玻璃温室控制系统设计

1系统整体设计

本系统由无线控制节点、控制分发节点和基地管理平台构成。控制节点完成玻璃温室内加热器、风扇、天窗、遮阳帘和湿帘等多个设备的执行控制。控制分发节点主要由ZigBee协调器和GPRS模块组成:协调器完成ZigBee网络的建立和控制指令的下传;GPRS模块完成协调器和基地管理平台之间的远程通信。基地管理平成控制指令的下发、数据存储、查询和管理。系统组成结构如图1所示。系统运行时，用户在基地管理平台发送控制指令，由GPRS传输到控制分发节点，再由Zigbee网络传输到指定控制节点，实现多路控制设备的启闭，以调节温室环境。

2无线控制节点设计

无线控制节点包含处理器模块、控制模块、电源模块以及串口通信模块。组成框图，如图2所示。2．1处理器模块处理器模块采用TI公司的CC2530单片机作为中央处理芯片。该芯片集成了一个增强型工业标准8051内核和一个符合2．4GHzIEEE802．15．4的RF射频收发模块［12］。CC2530共有21个数字输入/输出引脚，8路输入和12位ADC，2个支持多种串行通讯协议UART，提供101dB的链路质量，具有优秀的接收灵敏度和较强的抗干扰性，其传输距离最远可达到1500m。本模块以ZigBee无线通讯技术接收来自于协调器的控制指令，实时处理之后，通过15个I/O口控制15路设备的启闭，实现对温室环境的调控。2．2控制模块通过单片机I/O口输出高低电平来控制加热器、风扇、天窗、遮阳帘、湿帘等设备的启闭。本系统共可以控制15路设备的开断，每两个I/O口通过一个光耦合器控制两路设备，具体控制电路(以一路为例)如图3所示。由控制电路可知，光耦合器的输入端接P0．4口，输出端Q1接在三极管的基极，继电器线圈作为集电极负载接在集电极和电源之间，继电器线圈两端并联续流二极管，保护三极管集电极端不受损害。当指令为控制设备断开时，Q1输出低电平，三极管截止，继电器线圈无电流流过，继电器释放;当指令为控制设备开启时，Q1输出高电平，三极管饱和导通，继电器线圈有相当的电流流过，从而继电器吸合。2．3电源模块电源模块采用两种供电方式:一是采用5V适配器为控制节点供电，5V输入电源经过AMS1173．3V稳压芯片为CC2530提供稳定的3．3V电压。AMS117芯片是低漏失电压调整器，片内过热切断电路提供了过热和过载保护。二是采用外接12V电源，通过ILM2596－5．0开关电源芯片，将12V电源变为稳定的5V输出，从而为控制节点供电。LM2596系列开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，具有很好的线性和负载调节特性，其输出电压具有可调和固定输出两种方式，本系统中固定输出5V。电源模块电路如图4所示。2．4串口通信模块设计中考虑外接设备及系统功能调试的需要，增加串口通信模块，操作人员可现场通过RS－232串口接口实现控制节点与外接设备之间的通信，从而可现场向控制节点发送指令，控制15路设备的开断。MAX232芯片是专门为电脑的RS－232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5V电源供电。2．5无线控制节点软件设计无线控制节点主要完成信息无线传输以及设备控制功能，软件流程如图6所示。

3控制分发节点

控制分发节点主要由ZigBee协调器和GPRS模块组成，通过RS－232串口连接。3．1ZigBee协调器ZigBee协调器是网络组织的管理者，负责整个网络的建立，子节点信息的存储和汇集，系统运行过程中，控制指令的下发也经由他下达到各个子节点。它和各个子节点之间以ZigBee无线技术进行通讯。协调器软件流程如图7所示。3．2GPRS模块GPRS模块完成ZigBee协调器与基地管理平台之间的数据交换，选用WG－8010－232GPRSDTU，其内置工业级GPRS无线模块，提供标准RS232数据接口，可连接RTU、PLC及工控机等设备。

4基地管理平台设计

基地管理平台实现信息集中处理，包括控制指令的下发和所有无线控制节点数据的汇集、分析、存储和管理，从而实现整个基地控制设备的远程控制。本文开发了基于B/S架构的管理平台，为温室管理人员提供了直观、图像化的人机界面，便于用户进行远程控制。温室管理平台支持用户对每个温室设备进行远程调控，用户选择需要调控设备后，设定控制命令参数，从而在管理室手动发送控制指令，控制指定设备。数据管理和设备管理功能完成设备运行状态、参数，控制设备状态信息的汇聚、分析和显示。

5系统部署与验证

本系统于2013年7月在西北农林科技大学南校区C10号玻璃温室进行运行测试。该温室南北走向，宽4m、东西长7．5m、檐高4m、顶高4．8m，东西两侧装有风机和湿帘，顶部装有遮阳帘，开设天窗，另配有加热器、滴灌等控制设备。图9为部署在温室中的无线控制节点。其中，1号控制端口连接天窗控制器、2号端口连接湿帘控制器、3号端口连接风扇控制器、4号端口连接加热器控制器、5号端口连接内遮阴控制器等。测试过程中，通过在基地管理平台手动发送设备开启控制指令，控制界面如图10所示。当设备支持程度控制时，可输入控制强度参数，10min后发送设备关闭指令，验证命令是否正确执行。以上过程重复操作50次，全部成功。系统已持续运行2个月，发送控制指令171条，与现场控制柜管理的玻璃温室相比，管理效率提高15%以上。由此表明，基地管理平台可有效远程控制温室内加热器、风扇、内遮阴、湿帘、天窗等设备的启闭，从而调节温室环境因子。

6结论

针对玻璃温室采用模块化设计，以CC2530为核心开发无线控制节点，以控制分发节点实现基地管理平台和无线控制节点之间的信息交互，基于B/S结构开发了温室管理软件。试验表明，设备运行功能正常，可在管理室远程调节多个温室内环境，提高设施基地管理效率15%以上，降低了劳动强度，具有广泛的应用前景。

作者：杨小虎 张海辉 王东 张永猛 单位：西北农林科技大学 机械与电子工程学院