温室大棚远程智能控制系统研究

摘要： 结合内蒙古河套地区落后的农业结构和目前国内温室大棚实时性差、控制效率低和传输距离短的问题，针对温室大棚的环境提出了一种基于以太网及STM32与CAN总线相结合的远程智能控制系统方案。详细介绍了控制思想和控制系统结构硬件及软件设计。实验表明，采用上述控制系统极大地提高了系统的实时性与可靠性，实现了现场设备、现场操作站与远程控制站通讯的无缝连接，完成了各个执行单元的闭环控制，实现温度、湿度和CO2浓度的自动控制，具有一定的经济效益。

Abstract： Combined with the backward agricultural structure in Hetao area of Inner Mongolia， and the problems of poor instantaneity， low control efficiency， and short transportation distance of domestic greenhouse， aimed at the greenhouse environment， a kind of remote intelligent control system based on Ehternet and integration of STM32 and CAN is proposed. The control thought and control system structure hardware and software design are introduced in detail. According to the experiment， the above control system can improve the instantaneity and reliability of system greatly， realize the seamless connection of communication among the field apparatus， field operation station and remote control station， finish the closed-loop control of each execution unit， and implement the automatic control of temperature， humidity and CO2 concentration. It has certain economic benefit.

关键词： STM32单片机；CAN总线；智能远程控制系统；自动控制

Key words： STM32 SCM；CAN bus；intelligent remote control system；automatic control

中图分类号：S126 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）31-0088-03

0 引言

内蒙古河套地区现代化农业对于温湿度的测量还停留在使用传统的温度计和湿度计上，对于温湿度的控制也停留在传统的加热和灌溉上，并没有实现温湿度的智能控制。CO2浓度和光照强度在传统的温室大棚中不进行测量和考虑，靠人工经验实现。随着科技的进步和单片机技术的发展，由传感器、微控制器、模数转换器等组成智能系统的实现，可以实时准确的进行温湿度、CO2浓度、光照的检测和控制，也可以通过上位机实现数据的控制和分析，这样做既节省了劳动力，也提高了产业化水平，并提高了农作物的产量。本文以国内温室大棚所存在的问题和河套地区温室大棚的情况，以低成本、高性能的高等院校科研使用的32位STM32单片机为主控芯片，结合以太网与CAN总线技术设计了稳定性好、控制精度高的温室大棚远程智能控制系统，并以该控制器为核心搭建以河套地区为特色的大棚智能控制系统，以实现对温湿度、CO2浓度和光照强度相互关联和耦合的控制。

1 工艺原理及主要控制系统介绍

本文以河套地区巴彦淖尔市浩彤农业有限责任公司的蔬菜大棚为研究对象，该厂项目的工艺流程主要包括温湿度系统、光照系统和CO2浓度系统三部分，光照强度控制通过控制外遮阳的卷膜和补光灯实现；温度控制通过内遮阳卷膜、天窗、负压风机、加温电磁阀、固态继电器和加热器实现；空气湿度通过湿帘水泵、负压水泵和天窗的控制，土壤湿度控制滴灌水泵实现，CO2控制通过CO2发生器、负压风机和天窗实现。

2 整体控制方案介绍

由于该厂的项目以手动控制来实现参量控制，所以通过消化该大棚工艺流程基础上提出了自动控制方案。通过现场操作员站或远程控制中心工程师站可以对棚内植物生长所需最佳环境指标进行设定，将设定值（SP）通过以太网传输到STM32控制器，同时控制器通过CAN总线采集现场传感器的过程值（PV）与设定值进行比较和运算得出运算结果（MV），再将结果写入CAN总线去控制现场的执行器。同时远程工程师站和监控站可以实时对现场数据进行监控和备份，现场操作员站也可通过RS-232通讯线实现数据监控。以太网采用双冗余网络，并分别设定1#和2#工程站与操作员站，当1#出现故障时自动切换到2#进行工作。整体控制方案图，如图1所示。

3 硬件设计

3.1 搭建硬件模型

以浩彤公司现有控制系统为背景，进行整个控制系统的搭建，在该大棚的基础上增加各参量的执行器和传感器，以STM32为控制器构成了一个多变量的闭环控制系统，来实现大棚内的各个环境变量的均衡调节。

3.2 控制系统介绍

远程控制系统以STM32控制器为核心，以太网和CAN总线组建实现，对于下位机的底层网络的控制系统的搭建如图2所示。

4 软件设计

对于温度的控制，在开机初始化时，需要将通风循环扇打开，以建立恒定的温度场，采用PID控制的温度控制系统，又存在着正动作与逆动作2种控制方式[4]，对于是正动作还是逆动作通过开机初始化时对设定值与测量值进行比较作出选择，此过程在开机时只执行一次，以决定对温室内的温度进行加热还是冷却。对于湿度、CO2浓度和光照强度都采用比较的方式进行控制，温湿度、CO2浓度及光照强度都设置了上下限报警值，通过人机界面对现场数据进行监控。上述所用传感器内部集成了A/D转换芯片，所以对于软件程序的编写容易实现，软件设计框架如图3所示。

①对STM32控制器进行编程。STM32所有芯片都有bxCAN控制器，支持CAN协议2.0A和2.0B。可以自动接收和发送报文，它的通讯节点由一个CAN控制器和一个CAN接收器组成。对于该项目包括1（主机），节点2（温度）、3（湿度）、4（CO2浓度）、5（光照强度）这四个从节点。工程中用到了GPIO、ADC、USART及CAN外设，主从设备的库文件为stm32f10x_gpio.c、stm32f10x_adc.c、stm32f10x_usart.c、stm32f10x_can.c。对于主从机的区别主要体现在main函数的不同，从机的主要作用是采集数字量，实际中具有同等的地位。工作流程是通过初始化主机，将控制器中的输出值以报文的形式发送到CAN网络，不同的数据对应不同的从机节点，如果从机接受到报文会对主机进行反馈，主机、从机均会在上位机上显示反馈值。同理从机向主机传送数据也是通过报文实现。

②以太网参数设置，将有STM32主机的IP地址设置为192.168.125.50，选择UDP协议，配对开放，本地端口为1200和1201，通信对方IP为192.168.125.51（工程师站）和192.168.125.51（监控站），通信对方端口为1000和1001。

③STM32软件程序的设计。本系统部分程序的功能是在开机初始化时通过比较测量值与设定值的大小，决定PID控制的正、逆动作方式，从而对大棚的温度做出加热或冷却的控制模式。主要包括：系统初始化程序、DS18B20、FDS-100、AM2301、PCF8591、MS4100读写子程序、报警子程序、中断子程序、PWM输出控制子程序、PID算法子程序、计算比较子程序、RS232串口查询式子程序、通信接口子程序、上位机监控界面设计子程序、CAN总线通信子程序等，温度的控制采用增量式PID算法，部分程序如下：

#ifndef _PID_H_

#define _PID_H_

#include "stm32f10x.h"

int pid（int setpoint，int achieved） ；

#endif

/****************C文件********************/

#include "pid.h"

int pid（int setpoint，int achieved）

{

float p=5，i=1，d=0.5；

static float e un=0.0，en=0.0，en1=0.0，en2=0.0；

static int output=0，output1=50；

en=setpoint-achieved；

eun=p*en-i*（en-en1）+d*（en1-en2）；

eun=eun/500；

output=output1+（int）eun；

output1=output；

en2=en1；

en1=en；

return output；

}

④上位机PC组态设计。采用VB组态软件，设计“监控画面”、“实时数据库”、“动画连接”、“设备连接”，通过以太网和STM32以及由CAN总线构成的现场总线网络，实现了在上位机对现场状况的远程实时监控。系统运行如图4所示。

5 结束语

笔者设计了一种基于以太网与CAN总线相结合的远程智能温室大棚控制系统，现场控制采用CAN总线与STM32构建，并采用以太网与STM32构建远程控制系统，实现了现场设备、现场控制室与远程控制中心通讯的无缝连接。现场实践表明，该远程网络系统能够极大的提高系统的稳定性和实时性，所以具有一定的潜在经济效益。

参考文献：

[1]王兴山，李岐强，毕宗宁，等.基于嵌入式系统温室环境远程B/S监控系统设计[J].自动化仪表，2008（29）：39-42.

[2]周长吉.现代温室工程[M].北京：化学工业出版社，2003.

[3]魏丰，潘小虎，曾勇.光纤CAN总线集线器及其组网研究[J].仪器仪表学报，2011（32）.

[4]霍罡，曹辉.可编程序控制器模拟量及PID算法应用案例[M].北京：高等教育出版社，2008.

[5]姜忠良，陈秀云.温度的测量与控制[M].北京：清华大学出版社，2005.

[6]振连山，刘路兴.电阻炉数字控制电路的设计与实现[J].自动化技术与应用，2013-6：85-91.

[7]Visual Basic串口通信与测控应用技术实战详解[M].北京：人民邮电出版社，2007，6.