0 引言
智能大棚是基于嵌入式系統和無線傳感器網絡的自動控制系統，整個系統由無線監控節點、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數據由安置在各個大棚里的監控節點來采集，再通過無線局域網傳輸到控制中心，計算機根據預先設定的數據，通過數據比較結合PID算法來精確控制各個控制終端。用戶可以隨時調整這些自動控制，以便讓大棚始終處于一個最佳生長環境。
1 系統設計方案
系統設計主要分為兩個部分，即終端虛擬控制平臺系統和大棚基站系統的設計，與傳統的儀器相比，基于計算機的虛擬儀器的優勢就是它可以方便地進行組網通信，實現連棟大棚的規模化管理，提高系統的靈活性。首先，系統通過大棚基站內的無線傳感器節點對棚內的各個環境參數進行采集(如溫度、濕度、光強、CO2濃度等)，然后經過數據處理，再發送給終端虛擬控制中心，終端再通過數據比較和自適應PID控制算法發出控制指令，大棚基站接到控制指令后，對棚內的外圍電氣設備進行相應的控制，從而改變棚內的環境參數。如果在設定的時間內沒有接到終端的控制指令，大棚基站則會通過與內部設定的環境參數的比較，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絡繁忙時出現數據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的工作人員進行聯系，了解大棚基站的運作狀況。其系統結構框圖如圖1所示。
2 系統硬件設計
系統監控主要由大棚基站和PC終端機兩部分組成，PC機終端是整個系統的數據管理和控制決策中心，根據棚內的具體參數，由終端系統專家發出最合理的參數設置和控制指令。大棚基站通過無線傳感器網絡節點進行數據采集，并與PC機終端所設定的參數進行比較，從而對外圍電氣設備進行控制，以改變棚內的環境，使棚內達到一個最佳的生長環境，并把棚內的環境參數、電氣設備的狀態反饋給PC機終端。
2．1 基站控制系統
大棚基站控制系統以32位嵌入式微處理器為核心，由無線數據采集子系統、外圍控制電路子系統、語音子系統等組成，無線數據采集子系統由多個無線傳感器網終節點構成，可實時多點地準確采集大棚內的環境參數，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據進行處理，并與系統設定的參數進行比較，然后發出控制指令來對外圍控制電路子系統進行控制(包括換氣扇、灌溉網絡、采光子系統等)。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 無線數據采集系統的設計
網絡節點采用32位EasyARM1138為主控制器，無線數據傳輸采用nRF24L01無線傳輸模塊，nRF24L01是一款新型單片射頻收發器件，工作于2．4～2．5 GHz ISM頻段。內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，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同樣采用EasyARM1138為主控制芯片，輔以nRF24L01無線通信模塊。該子系統通過EasyARMll38的I／O口控制DAC08 32來產生正弦波，然后驅動變頻器以改變外圍各電氣設備的工作狀態，從而避免能源的浪費。無線通信模塊可實現終端與基站、基站與基站、基站與各無線傳感器網絡節點之間的組網通信功能。
3 系統軟件設計
本智能大棚的終端虛擬化控制平臺由Nokia公司Qt開發環境編寫而成。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。整個智能大棚的控制中心軟件由6大部分組成，分別是控制內核模塊、數據庫模塊、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 數據庫的設計
本程序中的數據庫部分負責建立專家系統，用于存放各種植物參數和檢索。考慮到軟件開發的成本問題，本系統采用了MySQL。MySQL是一個快速客戶機／服務器結構的SQL數據庫管理系統，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組成，該系統雖然不是開源的，但可以免費使用。其優點是功能強大，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編程語言可實現對數據庫的訪問。
Qt的QtSql模塊通過數據庫驅動可與不同的數據庫進行通信。創建一個數據庫連接需要做如下三個步驟：激活驅動程序、配置好連接信息和打開連接。整個創建過程可以放在內核模塊的構造函數里。其程序如下：
在內核模塊中，通過QtSql提供的相應API可完成數據庫的讀寫操作。
3．2 PID控制計算
預設定參數可由程序預先設定好，用戶可在主控制界面的“大棚設置”中進行參數修改。現場信號由各個對應的傳感器采集，然后經過量化、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絡傳給各個大棚的控制節點，這些節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，就可以調整各個參數。從而實現一個完整的PID控制。
系統中的偏差e是給定值SP(預設定參數)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；Kc是PID的回路增益；e是PID回路偏差，即專家數據與傳感器采集數據的差；Minitial是PID回路初始值。
為了能夠在計算機中實現PID控制功能，必須對連續的PID控制方程進行離散化操作。即對誤差進行周期采樣，然后經計算輸出。通過對連續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；MX是采樣時刻n-1的積分項(積分項前值)；TD微分時間常數；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絡技術開發的經濟型大棚智能測控系統，是一種集監、控、管于一體的大棚溫室智能化監控設施，其特點是可同時實現幾個、幾十個大棚相關參數的監測控制，并就地顯示及無線組網方式傳輸，實現對水泵、通風扇、燈光等裝置的集中智能控制，以及對溫室環境的智能調節和預報警，從而實現對作物生長環境的智能化控制和溫室作物的科學管理，實現資源的優化配置，以達到作物穩產、高產、高效的現代農業要求。若在系統中增加對太陽能的利用，則可進一步降低對煤、電、油的需求，節省農業投資成本。