引言
玻璃溫室是指以玻璃為采光材料的溫室，在栽培設施中，其透光率最高，使用壽命最長，適合在多種地區和氣候條件下使用。同時，玻璃溫室也是一個人工農業生產系統，溫室內的環境因子共同影響作物產量與品質，用多種控制設備來調節室內環境，以滿足作物生長最佳要求，提高溫室生產率和利用率。
目前，大部分玻璃溫室采用控制柜實現溫室環境的現場控制，當需要對多個溫室進行調控時，管理員需要對每個溫室手動操作控制柜，存在勞動強度大、效率低等問題。因此，網絡化玻璃溫室群控制系統成為提升溫室管理效率的迫切需求和發展趨勢。
本文以實現多個玻璃溫室中大量設備遠程控制為目標，采用 ZigBee 和 GPRS 技術設計了一套溫室遠程控制系統，管理人員通過基地管理平臺遠程控制溫室各類設備，從而調控溫室小環境。
1 系統整體設計
本系統由無線控制節點、控制分發節點和基地管理平臺構成?？刂乒濣c完成玻璃溫室內加熱器、風扇、天窗、遮陽簾和濕簾等多個設備的執行控制?？刂品职l節點主要由 ZigBee 協調器和 GPRS 模塊組成：協調器完成 ZigBee 網絡的建立和控制指令的下傳;GPRS 模塊完成協調器和基地管理平臺之間的遠程通信?；毓芾砥脚_完成控制指令的下發、數據存儲、查詢和管理。系統組成結構如圖 1 所示?！緢D1】
系統運行時，用戶在基地管理平臺發送控制指令，由 GPRS 傳輸到控制分發節點，再由 Zigbee 網絡傳輸到指定控制節點，實現多路控制設備的啟閉，以調節溫室環境。
2 無線控制節點設計
無線控制節點包含處理器模塊、控制模塊、電源模塊以及串口通信模塊。組成框圖，如圖 2 所示?！緢D2】
2． 1 處理器模塊
處理器模塊采用 TI 公司的 CC2530 單片機作為中央處理芯片。該芯片集成了一個增強型工業標準8051 內核和一個符合 2． 4GHz IEEE802． 15． 4 的 RF射頻收發模塊。CC2530 共有 21 個數字輸入/輸出引腳，8 路輸入和 12 位 ADC，2 個支持多種串行通訊協議 UART，提供 101dB 的鏈路質量，具有優秀的接收靈敏度和較強的抗干擾性，其傳輸距離最遠可達到1 500m。本模塊以 ZigBee 無線通訊技術接收來自于協調器的控制指令，實時處理之后，通過 15 個 I/O 口控制 15 路設備的啟閉，實現對溫室環境的調控。
2． 2 控制模塊
通過單片機 I/O 口輸出高低電平來控制加熱器、風扇、天窗、遮陽簾、濕簾等設備的啟閉。本系統共可以控制15 路設備的開斷，每兩個 I/O 口通過一個光耦合器控制兩路設備，具體控制電路\\( 以一路為例\\) 如圖3 所示?！緢D3】
由控制電路可知，光耦合器的輸入端接 P0． 4 口，輸出端 Q1 接在三極管的基極，繼電器線圈作為集電極負載接在集電極和電源之間，繼電器線圈兩端并聯續流二極管，保護三極管集電極端不受損害。
當指令為控制設備斷開時，Q1 輸出低電平，三極管截止，繼電器線圈無電流流過，繼電器釋放; 當指令為控制設備開啟時，Q1 輸出高電平，三極管飽和導通，繼電器線圈有相當的電流流過，從而繼電器吸合。
2． 3 電源模塊
電源模塊采用兩種供電方式: 一是采用 5V 適配器為控制節點供電，5V 輸入電源經過 AMS117 3． 3V穩壓芯片為 CC2530 提供穩定的 3． 3V 電壓。AMS117芯片是低漏失電壓調整器，片內過熱切斷電路提供了過熱和過載保護。二是采用外接 12V 電源，通過ILM2596 －5． 0 開關電源芯片，將 12V 電源變為穩定的5V 輸出，從而為控制節點供電。LM2596 系列開關電壓調節器是降壓型電源管理單片集成電路，具有很好的線性和負載調節特性，其輸出電壓具有可調和固定輸出兩種方式，本系統中固定輸出 5V。電源模塊電路如圖 4 所示?！緢D4】
2． 4 串口通信模塊
設計中考慮外接設備及系統功能調試的需要，增加串口通信模塊，操作人員可現場通過 RS－232 串口接口實現控制節點與外接設備之間的通信，從而可現場向控制節點發送指令，控制 15 路設備的開斷。
MAX232 芯片是專門為電腦的 RS －232 標準串口設計的單電源電平轉換芯片，使用+5V 電源供電?！緢D5】
2． 5 無線控制節點軟件設計
無線控制節點主要完成信息無線傳輸以及設備控制功能，軟件流程如圖 6 所示?！緢D6】
3 控制分發節點
控制分發節點主要由 ZigBee 協調器和 GPRS 模塊組成，通過 RS－232 串口連接。
3． 1 ZigBee 協調器
ZigBee 協調器是網絡組織的管理者，負責整個網絡的建立，子節點信息的存儲和匯集，系統運行過程中，控制指令的下發也經由他下達到各個子節點。它和各個子節點之間以 ZigBee 無線技術進行通訊。協調器軟件流程如圖 7 所示?！緢D7.略】
3． 2 GPRS 模塊
GPRS 模塊完成 ZigBee 協調器與基地管理平臺之間的數據交換，選用 WG－8010－232 GPRS DTU，其內置工業級 GPRS 無線模塊，提供標準 RS232 數據接口，可連接 RTU、PLC 及工控機等設備。
4 基地管理平臺設計
基地管理平臺實現信息集中處理，包括控制指令的下發和所有無線控制節點數據的匯集、分析、存儲和管理，從而實現整個基地控制設備的遠程控制。本文開發了基于 B/S 架構的管理平臺，為溫室管理人員提供了直觀、圖像化的人機界面，便于用戶進行遠程控制。
溫室管理平臺支持用戶對每個溫室設備進行遠程調控，用戶選擇需要調控設備后，設定控制命令參數，從而在管理室手動發送控制指令，控制指定設備。數據管理和設備管理功能完成設備運行狀態、參數，控制設備狀態信息的匯聚、分析和顯示。
5 系統部署與驗證
本系統于 2013 年 7 月在西北農林科技大學南校區 C10 號玻璃溫室進行運行測試。該溫室南北走向，寬 4m、東西長 7． 5m、檐高 4m、頂高 4． 8m，東西兩側裝有風機和濕簾，頂部裝有遮陽簾，開設天窗，另配有加熱器、滴灌等控制設備。圖 9 為部署在溫室中的無線控制節點。其中，1 號控制端口連接天窗控制器、2 號端口連接濕簾控制器、3 號端口連接風扇控制器、4 號端口連接加熱器控制器、5 號端口連接內遮陰控制器等。測試過程中，通過在基地管理平臺手動發送設備開啟控制指令，控制界面如圖 10 所示。當設備支持程度控制時，可輸入控制強度參數，10min 后發送設備關閉指令，驗證命令是否正確執行。以上過程重復操作 50 次，全部成功。系統已持續運行 2 個月，發送控制指令 171 條，與現場控制柜管理的玻璃溫室相比，管理效率提高 15% 以上。由此表明，基地管理平臺可有效遠程控制溫室內加熱器、風扇、內遮陰、濕簾、天窗等設備的啟閉，從而調節溫室環境因子?！緢D8.圖9略.圖10】
6 結論
針對玻璃溫室采用模塊化設計，以 CC2530 為核心開發無線控制節點，以控制分發節點實現基地管理平臺和無線控制節點之間的信息交互，基于 B/S 架構開發了溫室管理軟件。試驗表明，設備運行功能正常，可在管理室遠程調節多個溫室內環境，提高設施基地管理效率 15% 以上，降低了勞動強度，具有廣泛的應用前景。
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