溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)通信技術(shù)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(shù)據(jù)接口標(biāo)準(zhǔn)，1983年在RS-422基礎(chǔ)上制定了RS-485標(biāo)準(zhǔn)，增加了多點(diǎn)、雙向通信能力，即允許多個(gè)發(fā)送器連接到同一條總線上，同時(shí)增加了發(fā)送器的驅(qū)動(dòng)能力和沖突保護(hù)特性，擴(kuò)展了總線共模范圍，后命名為T(mén)IA/EIA-485-A標(biāo)準(zhǔn)。楊衛(wèi)中等（2006）[1]開(kāi)發(fā)了基于現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件由上位機(jī)、智能控制器和智能節(jié)點(diǎn)3層組成，采用RS-485總線作為層間通信網(wǎng)絡(luò)。曹洪太等（2006）[2]提出了一種針對(duì)溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)的基于WEB的數(shù)據(jù)采集和信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，從軟、硬件的角度介紹了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。硬件系統(tǒng)通過(guò)RS-485總線與數(shù)字傳感器連接，并與具有聯(lián)網(wǎng)功能的監(jiān)控計(jì)算機(jī)構(gòu)成溫室現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)。韓慧（2012）[3]設(shè)計(jì)了一套能實(shí)時(shí)控制溫室內(nèi)溫度、濕度以及CO2濃度等多參數(shù)的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由一臺(tái)PC機(jī)與多個(gè)下位機(jī)組成主從式分布結(jié)構(gòu)，采用RS-485總線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可實(shí)時(shí)采集各環(huán)境參數(shù)值進(jìn)而進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。楊靖等（2013）[4]設(shè)計(jì)了一種基于RS-485總線和短距離無(wú)線通信方式相結(jié)合的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)；在每個(gè)溫室內(nèi)，由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成一個(gè)測(cè)量單元（網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)），各測(cè)量單位通過(guò)485總線與計(jì)算機(jī)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(wǎng)絡(luò)一般只需二根連線，長(zhǎng)的傳輸距離和多站能力等優(yōu)點(diǎn)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(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)交換，且存在效率低、實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題。
1.2CAN總線CAN總線（ControllerAreaNetwork）即控制器局域網(wǎng)，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。胡真明等（2007）[5]設(shè)計(jì)了基于CAN總線的溫室環(huán)境單片機(jī)測(cè)控系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由上位機(jī)、CAN現(xiàn)場(chǎng)總線、智能測(cè)控節(jié)點(diǎn)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(gè)測(cè)控點(diǎn)，基于CAN總線的優(yōu)越特性、可以將若干個(gè)溫室的測(cè)控點(diǎn)和具有CAN接口的PC機(jī)監(jiān)控站通過(guò)CAN總線連在一起。張穎超等（2009）[6]利用CAN總線的特點(diǎn)和性能優(yōu)勢(shì)，提出基于CAN總線的溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施方案，采用主從方式，通過(guò)CAN總線將每一個(gè)獨(dú)立的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)傳送到上位PC機(jī)進(jìn)行處理；同時(shí)自定義了CAN總線通信協(xié)議，并給出數(shù)據(jù)通信流程。為了提高溫室控制系統(tǒng)的效率、性能和智能化水平，李曉靜等（2010）[7]基于CAN總線，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性、可靠性相對(duì)較好的溫室群控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。張麗紅等（2011）[8]基于CAN總線設(shè)計(jì)了溫室節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)連棟溫室內(nèi)多小區(qū)的灌溉自動(dòng)控制，可集中管理，也可獨(dú)立控制。相對(duì)于RS-485總線，基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì)：①工作于多主方式，無(wú)主從之分，數(shù)據(jù)通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)；②節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響；③通信直接傳輸距離可達(dá)10km/5kbps，掛接設(shè)備數(shù)達(dá)110個(gè)；④報(bào)文為短幀格式，并具有硬件CRC校驗(yàn)，傳輸時(shí)間短，出錯(cuò)率極低。
2無(wú)線通信方式
與有線方式相比，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)是一種以數(shù)據(jù)為中心的自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，具有可快速臨時(shí)組網(wǎng)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可動(dòng)態(tài)變化、抗毀性強(qiáng)、無(wú)需架設(shè)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施等優(yōu)點(diǎn)。常用的無(wú)線通信方式有ZigBee、藍(lán)牙、WIFI以及GSM/GPRS技術(shù)等。
2.1ZigBee技術(shù)ZigBee這一名稱來(lái)源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠飛翔和“嗡嗡”（zig）抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來(lái)與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說(shuō)蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。ZigBee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，工作在2.4GHz的ISM頻段上，符合802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，主要用于近距離無(wú)線連接。運(yùn)用這種技術(shù)將溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的各種電子設(shè)備組成一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而方便快捷地對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)，這將是溫室環(huán)境控制的又一突破，具有重大意義。Zhou等（2007）[9]基于ZigBee技術(shù)，設(shè)計(jì)了一個(gè)溫室監(jiān)控系統(tǒng)，溫室內(nèi)傳感器使用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而溫室與管理系統(tǒng)之間使用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。針對(duì)溫室布線復(fù)雜、擴(kuò)展性差、維護(hù)困難等缺點(diǎn)，江儒秀等（2008）[10]提出基于ZigBee無(wú)線通信技術(shù)的溫室環(huán)境群控的解決方案，采用JN5121-DKl03模塊設(shè)計(jì)了基于ZigBee樹(shù)型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分布式溫室群控系統(tǒng)，并介紹了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。Hwang等（2010）[11]利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)組建立了三層溫室紅辣椒管理系統(tǒng)，傳感器、監(jiān)控相機(jī)等數(shù)據(jù)采集為物理層，傳感器管理、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)等為中間層，WEB應(yīng)用、PDA應(yīng)用等為應(yīng)用層。傳感器包含環(huán)境傳感器和生長(zhǎng)傳感器，環(huán)境傳感器用于采集植物生長(zhǎng)的環(huán)境信息，如照度、溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、CO2濃度、營(yíng)養(yǎng)液EC、pH等；生長(zhǎng)傳感器用于測(cè)量葉溫、莖稈直徑、植株高度、體積等的變化。Park等（2011）[12]開(kāi)發(fā)了基于ZigBee的溫室測(cè)控系統(tǒng)，采集的環(huán)境參數(shù)包括作物葉片溫濕度、環(huán)境溫濕度和露點(diǎn)測(cè)控系統(tǒng)，所有測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，并為遠(yuǎn)程用戶提供查詢服務(wù)。Fukatsu等（2011）[13]采用智能體（Agent）技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與Internet的連接，并開(kāi)發(fā)了基于WEB的農(nóng)田信息監(jiān)控管理系統(tǒng)。陳勇等（2012）[14]提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)灌溉監(jiān)控系統(tǒng)，采用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)地表下植物根部深度土壤含水率進(jìn)行立體監(jiān)測(cè)。應(yīng)用ZigBee技術(shù)，可以通過(guò)無(wú)線傳輸方式實(shí)現(xiàn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)溫室環(huán)境控制器與管控計(jì)算機(jī)的組網(wǎng)和靈活的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，提高了溫室群控系統(tǒng)的可靠性和靈活性，并大幅度降低了成本。
2.2藍(lán)牙通信技術(shù)藍(lán)牙（Bluetooth）技術(shù)是一種無(wú)線數(shù)據(jù)與語(yǔ)音通信的開(kāi)放性全球規(guī)范，其實(shí)質(zhì)內(nèi)容是為固定設(shè)備或移動(dòng)設(shè)備之間的通信環(huán)境建立通用的近距無(wú)線接口，使各種設(shè)備在無(wú)線連接的情況下，能在近距離范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)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(lán)牙無(wú)線通信技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)相結(jié)合用于溫室群控，環(huán)境傳感器與溫室現(xiàn)場(chǎng)控制器之間通信采用藍(lán)牙技術(shù)，而溫室現(xiàn)場(chǎng)控制器與中央監(jiān)控計(jì)算機(jī)的通信使用CAN總線的方式，以提高系統(tǒng)的可靠性、抗干擾性以及靈活性；并以藍(lán)牙芯片EricssonROK101007和CAN總線為例，闡述了基于藍(lán)牙技術(shù)的分布式溫室氣候監(jiān)控系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)方法。Kim等（2008）[16]利用無(wú)線傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)了一個(gè)定點(diǎn)精準(zhǔn)線性移動(dòng)灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與基站的通信,并利用GPS技術(shù)定位灌溉點(diǎn)。黃曉鵬等（2008）[17]設(shè)計(jì)一種基于DSP和藍(lán)牙無(wú)線傳輸技術(shù)的分布式沼氣加熱溫室控制系統(tǒng)，環(huán)境傳感器與現(xiàn)場(chǎng)控制器的通信采用了藍(lán)牙技術(shù)，采用的DSP處理芯片具有CAN總線功能，克服了溫室內(nèi)部管道和線纜布置復(fù)雜以及線纜容易老化、損壞的缺點(diǎn)。賈海政等（2009）[18]基于藍(lán)牙技術(shù)設(shè)計(jì)了一套溫室溫度自動(dòng)檢控系統(tǒng)，測(cè)溫點(diǎn)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)(加熱器、通風(fēng)窗)實(shí)現(xiàn)無(wú)線連接，系統(tǒng)根據(jù)作物不同時(shí)期對(duì)溫度的需求，將溫度控制在適合作物生長(zhǎng)的最適宜溫度區(qū)，使作物快速、高效生長(zhǎng)，提高經(jīng)濟(jì)效益。
2.3無(wú)線WIFI技術(shù)/無(wú)線局域網(wǎng)WLANWIFI（WirelessFidelity）網(wǎng)絡(luò),符合IEEE/802.11b協(xié)議，是由AP（AccessPoint）和無(wú)線網(wǎng)卡組成的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，組網(wǎng)方式較為簡(jiǎn)單，主要優(yōu)點(diǎn)是無(wú)線接入、高速傳輸以及傳輸距離遠(yuǎn)。為管理一組溫室，Serodio等（2001）[19]開(kāi)發(fā)了一個(gè)分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，并將多種技術(shù)用于數(shù)據(jù)通信。在每個(gè)溫室內(nèi)，底層傳感器與控制器的連接采用頻率為433.92MHz的無(wú)線局域網(wǎng)（wirelesslocalareanetwork,WLAN）。Mizunuma等（2003）[20]開(kāi)發(fā)了一個(gè)可以在大田和溫室使用的基于WLAN技術(shù)的作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，他們認(rèn)為遠(yuǎn)程控制策略可以極大提高產(chǎn)量和降低勞動(dòng)量。馬增煒等（2011）[21]設(shè)計(jì)了一套以集成了WIFI功能和ARM內(nèi)核的智能溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)智能溫室內(nèi)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(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),基于一個(gè)低成本W(wǎng)IFI技術(shù)的圖像傳感器，周期性的捕捉和發(fā)送農(nóng)田作物的病蟲(chóng)害信息到遠(yuǎn)程控制站。溫室監(jiān)控系統(tǒng)充分利用現(xiàn)有普及的WIFI網(wǎng)絡(luò)資源，有效地提高了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信距離和覆蓋面積，具有成本低、普及性好、兼容性強(qiáng)、傳輸帶寬、傳輸速度快、標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn)。
2.4GPRS/GSM通信技術(shù)GPRS（GeneralPacketRadioService,通用分組無(wú)線服務(wù)）是一種分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)，具有實(shí)時(shí)在線、按量計(jì)費(fèi)、快捷登錄、高速傳輸、無(wú)距離限制等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用在手持式儀器設(shè)備、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。Mancuso等（2006）[23]在一個(gè)番茄溫室中設(shè)計(jì)了一個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)，采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)空氣溫度、相對(duì)濕度、土壤溫度等進(jìn)行測(cè)量；并開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于WEB技術(shù)的植物監(jiān)控應(yīng)用。當(dāng)測(cè)量快速變化時(shí)，報(bào)警信息就會(huì)通過(guò)短消息服務(wù)（SMS）或GPRS方式發(fā)送到溫室管理者手機(jī)中。孫忠富等（2006）[24]針對(duì)農(nóng)業(yè)對(duì)象具有的多樣性、多變性、以及偏僻分散等特點(diǎn)，提出了一種基于GPRS和WEB技術(shù)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和信息系統(tǒng)方案，將485總線與數(shù)字傳感器連接，并與監(jiān)控計(jì)算機(jī)構(gòu)成溫室現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，利用GPRS無(wú)線通信技術(shù)建立現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)的連接，將實(shí)時(shí)采集信息發(fā)送到WEB數(shù)據(jù)服務(wù)器。李莉等（2009）[25]設(shè)計(jì)一種結(jié)合嵌入式技術(shù)、無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的溫室環(huán)境信息采集與監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)，系統(tǒng)控制終端基于ARM9和嵌入式Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，用于溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的接收、實(shí)時(shí)顯示和存儲(chǔ)，通過(guò)GPRS方式實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程管理中心的通信。張西良等（2010）[26]構(gòu)建了三層次無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，將短距離無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與遠(yuǎn)程GSM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合,以實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程管理計(jì)算機(jī)之間信息高效無(wú)線傳輸。Antonio等（2011）[27]提出了一個(gè)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的農(nóng)田信息的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該檢測(cè)系統(tǒng)由GPRS網(wǎng)絡(luò)與集成檢測(cè)電路構(gòu)成，通過(guò)傳感器和GPRS通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和傳輸，滿足了作物信息實(shí)時(shí)獲取的要求。GPRS通信方式適合遠(yuǎn)距離并且不具備有線網(wǎng)絡(luò)的情況下的數(shù)據(jù)傳輸，采用包交換的優(yōu)點(diǎn)是在有數(shù)據(jù)需要傳送時(shí)才會(huì)占用頻寬，而且可以以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量計(jì)價(jià)，這對(duì)用戶來(lái)說(shuō)是比較合理的計(jì)費(fèi)方式。
3常用通信技術(shù)比較
上述6種作為溫室監(jiān)控系統(tǒng)常用的通信方式各有特點(diǎn)，在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下可以發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，也可以將這6種通信方式進(jìn)行組合，達(dá)到高效、遠(yuǎn)程傳輸?shù)哪康摹３Ｒ?jiàn)的是適合近距離的通信方式和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)腉SM/GPRS結(jié)合，劉士敏等（2013）[28]設(shè)計(jì)了針對(duì)溫室大棚中溫濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度和土壤溫度等參數(shù)的無(wú)線實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，采用WIFI技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，當(dāng)超過(guò)預(yù)先設(shè)定的閾值時(shí)，可以通過(guò)蜂鳴器報(bào)警和GSM短信息報(bào)警。李穎慧等（2013）[29]設(shè)計(jì)了基于ZigBee的營(yíng)養(yǎng)液電導(dǎo)率實(shí)時(shí)測(cè)量自組織網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)系統(tǒng)集成了GPRS模塊，實(shí)現(xiàn)了營(yíng)養(yǎng)液電導(dǎo)率與溫度信息的遠(yuǎn)程傳輸與監(jiān)控等功能。有線通信具有高可靠性、速度快、穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但布線繁瑣、成本較高。無(wú)線通信方式具有設(shè)備移動(dòng)性好、不需或只需少量布線的優(yōu)點(diǎn)，但存在易受環(huán)境影響和延遲較大的不足。從發(fā)展角度而言，WIFI網(wǎng)絡(luò)因具有帶寬較寬、傳輸速度快、兼容能力強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[30]，將會(huì)成為設(shè)施農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控系統(tǒng)重要的信息傳輸方式，也將是溫室信息傳輸技術(shù)的重要研究方向。
4結(jié)語(yǔ)
本文介紹了幾種溫室測(cè)控系統(tǒng)信息傳輸方式，包括有線及無(wú)線傳輸方式，比較了他們的優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。信息傳輸是各種設(shè)施農(nóng)業(yè)信息系統(tǒng)的不可缺少的組成部分，合理的選擇信息傳輸方式對(duì)整個(gè)溫室測(cè)控信息系統(tǒng)起著重要作用。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，各種數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)正在不斷結(jié)合與融合。實(shí)際應(yīng)用中，各種技術(shù)各相互結(jié)合，發(fā)揮各自優(yōu)點(diǎn)。結(jié)合后的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，既充分發(fā)揮各種技術(shù)的突出優(yōu)勢(shì)，又能夠最大程度地發(fā)揮整體效應(yīng)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)特別是無(wú)線WIFI技術(shù)，會(huì)是未來(lái)的發(fā)展重點(diǎn)，將為未來(lái)設(shè)施農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。
作者：林開(kāi)顏吳軍輝司慧萍陳杰單位：同濟(jì)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與工程研究院上海都市綠色工程有限公司