溫室環境監控系統通信技術論文范文

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1有線通信方式

1.1RS-485總線RS-485是串行數據接口標準，1983年在RS-422基礎上制定了RS-485標準，增加了多點、雙向通信能力，即允許多個發送器連接到同一條總線上，同時增加了發送器的驅動能力和沖突保護特性，擴展了總線共模范圍，后命名為TIA/EIA-485-A標準。楊衛中等（2006）[1]開發了基于現場總線的分布式溫室自動控制系統，系統硬件由上位機、智能控制器和智能節點3層組成，采用RS-485總線作為層間通信網絡。曹洪太等（2006）[2]提出了一種針對溫室環境監測的基于WEB的數據采集和信息系統設計方案，從軟、硬件的角度介紹了系統的實現方法。硬件系統通過RS-485總線與數字傳感器連接，并與具有聯網功能的監控計算機構成溫室現場監控系統。韓慧（2012）[3]設計了一套能實時控制溫室內溫度、濕度以及CO2濃度等多參數的溫室環境監測系統，由一臺PC機與多個下位機組成主從式分布結構，采用RS-485總線通信網絡進行數據傳輸，可實時采集各環境參數值進而進行遠程控制。楊靖等（2013）[4]設計了一種基于RS-485總線和短距離無線通信方式相結合的溫室環境監控系統；在每個溫室內，由無線傳感器網絡構成一個測量單元（網關節點），各測量單位通過485總線與計算機連接。RS-485接口具有良好的抗干擾性，按其接口組成的半雙工網絡一般只需二根連線，長的傳輸距離和多站能力等優點使其成為首選的串行接口，但是RS-485總線的主從和半雙工的工作方式難以實現各節點之間的數據交換，且存在效率低、實時性差等問題。

1.2CAN總線CAN總線（ControllerAreaNetwork）即控制器局域網，是國際上應用最廣泛的現場總線之一，是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡。胡真明等（2007）[5]設計了基于CAN總線的溫室環境單片機測控系統，系統主要由上位機、CAN現場總線、智能測控節點組成，考慮到一般是幾棟溫室連成一片以及在大型溫室里通常都有若干個測控點，基于CAN總線的優越特性、可以將若干個溫室的測控點和具有CAN接口的PC機監控站通過CAN總線連在一起。張穎超等（2009）[6]利用CAN總線的特點和性能優勢，提出基于CAN總線的溫室監測系統的實施方案，采用主從方式，通過CAN總線將每一個獨立的監測節點連接起來，實時采集數據傳送到上位PC機進行處理；同時自定義了CAN總線通信協議，并給出數據通信流程。為了提高溫室控制系統的效率、性能和智能化水平，李曉靜等（2010）[7]基于CAN總線，設計了一種結構簡單、實用性、可靠性相對較好的溫室群控系統設計方案。張麗紅等（2011）[8]基于CAN總線設計了溫室節水灌溉控制系統，系統能夠實現連棟溫室內多小區的灌溉自動控制，可集中管理，也可獨立控制。相對于RS-485總線，基于CAN總線的分布式控制系統具有以下優勢：①工作于多主方式，無主從之分，數據通信實時性強；②節點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能，總線上其他節點的操作不受影響；③通信直接傳輸距離可達10km/5kbps，掛接設備數達110個；④報文為短幀格式，并具有硬件CRC校驗，傳輸時間短，出錯率極低。

2無線通信方式

與有線方式相比，無線通信網絡是一種以數據為中心的自組織無線網絡，具有可快速臨時組網、拓撲結構可動態變化、抗毀性強、無需架設網絡基礎設施等優點。常用的無線通信方式有ZigBee、藍牙、WIFI以及GSM/GPRS技術等。

2.1ZigBee技術ZigBee這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構成了群體中的通信網絡。ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的無線網絡技術，工作在2.4GHz的ISM頻段上，符合802.15.4標準，主要用于近距離無線連接。運用這種技術將溫室監測系統中的各種電子設備組成一個無線傳感器網絡，從而方便快捷地對溫室環境參數自動監測，這將是溫室環境控制的又一突破，具有重大意義。Zhou等（2007）[9]基于ZigBee技術，設計了一個溫室監控系統，溫室內傳感器使用星形拓撲結構，而溫室與管理系統之間使用網絡拓撲結構。針對溫室布線復雜、擴展性差、維護困難等缺點，江儒秀等（2008）[10]提出基于ZigBee無線通信技術的溫室環境群控的解決方案，采用JN5121-DKl03模塊設計了基于ZigBee樹型網絡拓撲結構的分布式溫室群控系統，并介紹了整個系統的設計方法。Hwang等（2010）[11]利用無線傳感器網絡組建立了三層溫室紅辣椒管理系統，傳感器、監控相機等數據采集為物理層，傳感器管理、數據庫服務等為中間層，WEB應用、PDA應用等為應用層。傳感器包含環境傳感器和生長傳感器，環境傳感器用于采集植物生長的環境信息，如照度、溫度、濕度、風向、風速、CO2濃度、營養液EC、pH等；生長傳感器用于測量葉溫、莖稈直徑、植株高度、體積等的變化。Park等（2011）[12]開發了基于ZigBee的溫室測控系統，采集的環境參數包括作物葉片溫濕度、環境溫濕度和露點測控系統，所有測量數據存儲于數據庫服務器，并為遠程用戶提供查詢服務。Fukatsu等（2011）[13]采用智能體（Agent）技術實現無線網絡節點與Internet的連接，并開發了基于WEB的農田信息監控管理系統。陳勇等（2012）[14]提出了一種基于物聯網的農業灌溉監控系統，采用ZigBee無線通信技術實現對地表下植物根部深度土壤含水率進行立體監測。應用ZigBee技術，可以通過無線傳輸方式實現每個節點溫室環境控制器與管控計算機的組網和靈活的網絡數據傳輸，提高了溫室群控系統的可靠性和靈活性，并大幅度降低了成本。

2.2藍牙通信技術藍牙（Bluetooth）技術是一種無線數據與語音通信的開放性全球規范，其實質內容是為固定設備或移動設備之間的通信環境建立通用的近距無線接口，使各種設備在無線連接的情況下，能在近距離范圍內實現相互通信或操作。其傳輸頻段為全球公眾通用的2.4GHzISM頻段，而且不容易受到外界干擾源的影響。杜輝等（2005）[15]將藍牙無線通信技術和現場總線技術相結合用于溫室群控，環境傳感器與溫室現場控制器之間通信采用藍牙技術，而溫室現場控制器與中央監控計算機的通信使用CAN總線的方式，以提高系統的可靠性、抗干擾性以及靈活性；并以藍牙芯片EricssonROK101007和CAN總線為例，闡述了基于藍牙技術的分布式溫室氣候監控系統的硬件與軟件設計方法。Kim等（2008）[16]利用無線傳感器技術設計了一個定點精準線性移動灌溉系統，該系統采用藍牙技術實現無線傳感器網絡與基站的通信,并利用GPS技術定位灌溉點。黃曉鵬等（2008）[17]設計一種基于DSP和藍牙無線傳輸技術的分布式沼氣加熱溫室控制系統，環境傳感器與現場控制器的通信采用了藍牙技術，采用的DSP處理芯片具有CAN總線功能，克服了溫室內部管道和線纜布置復雜以及線纜容易老化、損壞的缺點。賈海政等（2009）[18]基于藍牙技術設計了一套溫室溫度自動檢控系統，測溫點與執行機構(加熱器、通風窗)實現無線連接，系統根據作物不同時期對溫度的需求，將溫度控制在適合作物生長的最適宜溫度區，使作物快速、高效生長，提高經濟效益。

2.3無線WIFI技術/無線局域網WLANWIFI（WirelessFidelity）網絡,符合IEEE/802.11b協議，是由AP（AccessPoint）和無線網卡組成的無線網絡，組網方式較為簡單，主要優點是無線接入、高速傳輸以及傳輸距離遠。為管理一組溫室，Serodio等（2001）[19]開發了一個分布式數據采集和控制系統，并將多種技術用于數據通信。在每個溫室內，底層傳感器與控制器的連接采用頻率為433.92MHz的無線局域網（wirelesslocalareanetwork,WLAN）。Mizunuma等（2003）[20]開發了一個可以在大田和溫室使用的基于WLAN技術的作物生長監測系統，并實現了遠程控制，他們認為遠程控制策略可以極大提高產量和降低勞動量。馬增煒等（2011）[21]設計了一套以集成了WIFI功能和ARM內核的智能溫室環境控制系統，實現了通過無線網絡對智能溫室內溫濕度、光照和CO2濃度的采集、匯總、顯示和記錄。Otoniel等（2012）[22]提出了一種自動監測系統,基于一個低成本WIFI技術的圖像傳感器，周期性的捕捉和發送農田作物的病蟲害信息到遠程控制站。溫室監控系統充分利用現有普及的WIFI網絡資源，有效地提高了無線網絡的通信距離和覆蓋面積，具有成本低、普及性好、兼容性強、傳輸帶寬、傳輸速度快、標準化等優點。

2.4GPRS/GSM通信技術GPRS（GeneralPacketRadioService,通用分組無線服務）是一種分組數據承載業務，具有實時在線、按量計費、快捷登錄、高速傳輸、無距離限制等優點，廣泛應用在手持式儀器設備、農業物聯網等領域。Mancuso等（2006）[23]在一個番茄溫室中設計了一個監控系統，采用無線傳感器網絡對空氣溫度、相對濕度、土壤溫度等進行測量；并開發了一個基于WEB技術的植物監控應用。當測量快速變化時，報警信息就會通過短消息服務（SMS）或GPRS方式發送到溫室管理者手機中。孫忠富等（2006）[24]針對農業對象具有的多樣性、多變性、以及偏僻分散等特點，提出了一種基于GPRS和WEB技術的遠程數據采集和信息系統方案，將485總線與數字傳感器連接，并與監控計算機構成溫室現場監控系統，利用GPRS無線通信技術建立現場監控系統與互聯網的連接，將實時采集信息發送到WEB數據服務器。李莉等（2009）[25]設計一種結合嵌入式技術、無線傳感器網絡技術的溫室環境信息采集與監測的系統，系統控制終端基于ARM9和嵌入式Linux操作系統進行設計，用于溫室環境數據的接收、實時顯示和存儲，通過GPRS方式實現與遠程管理中心的通信。張西良等（2010）[26]構建了三層次無線傳感器網絡系統，將短距離無線傳感器網絡通信技術與遠程GSM網絡技術相結合,以實現無線傳感器節點和遠程管理計算機之間信息高效無線傳輸。Antonio等（2011）[27]提出了一個基于無線傳感器網絡技術的農田信息的數據采集系統，該檢測系統由GPRS網絡與集成檢測電路構成，通過傳感器和GPRS通信模塊實現數據采集和傳輸，滿足了作物信息實時獲取的要求。GPRS通信方式適合遠距離并且不具備有線網絡的情況下的數據傳輸，采用包交換的優點是在有數據需要傳送時才會占用頻寬，而且可以以傳輸的數據量計價，這對用戶來說是比較合理的計費方式。

3常用通信技術比較

上述6種作為溫室監控系統常用的通信方式各有特點，在不同的應用場景下可以發揮各自優勢，揚長避短，也可以將這6種通信方式進行組合，達到高效、遠程傳輸的目的。常見的是適合近距離的通信方式和遠距離傳輸的GSM/GPRS結合，劉士敏等（2013）[28]設計了針對溫室大棚中溫濕度、CO2濃度、光照強度和土壤溫度等參數的無線實時監控系統，采用WIFI技術的無線傳感器網絡對環境參數進行采集，當超過預先設定的閾值時，可以通過蜂鳴器報警和GSM短信息報警。李穎慧等（2013）[29]設計了基于ZigBee的營養液電導率實時測量自組織網絡，同時系統集成了GPRS模塊，實現了營養液電導率與溫度信息的遠程傳輸與監控等功能。有線通信具有高可靠性、速度快、穩定等優點，但布線繁瑣、成本較高。無線通信方式具有設備移動性好、不需或只需少量布線的優點，但存在易受環境影響和延遲較大的不足。從發展角度而言，WIFI網絡因具有帶寬較寬、傳輸速度快、兼容能力強、抗干擾能力強等優點[30]，將會成為設施農業溫室監控系統重要的信息傳輸方式，也將是溫室信息傳輸技術的重要研究方向。

4結語

本文介紹了幾種溫室測控系統信息傳輸方式，包括有線及無線傳輸方式，比較了他們的優缺點，并提出了未來發展趨勢。信息傳輸是各種設施農業信息系統的不可缺少的組成部分，合理的選擇信息傳輸方式對整個溫室測控信息系統起著重要作用。隨著網絡技術和通信技術的發展，各種數據傳輸技術正在不斷結合與融合。實際應用中，各種技術各相互結合，發揮各自優點。結合后的數據傳輸技術實現優勢互補，既充分發揮各種技術的突出優勢，又能夠最大程度地發揮整體效應。無線網絡特別是無線WIFI技術，會是未來的發展重點，將為未來設施農業的自動化、智能化、網絡化發展奠定基礎。

作者：林開顏吳軍輝司慧萍陳杰單位：同濟大學現代農業科學與工程研究院上海都市綠色工程有限公司