基于Arduino与组态王的智能温室大棚监控系统设计
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摘 要：为解决传统温室大棚智能化水平不足、经济效益低下等问题，设计了一套由微控制板和组态软件组成的智能温室大棚监控系统。该系统将Arduino控制板作为下位机，其由传感器、传输模块和继电器模块组成，可实现对大棚内各项环境因素的实时监测、有效传输与调控。将PC机作为上位机，利用组态王6.55组态软件设计人机交互组态界面，接收下位机传输的数据，并显示实时数据和变化曲线，同时将数据存入数据库中，结合软件自带报警控件，发送指令至下位机，对棚内环境进行调控。实验表明，该系统可以很好地完成监测调控功能，使棚内各项环境因素能够保持在合适范围内，一定程度上提高温室大棚的自动化水平和农作物产量，提高经济效益。
关键词：智能大棚;传感器;Arduino;组态王6.55;数据库;MAX485
中图分类号：TP39;S24 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2020）07-00-03
0 引 言
传统温室大棚内的空气温湿度、光照强度、土壤湿度等均为人工测量或凭经验判断，存在低效且测量不准确的问题。同时，对于棚内作物生长因素的调控是由人工进入现场操作，调控程度缺少统一标准。另一方面，虽然当下智能大棚发展迅速，已经有多种类型的大棚监控系统，但大多成本较高，不易推广。为提高大棚的自动化水平[1]，实现增产增收，研发了一种由上位机、下位机和传感器组成的可实时采集、直观显示与调控的智能温室大棚监控系统，使用传感器监测大棚内部各项环境因素。下位机控制传感器和继电器工作，并将数据传输至上位机，接收上位机发送的控制指令。上位机接收数据，进行显示、报警、发送控制指令、数据存入数据库等操作，管理者足不出户就可以查看大棚内的情况，对大棚进行管理。这套系统成本相对较低，易于使用与维护[2]。
1 智能温室大棚监控系统总体设计
系统的总体设计框架如图1所示。底层数据采集由DHT11温湿度传感器、光敏电阻传感器和土壤湿度传感器实现，组成了系统的感知层，将实时监测大棚内的温湿度、光强和土壤湿度。传感器与Arduino从机组成采集模块，由从机获取数据并通过MAX485模块将数据传送至主机。Arduino主机与PC机相连，组态王通过PC机上的串口与主机进行串口通信，获取采集的数据，在组态王软件中通过一系列函数转换，将数据进行综合处理，使其能在组态王界面上显示与操作，并根据科学实验设定各变量的报警值。当环境因素不在合理范围内时，发送指令至从机，对继电器进行控制，打开或关闭相应设备[3]。同时，该系统实现了组态王6.55与Access数据库连通，可将数据以自动或手动方式存入数据库，之后可随时从数据库中调出进行分析利用。
2 系统硬件设计
2.1 主控模块
主控模块以Arduino Mega256为核心控制板，它是基于Atmega2560处理器的微控制板，有54路数字输入/输出端，16路模拟输入端，4路UART接口，256 KB的FLASH，
8 KB的SRAM，一个16 MHz的晶振器，一个ICSP Header，只需简单地配合USB数据线连接电脑或者交直流变压器即可使用[4]。
2.2 传感器检测模块
（1）采用DHT11温湿度传感器采集棚内空气温湿度，具有成本低、相对湿度和温度一体测量、响应快、抗干扰能力强、信号传输距离长、数字信号输出、精确校准等特点，其湿度测量范围为20%RH～95%RH，温度测量范围为0～50 ℃，
基本满足大棚内温湿度测量要求。该传感器包括1个电容式感湿元件和1个NTC测温元件，可与Arduino微处理器实现单总线双向串行传输[5]。
（2）采用G5516光敏电阻传感器采集棚内的光强。G5516采用比较器输出，信号干净，波形好，驱动能力强，电流超过15 mA。工作电压为3.3～5 V，有两种输出形式：DO数字开关量输出（0和1）和AO模拟电压输出，模拟电压输出的数值范围为0～1 023。
（3）YL69土壤湿度传感器实现采集土壤湿度功能，比较器采用LM393芯片，工作电压为3.3～5 V，较稳定，具有数字和模拟两种输出形式。该传感器两极采用铜箔，表面镀镍防止生锈，以提升导电性能并延长传感器寿命[6]。
2.3 传输模块
（1）Arduino模块与PC机之间的通信通过USB数据线实现，USB数据线为Arduino模块提供了一个虚拟串口，使其可与PC机进行串口通信，需要注意的是Arduino控制板中的数据以串行传输的方式传送至电脑，可以大幅降低信息传输的出错率。
（2）从机和主机之间采用MAX485模块实现RS 485串行通信，用于主从机之间相互传送信息。RS 485传输的优点是使两设备可以进行长距离、高速率数据传输，同时避免受到噪声干扰。
2.4 执行器控制模块
输出控制模块主要由继电器、加热板、风扇、补光灯和水泵组成，将这些执行器与继电器上的NO（常开）和COM（公共端）相連，当继电器收到Arduino控制板发来的置高电平命令后，NO端闭合，相应执行器工作[7]。
3 系统软件设计
3.1 Arduino下位机程序设计
Arduino下位机进行温室大棚环境数据的采集、传输以及接收组态王发送的指令，控制相关执行器开闭。数据采集部分通过程序读取所测空气温湿度、光强以及土壤湿度，由于测得的光强和土壤湿度均为模拟电压值，所以需通过转换程序将模拟电压值转换成百分比形式，然后与空气温湿度共同输出到串口。同时还需读取组态王发送到串口的字符并判断，令相应继电器工作[8]。数据采集流程如图2所示，数据采集部分程序如图3所示。
3.2 基于组态王的上位机组态界面设计 在组态王中定义外部设备，选择对应的COM口，按照设备配置向导的提示确定生产厂家、设备名称和通信方式。在数据词典中定义变量，主要涉及I/O字符串、内存字符串、内存整数和内存实数。创建并设计画面，将相关控件与变量进行动画连接，建立人机交互界面。其中需建立如下4个组态画面，实现相应功能。
（1）大棚监测画面：以仪表的形式显示所采数据，并自动绘制环境因素实时趋势曲线。
（2）历史趋势曲线画面：此画面可对大棚内的环境因素进行历史曲线分析。
（3）报警与操作画面：按照设定好的数据范围实现动态报警，并在此画面中发送指令到Arduino Mega2560，控制相应继电器，调节棚内环境[9]。
（4）数据库操作画面：实现组态王与Access数据库的连接，将数据通过手动或自动方式存入数据库，且可实时调出，以报表形式显示、打印或保存为Excel表格[10]。
4 测试结果分析
为验证系统的可靠性，在温室大棚内进行验证。将上述程序烧录进Arduino Mega2560控制板后，对大棚内的环境条件进行测量，将采集到的数据以I/O字符串形式传输至组态王并由其内部函数进行处理，在大棚监测画面上显示，如图4所示（其中左边大棚图片仅为背景图，后期会在该处显示摄像头上传的大棚实时画面）。在历史趋势曲线画面内，调用组态王内置的历史趋势曲线控件，自动完成各环境变量的历史趋势曲线的绘制，记录一段时间内环境因素的变化趋势。在报警与操作画面内，根据实际情况设置报警阈值，当高于或低于阈值时报警，然后管理人员根据报警提示进行控制操作。在数据库操作界面，组态王与Access数据库连接，通过组态王内部函数实现默认自动存储数据到数据库，也可手动将数据存入数据库，并通过数据库报表控件对数据库进行查询/条件查询、打印报表等操作，如图5所示。经过多次实验测试与改进后，系统的可靠性有了一定保障，基本可满足智能温室大棚的需要。
5 结 语
本系统的创新点在于将Arduino平台与组态王相结合并应用于温室大棚监控，实现有效的数据采集与传输，并通过反馈机制进行控制，同时利用数据库技术可实现对数据的
二次利用。借助有线传输的形式，可在一定距离内实现对大棚的远程管理。系统无论硬件或软件，成熟度较高，操作简单易上手，便于后期维护。实验证明，该系统运行稳定、可靠，具有一定的推广价值。
参考文献
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[2]唐志国，文昊，苏中南，等.基于单片机和组态王的智能温室大棚集散控制[J].吉林大学学报（信息科学版），2017，35（5）：513-518.
[3]朱薪豪，候艳艳，单承刚，等.智能农业大棚系统的设计与实现
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[9]杨红.组态王与单片机通讯控制流水灯[J].清远职业技术学院学报，2017，10（5）：44-47.
[10]李江全.組态软件KingView从入门到监控应用50例[M].北京：电子工业出版社，2015.
作者简介：李守晓（1985—），男，山东烟台人，博士，天津农学院讲师，主要研究方向为电学成像系统的软、硬件设计。
李秋立（1998—），男，河南信阳人，本科，主要研究方向为物联网技术应用。
梁兵兵（1998—），男，甘肃平凉人，本科，主要研究方向为物联网技术应用。
李皖（1999—），女，贵州贵阳人，本科，主要研究方向为物联网技术应用。
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