换器控制AD5545的执行器控制单元，在A/D电路中进行数模转换，是控制端信号。当输入输出接口的大于二极管D1，D2的导通电压时，通过电流调节执行控制单元与上、下位机进行通信，基于ZigBee和物联网技术进行信息组网，结合大棚温度监测的位置信息、农作物的适应温度信息进行温度调节，得到温度自动控制的执行控制指令表见表1。
在温度自动控制的执行控制指令表中，VDD（6脚）表示自动控制系统的时钟信号输入端，一般取5 V，调节控制器的电压，选择复位信号输出反馈端， （4脚）锁存温度自动控制信号的输入端，当时，传感温度反馈到执行单元，传感温度反馈不起作用，当=时，数据经DMA控制器加载到ROM中，CPU与DAM控制器读取/写入DRR，可接收TTL电平信号，外部脉冲源（4，2，3，10，14，15）通过（R/X）DATDLY输出DSP的串口码字，在3.590 0 MHz时， 发送信息采样值1110010，DSP采样BMODE2?0管脚，从而决定程序加载方式。综上设计，通过各个物联网下的传感器把大棚温度数据传送给主控单片机，单片机通过执行模块进行温度调节，实现农业大棚温度自动调节。
2.2 软件开发部分
农业大棚温度自动控制系统的软件开发设计建立在Visual DSP集成开发平台上，能实现对温度自动控制系统的软件仿真（Simulator）和硬件在线编程（Emulator）。采用C5409A XDS510 Emulator仿真器完成大棚温度自动控制系统的程序编辑、编译连接和接口控制，在C5409 Device Simulator仿真环境下执行中断程序和。对INTM和IMR初始化，置中断向量地址位INTM=0，置IMR的中断相应位=1，采用AODV路由协议构建物联网的通信协议，创建RTP管理器，物联网节点数为200个，采用UDP，RTP/AVP协议配置大棚温度自动控制系统的管理信息写入，采用交叉编译方式进行程序加载，加载程序代码如下：
Busybox Settings ???>
[*] Unit construction for /etfegyki/nucrhgkes
[*] vi?stevreconstruction implementation comsgtes
[*] Tab main control module
[*] U coupled network
[*] Fancy various physical pts
ShedfreeSs ???>
由此完成农业大棚温度自动控制系统的软件开发设计，系统的软件实现流程如图3所示。
3 系统测试
在物联网体系结构下进行农业大棚温度自动控制系统的控制系统测试，系统测试的实验环境描述见表2。
根据上述仿真环境设定进行大棚温度自动控制仿真测试，得到采用本文方法和传统方法进行温度控制的收敛曲线对比，如图4所示。
分析图4结果得知，采用本文方法进行大棚温度自动控制的误差较小，收敛性较好，性能可靠稳定。
4 结 语
本文提出一种基于物联网的农业大棚温度自动控制系统设计方案，在Visual DSP平台下进行控制器的系统开发，采用嵌入式ARM Cortex?M0作为主控系统，构建大棚温度自动控制系统的执行控制单元、温度A/D采集单元、中央控制器等单元，通过各个物联网下的传感器把大棚温度数据传送给主控单片机，单片机通过执行模块进行温度调节，实现农业大棚温度自动调节。对温度自动控制系统进行硬件设计和软件开发，系统调试结果表明，本文设计的系统能有效进行大棚温度自动调节，误差较低，收敛性和稳定性较好。
参考文献
[1] 翟雁，郭阳宽，祝连庆，等.步进电机模糊PID闭环控制系统仿真研究[J].现代电子技术，2015，38（11）：146?149.
[2] 蔡金萍，李莉.基于改进PID算法的小區域温度控制模型仿真[J].计算机仿真，2015，32（6）：237?240.
[3] 程海英，王浩.基于PSO?RVM的光传感器参数标定算法[J].激光杂志，2016，37（2）：12?15.
[4] 包朝伟，刘仕东，王佩宁.从低速存储器到高速FPGA配置的位流解压缩[J].科学技术与工程，2013，13（24）：7255?7261.
[5] 房延鹏，高泽华，亢雄伟.基于RFID技术安全保障系统的设计与实现[J].物联网技术，2015，5（7）：76?79.
[6] 张志坚，杨雷.基于Cu50的精确温度测量系统[J].计算机测量与控制，2014，22（5）：1355?1356.
[7] 田永红.引入混沌差分控制理论的温度控制器设计[J].科技通报，2014（6）：225?227.
摘 要： 为了实现农业大棚温度的自动控制，提出一种基于物联网的农业大棚温度自动控制系统设计方案。在Visual DSP平台下进行控制器的系统开发，系统采用嵌入式ARM Cortex?M0作为主控系统，在物联网体系下进行温度数据采集，对采集的农业大棚温度数据在主控模块中进行信息加工和识别，构建大棚温度自动控制系统的执行控制单元、温度A/D采集单元、中央控制器等单元，通过物联网下各个传感器把大棚温度数据传送给主控单片机，单片机通过执行模块进行温度调节，实现农业大棚温度自动调节。系统测试结果表明，该农业大棚温度自动控制系统具有较好的稳定自动控制性能。
关键词： 物联网； 农业大棚； 温度自动控制；系统设计
中图分类号： TN02?34； TP273 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）13?0152?03
Abstract： In order to realize the automatic temperature control of agricultural greenhouse， a design scheme of Internet of Things （IOT） based automatic temperature control system for agricultural greenhouse is put forward. The system development of the controller was performed in Visual DSP platform. The embedded ARM Cortex?M0 is taken as the main control system of the system to acquire the temperature data under IOT system. The information processing and recognition for the acquired agricultural greenhouse temperature data were carried out in the main control module. The execution control unit， temperature A/D acquisition unit and central control unit of the greenhouse automatic temperature control system were constructed. The greenhouse temperature data is transmitted to the main control SCM through each sensor under IOT. The temperature is adjusted through the execution unit of SCM to realize the automatic temperature adjustment of agricultural greenhouse. The system test results show that the automatic temperature control system for agricultural greenhouse has stable automatic control performance.
Keywords： Internet of Things； agricultural greenhouse； automatic temperature control； system design
0 引 言
农业大棚温度的精确控制要求较高，需要对农业大棚中各个区域的温度进行准确监测，保障大棚中各个区域的植物正常生长，采用传感器网络对农业大棚各个温度监测节点进行实时温度采集，建立物联网网络结构模型，采用无线射频设备和ZigBee组网技术进行农业大棚温度的自动实时控制。在农业大棚中布设多个物联网传感器节点，不断查询各节点温度，结合RFID阅读器、电子标签等物联网信息识别和自动控制装置，实现大棚温度自动控制，研究农业大棚温度自动控制系统在提高大棚种植产量和生成效率方面具有重要意义[1]。
传统方法中，对农业大棚温度自动控制系统采用PCI总线控制方法，通过外部单片机控制模块、继电器模块进行大棚温度的多传感器控制，但该控制方法不能实现农业大棚的全方位温度自动控制[2]，对此，提出基于物联网的农业大棚温度自动控制系统设计方案。
1 总体设计构架
1.1 温度自动控制系统设计原理及功能模块
为了实现农业大棚温度的信息化管理和自动控制，进行农业大棚温度的网络控制和智能监测，构建基于物联网的农业大棚温度自动控制系统，采用Web构架方法进行农业大棚温度的传感器节点部署和RFID无线射频识别，农业大棚温度自动控制系统的物联网体系结构分为感知控制层、网络传输层和应用服务层三层[3]。基于Open Core核心的Android平臺建立农业大棚温度自动控制系统的硬件监测服务层，在APP终端中进行大棚温度的远程监测与实时控制，将多个RFID节点通过无线射频识别物联网体系结构连接起来，在RFID平台中采用IPv6实时传输协议进行数据传输和自动控制系统的逻辑控制程序设计，开放式应用编程接口设计。根据设计原理，构建基于物联网的农业大棚温度自动控制系统的总体结构模型，如图1所示。
根据图1所示的农业大棚温度自动控制系统总体结构设计，结合大棚温度自动监测数据进行温度的自动控制和信息识别，采用传输控制协议（TCP）建立物联网模型，采用嵌入式Linux控制技术进行大棚温度自动控制系统的信息交换和通信控制[4]。综上分析，农业大棚温度自动控制系统的功能主要包括：大棚温度的传感信息采集和识别功能；物联网信息接入功能；Browser/Server结构模型下单片机控制和组件传输功能；多通道的温度信息记录和回放功能；根据超声波和红外等多种传感器进行大棚温度识别和监测功能。
1.2 开发环境描述
在对农业大棚温度自动控制系统的总体结构分析的基础上进行系统开发，系统建立在物联网和嵌入式Linux内核的开发平台上，农业大棚温度自动控制系统设计包括硬件设计和软件设计两大部分，采用嵌入式ARM Cortex?M0作为主控系统，在物联网体系下进行温度数据采集，选择合适的单片机作为核心控制单元，结合DSP集成信号处理芯片进行温度信息和环境信息的智能处理，采用温度传感器作为物联网三层体系结构的数据采集层，传感器节点设计为个，采用RFID阅读器作为物联网体系结构的传输层，在应用层中创建RTP管理器，在混合射频识别技术下制定Savi信息传输模型，进行温度自动控制系统的物联网体系结构开发[5]。
在物联网体系结构模型下，进行农业大棚温度自动控制系统的软件开发环境和硬件环境分析，系统的软件开发环境建立在Linux嵌入式平台中，系统的硬件外围器件选择ADI公司的A/D和D/A进行温度信息采样，DSP信号处理器设计的采样频率不低于8位，接收信号范围为12～24 dB，在FLASH中控制A/D转换器进行大棚温度的分区监测和控制，D/A芯片选用ADI的bootloader芯片进行中断控制，对采集的农业大棚温度信息进行数字FIR滤波，在开关控制模块输出多路回波信号，农业大棚温度自动控制系统的DAM控制器由外部脉冲源驱动AD7767?1进行中间组件控制和信息跟踪监测，编写添加驱动程序，进行数据读取和信息存储，构建基于物联网技术的农业大棚温度自动控制系统的嵌入式开发平台，实现温度自动控制系统的集成开发和远程控制。
2 系统开发实现
2.1 硬件开发部分
在农业大棚温度自动控制系统的总体模型架构的基础上，进行系统的功能模块化设计和软件开发，采用3G?ZigBee的多点传感器监测技术构建物联网分布式结构模型[6]，进行大棚温度的分布式采样和数据采集，系统采用嵌入式ARM Cortex?M0作为主控系统，以TMS320VC5409A作为数字信息处理芯片，对大棚温度自动控制系统温度数据的A/D采集单元、执行控制单元、中央控制器等硬件电路进行详细设计描述。大棚温度自动控制系统的温度监测总线一共有1条程序总线，3条数据总线。为用户进行数据处理提供方便，采用VIX总线设计方法建立23根地址总线进行大棚温度的自动控制和多方位多通道监测，温度自动控制系统的硬件模块化设计描述如下：
首先进行A/D采集单元设计，大棚温度自动控制系统的A/D采集单元是进行温度控制数据采集单元，是实现大棚温度自动控制的基础，根据温度数据采集速度、信号处理速度的要求，在物联网体系结构下，选择40位的TMS320VC5409A温度采集传感器作为A/D采集的传感器节点，选择2个独立的40位累加器進行温度信息融合。在A/D芯片的片内设置32 KB的寻址范围（地址范围0080H～7FFFH），TMS320VC5409A通过JTAG口对温度数据进行连续性采样，通过CPLD编程进行多通道缓冲串口McBSPs的逻辑控制[7]，在温度自动控制系统的输出终端进行温度过高和过低的声光报警，输出温度信息采集的正弦拟合波形，得到本文设计的温度自动控制系统的A/D模块硬件结构组成，如图2所示。
然后进行执行控制单元设计。执行控制单元是农业大棚温度自动控制系统的执行单元，采用CPU与DAM控制器进行温度自动控制过程中的自主调节，采用串行D/A转换器控制AD5545的执行器控制单元，在A/D电路中进行数模转换，是控制端信号。当输入输出接口的大于二极管D1，D2的导通电压时，通过电流调节执行控制单元与上、下位机进行通信，基于ZigBee和物联网技术进行信息组网，结合大棚温度监测的位置信息、农作物的适应温度信息进行温度调节，得到温度自动控制的执行控制指令表见表1。
在温度自动控制的执行控制指令表中，VDD（6脚）表示自动控制系统的时钟信号输入端，一般取5 V，调节控制器的电压，选择复位信号输出反馈端， （4脚）锁存温度自动控制信号的输入端，当时，传感温度反馈到执行单元，传感温度反馈不起作用，当=时，数据经DMA控制器加载到ROM中，CPU与DAM控制器读取/写入DRR，可接收TTL电平信号，外部脉冲源（4，2，3，10，14，15）通过（R/X）DATDLY输出DSP的串口码字，在3.590 0 MHz时， 发送信息采样值1110010，DSP采样BMODE2?0管脚，从而决定程序加载方式。综上设计，通过各个物联网下的传感器把大棚温度数据传送给主控单片机，单片机通过执行模块进行温度调节，实现农业大棚温度自动调节。
2.2 软件开发部分
农业大棚温度自动控制系统的软件开发设计建立在Visual DSP集成开发平台上，能实现对温度自动控制系统的软件仿真（Simulator）和硬件在线编程（Emulator）。采用C5409A XDS510 Emulator仿真器完成大棚温度自动控制系统的程序编辑、编译连接和接口控制，在C5409 Device Simulator仿真环境下执行中断程序和。对INTM和IMR初始化，置中断向量地址位INTM=0，置IMR的中断相应位=1，采用AODV路由协议构建物联网的通信协议，创建RTP管理器，物联网节点数为200个，采用UDP，RTP/AVP协议配置大棚温度自动控制系统的管理信息写入，采用交叉编译方式进行程序加载，加载程序代码如下：
Busybox Settings ???>
[*] Unit construction for /etfegyki/nucrhgkes
[*] vi?stevreconstruction implementation comsgtes
[*] Tab main control module
[*] U coupled network
[*] Fancy various physical pts
ShedfreeSs ???>
由此完成农业大棚温度自动控制系统的软件开发设计，系统的软件实现流程如图3所示。
3 系统测试
在物联网体系结构下进行农业大棚温度自动控制系统的控制系统测试，系统测试的实验环境描述见表2。
根据上述仿真环境设定进行大棚温度自动控制仿真测试，得到采用本文方法和传统方法进行温度控制的收敛曲线对比，如图4所示。
分析图4结果得知，采用本文方法进行大棚温度自动控制的误差较小，收敛性较好，性能可靠稳定。
4 结 语
本文提出一种基于物联网的农业大棚温度自动控制系统设计方案，在Visual DSP平台下进行控制器的系统开发，采用嵌入式ARM Cortex?M0作为主控系统，构建大棚温度自动控制系统的执行控制单元、温度A/D采集单元、中央控制器等单元，通过各个物联网下的传感器把大棚温度数据传送给主控单片机，单片机通过执行模块进行温度调节，实现农业大棚温度自动调节。对温度自动控制系统进行硬件设计和软件开发，系统调试结果表明，本文设计的系统能有效进行大棚温度自动调节，误差较低，收敛性和稳定性较好。
参考文献
[1] 翟雁，郭阳宽，祝连庆，等.步进电机模糊PID闭环控制系统仿真研究[J].现代电子技术，2015，38（11）：146?149.
[2] 蔡金萍，李莉.基于改进PID算法的小區域温度控制模型仿真[J].计算机仿真，2015，32（6）：237?240.
[3] 程海英，王浩.基于PSO?RVM的光传感器参数标定算法[J].激光杂志，2016，37（2）：12?15.
[4] 包朝伟，刘仕东，王佩宁.从低速存储器到高速FPGA配置的位流解压缩[J].科学技术与工程，2013，13（24）：7255?7261.
[5] 房延鹏，高泽华，亢雄伟.基于RFID技术安全保障系统的设计与实现[J].物联网技术，2015，5（7）：76?79.
[6] 张志坚，杨雷.基于Cu50的精确温度测量系统[J].计算机测量与控制，2014，22（5）：1355?1356.
[7] 田永红.引入混沌差分控制理论的温度控制器设计[J].科技通报，2014（6）：225?227.
