引言
在我國大力發展設施農業的今天，各種研究和技術不斷地涌現出來; 而棚室經濟是設施農業發展的主要方面，尤其是在寒冷地區。寒冷地區氣候條件和土壤環境等受季節的局限與制約較大，要大力發展棚室經濟就必須要實現溫室大棚的智能控制與監測。智能控制與監測的目的是監控農作物在生長階段的主要影響因素，如溫室大棚中的溫度、空氣濕度、土壤濕度、光照強度和二氧化碳濃度等; 并以監控的數據作為控制溫室的環境，使溫室大棚的環境適合農作物的生長條件，達到農作物快速、優質生長的目的。棚室的智能控制是當前該領域的關鍵問題和研究熱點。
目前，設施農業中溫室大棚的監控系統主要分為兩種: 一是采用終端模式形成的監控系統，主要 1 臺計算機和多個終端處理設備構成，每個終端用來監控溫室大棚中 1 個影響因素。由于這種模式采用獨立的終端實現監控，所以具備靈活性好的特點; 但也造成了高額的成本及較大的電量消耗，并降低了整體監控系統的可靠性。二是以單片機作為控制單元的監控系統。但是，僅僅使用單片機構成的系統所能夠實現的功能簡單，很難形成良好的人機界面，無法廣泛使用。隨著科技的發展，基于嵌入式開放的系統被大量研究和應用?；谇度胧降拈_發主要有兩種方式: 一是基于 Linux 操作系統的嵌入式開發; 二是基于 WinCE 的嵌入式開發。兩種開發方式各有優缺點: Linux 網絡資源豐富，但開發需要的周期比較長，并且不具備非常良好的用戶圖形界面; 基于 WinCE 的開發具備豐富的圖形用戶界面，相較 Linux 而言更適用于基礎應用層的開發。經過分析及研究以上各類控制系統和開發平臺的優缺點，筆者設計了一種嵌入式監控平臺。該平臺采用基于 Xscal+WinCE6． 0 的AＲM 開發平臺進行開發，通過組建無線傳感器網絡實現溫室大棚的數據采集和溫室大棚內部各種因素的智能移動監控。
1 基于嵌入式的硬件設計
1． 1 系統結構設計
基于嵌入式的寒地棚室智能監測平臺是由上位機和下位機兩部分構成: 上位機主要包括一個基于Xscale－WinCE 嵌入式平臺的硬件環境及用戶界面的應用程序，二者集成在一個相對較小的便攜式移動設備中并具備較好的用戶圖形界面，方便為用戶提供分析和顯示監控的數據; 下位機主要為溫室大棚的監控信號的數據采集系統，由超低功耗的 TI—MSP430 芯片與大量傳感器所構成的傳感器網絡所構成。溫室大棚中所安裝的傳感器為無線傳感器，以實現移動的智能監控。傳感器接收到的現場數據將連接到下位機的信號調度部分，通過 AD 轉換并由 MSP430 單片機芯片打包后經過串口發送到上位機。監控平臺的結構設計如圖 l 所示，具體實施方案如圖 2 所示。
1． 2 嵌入式系統驅動和應用程序的開發
基于嵌入式的 WinCE 系統開發可以分為兩個步驟。第 1 步是在計算機上的模擬編譯環境中進行開發，而后將已經經過模擬運行的軟件轉移到目標機上進行調試，并生成最終的在目標機上運行的程序。第2 步是系統驅動程序的開發。驅動程序是連接底層的硬件和上層的 API 函數的紐帶，而圖形用戶系統是由顯示模型接口程序、窗口模型接口程序和用戶模型程序共同組成的。在編寫驅動程序之前，需要明確嵌入式內核程序的基本功能。編寫的設備驅動程序應具有以下功能: ①對設備初始化和釋放; ②把數據從內核傳到硬件和從硬件讀取數據; ③讀取應用程序傳遞給設備文件的數據和回送應用程序請求的數據; ④檢測和處理設備出現的錯誤。平臺的應用程序部分功能及與功能模塊的關系如圖 3 所示?！緢D1-3】
2 傳感器網絡的設計
寒地棚室智能監測平臺將影響農作物生長的 6種環境因素作為參數進行數據采集，采集是通過構建傳感器網絡而實現的。所創建的無線傳感器網絡一般由 3 部分構成，分別為無線傳感器節點、網絡協調器和中央控制節點。大量傳感器節點被隨機部署在溫室內部，構成網絡。傳感器節點監測的數據沿著其他傳感器節點逐跳地進行傳輸，在傳輸過程中監測數據可能被多個節點處理，經過多跳后路由到網絡協調器，最后到達中央控制節點。
2． 1 無線傳感器網絡通信的實現
該平臺的傳感器網絡通信將采用已經非常成熟，并形成統一標準的技術進行實現。ZigBee 屬于一種開放式的、短距離的無線通信協議。寒地棚室智能監測平臺將采用智能化的設計實現基于 ZigBee 協議棧的無線傳感器網絡進行了空氣溫度、空氣濕度等影響溫室作物生長因素的監測。
在設計中，每種節點都需要設置多個同類型傳感器，具體數量依據溫室的面積進行指定; 通過傳感器控制處理器來接收從 ZigBee 無線通信模塊中發送數據的請求標志時，將各種參數數據通過串口方式傳輸數據。
2． 2 傳感器網絡各節點的設計
針對空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照強度及二氧化碳濃度等環境參數在溫室大棚的適當位置設置相應的無線傳感器，每個傳感器作為傳感器網絡中的一個節點，每個節點向監測平臺傳送采集來的數據。傳感器網絡節點的結構如圖 4 所示?！緢D4】
2． 2． 1 空氣溫、濕度監測節點
空氣的溫、濕度是影響農作物生長的最基本的要素之一，其會通過影響酶的活性而直接影響農作物的生長、開花等各項生理性活動。所以，針對空氣溫、濕度的監測對控制作物生理性活動將有著重要而直接的影響。
節點傳感器既可以選擇溫、濕度分別采集的傳感器作為兩個節點，又可以選擇溫濕度一體采集的傳感器作為 1 個無線采集節點。一般情況下，溫室大棚溫度上限不高于 120℃，所以選擇溫度在－40 ～ 120℃ 測量區間、濕度穩定性小于 1% ＲH/年的溫濕度傳感器。
該節點的設計不僅可以測量空氣溫度，而且能夠測量空氣濕度。在寒地棚室智能監測平臺的設計中，由無線空氣溫濕度傳感器與定時器構成了空氣溫濕度測量電路。
2． 2． 2 土壤溫度及濕度監測節點
農作物生長過程中，土壤的濕度與溫度對其水分的供應情況有著直接的影響。土壤濕度或溫度一旦超出正常值的區間，農作物將不能正常進行光合作用，會造成農作物的根部呼吸不暢，基本生長性活動將會受到明顯影響，隨之而來的就是農作物的產量和品質的下降。
對于土壤溫濕度測量，寒地棚室智能監測平臺將采用 LC－TWS 型土壤溫濕度傳感器對土壤水分進行指定地點的周期性監測。該型號的傳感器可以實現溫度與濕度同時測量，且互不影響，還可以與智能手持式儀表配合使用，符合寒地棚室智能監測平臺的設計要求。
2． 2． 3 光照強度監測節點
光照強度也是影響著農作物的生長發育的關鍵因素之一。一個溫室大棚的光照條件直接決定這個溫室是否符合農作物的生長條件，尤其是在反季節種植中將會對農作物的生長情況、包含的營養元素等作物品質等造成直接的影響。如果光照條件適宜，將會對作物葉片的排列與形態結構等特征的優化有明顯的作用。
寒地棚室智能監測平臺將采用的是 ZD－AC 型光照傳感器，對弱光也有較高靈敏度，并且能夠丈量以lux 為單元的照明光; 無線傳輸時具備傳輸間隔長的特性，對抗外界干擾的能力也很強。
2． 2． 4 二氧化碳濃度監測節點
光合作用是所有農作物得以延續生命活動的最重要保證，是農作物獲得生存能量、保證正常生長發育的物質基礎。由于棚室屬于封閉環境，需要保證農作物生長條件中 CO2濃度符合農作物進行光合作用條件，進而提高作物進行光合作用的效率，促進作物有機物的合成，從而提高農作物果實的品質。因此，寒地棚室智能監測平臺采用了一種高質量的 VC1008T紅外二氧化碳傳感器。
在設計該節點電路時，采用了如下幾種方式來提高電路的抗干擾能力: 一是將數字、模擬兩種電路分開，并且在中間連接處放置磁珠; 二是通過添加小容量電容的方法去除芯片內部信號對電源的干擾，電容一般會放置在芯片接近電源和地的位置; 三是通過放置較大容量的充放電電容以去除瞬間大電流對電路的影響。使用這 3 種方法在提高干擾能力的同時也保證了信號源的穩定性。
3 智能移動監控平臺的設計實現
平臺軟件部分的設計采用了基于多 Agent 的智能化設計思想。采用該方法的主要目的: 一是為了平臺能夠適應日后技術及需求的發展，即增強平臺的可擴展性; 二是為了使平臺具有通用性和自適應性。平臺的監測功能既可以應用在溫室大棚中、田間作業上，又可以進一步擴展到其他需要監測乃至需要做出智能診斷的領域。
平臺的多 Agent 組主要包括數據管理 Agent、數據傳輸 Agent、數據顯示 Agent 以及數據實時監測 Agent。
其中，數據傳輸 Agent 主要負責將傳感器采集的數據寫入數據庫，并能夠實現定時獲取從傳感器節點傳輸來的數據值，如每 10s 或 20s 獲取 1 次空氣溫濕度、二氧化碳濃度等數據值。數據庫中存放的數據將作為數據管理 Agent 以及日后的問題查詢的支撐數據。數據顯示 Agent 將實現數據在窗口中的顯示，并將監測結果使用儀表控件進行顯示。數據實時監測 Agent 的處理將采用兩種方式: 一是系統定制好各參數的正常區間。如果參數的值偏離了正常區間的話，按照設計好的公式進行計算，并將結果顯示在界面中。二是為繪制實時監控曲線的方式進行實時監測。例如，將每小時讀 1 次的參數值繪制成曲線，1 個參數 1 條線。
通過曲線的實時繪制可以很直觀地觀察出各參數的實時變化形態，并由此判斷出溫室大棚的實時狀態。
4 結語
本文設計的溫室智能監控平臺是以嵌入式開發技術為基礎并結合了無線傳感器網絡的智能監控平臺。同時，以 WinCE 為操作系統，開發了平臺的驅動程序和應用程序。在軟件設計部分，采用了基于多Agent 的智能化設計思想，增強了平臺的可擴展性和自適應性，實現了溫室大棚的農作物生長過程中各種要素的監測。
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