近年来，温室环境控制在国内外得到了相应的研究和应用。国内现有的智能温室系统硬件大部分从国外引进，国外的系统是经过多年的发展和完善，在技术上是比较成熟与先进的。但在我国的应用中出现了一些问题，如体积大、能耗大、温室降温较差、在我国使用不适应。从经济效益上看，因其设备投资大，运行费用高，普遍亏损。“林木种苗工厂化生产环境控制设备与自动化控制集成应用研究示范”是我们自主开发的智能温室监控系统，该系统对于实现农业精细化、自动化生产，提高农业生产的效率与农产品的质量有一定的促进作用。
系统硬件相关技术指标要求如下：
( 1) 对现场空气温度湿度，土壤基质温度湿度，光照强度进行实时的数据采集、数据信号处理、数据分析。数据采集时延< 3min，数据精度达到10 位，根据农作物实际生长情况，温度控制精度< 3℃，湿度控制精度< 10% RH 。
( 2) 建立使用可扩展的主从控制器通信机制，准确通信距离可达1. 2km。
( 3) 使用可学习、自适应的控制机制，实现精确控制。
( 4) 整套系统可以在0%—100% RH 的湿度范围内可靠使用10 年以上。
( 5) 温度年漂移量< 0. 1℃ ，湿度年漂移量< 1% RH。
1 方案设计和器件选型
1. 1 方案设计
根据项目和具体的技术指标需求，下位通信选用RS - 485 通信协议，RS - 485 是双向、半双工通信协议，符合真正多点通信网络要求，并且它规定在一条单总线( 2 线) 上支持32 个驱动器和32 个接收器。有些RS- 485 收发器可修改输入阻抗以便允许将多达8 倍以上的节点数连接到相同总线。由于性能优异、结构简单、组网容易，多站互连时可节省信号线，便于高速、远距离传送。
为保证温室控制系统可靠性，将系统设计为三级主从控制系统。以ARM 系列单片机为中间主控制器，模块化下位的数据采集和控制单元以便于系统的扩展。上位服务器直接面向网络，保存下位采集数据。选用主控器自带TCP /IP 功能与服务器通信，自带RS485 通信功能连接下位数据采集与控制单元。具体结构如图1 所示。
图1 系统结构图
1. 1.1 采集器功能
( 1) 及时可靠地采集温室现场中温室温度、湿度，土壤温度、湿度，光照强度数据。
( 2) 对数据作初步的采集处理以及两次完全采集存储。
( 3) 接受判别主控制器指令，传递数据。
1. 1.2 控制器功能
( 1) 识别主控制器控制指令。
( 2) 执行控制指令。
1. 1.3主控制器功能
( 1) 测量数据采集和监测
通过485 串口与测量终端通信，收集测量终端监测的温室环境指标。如果终端测量到的数据超出了预设的环境参数指标，由主控制器实现监测报警，提醒观测人员注意温室环境超出指标范围。
( 2) 测量数据存储和传送
把各终端的数据存储于主控制器的外插的SD 卡中，要求能够存储一个月以上的各终端测量数据。也可以通过以太网与任意联入局域网的PC 机通讯，将存储数据传送到PC 机上保存。 ( 3) 以太网通信
主控制器与服务器之间利用以太网通信，选择的主控制器上需要带有以太网接口，实现以太网通信，系统具备TCP /IP 协议栈，能够在TCP 和UDP 协议层上构建应用层网络通信，HTTP 网页服务器功能，TFTP、FTP 文件传输功能。
( 4) 终端控制
主控制器控制测量终端的测量特性，设置环境参数采样间隔，参数指标阈值等。根据检测数据和控制目标及时的完成控制理论计算。向下位控制器发送控制指令。要求主控制器具备现场操控，和远程操控两种操作方式。既可以由现场操作主控制器查看终端测量数据，又可以以主控制器作为WEB 服务器，在服务器提供的网页中显示测量数据，并在网页中加入CGI 功能，用户可以通过网页实现远程控制。
1. 1.4 服务器功能
( 1) 网络示范网站服务器，存储下位采集控制数据炼化完善专家控制系统。
( 2) 与各主控制器的网络通信。
1. 2 传感器选型
依据技术指标需求，选取各传感器件如下所示。
( 1) PTS - 2 环境湿度传感器
供电电压4VDC; 湿度范围0 ～ 100%; 湿度分辨率0. 1% RH; 输出范围1 ～ 4VDC; 准确度± 2% ( T >0℃) ; 稳定性小于1%RH/年工作电压：
( 2) 环境、土壤温度传感器DS18B20
支持“一线总线”接口，测量温度范围为- 55°C ～ + 125°C，在- 10 ～ + 85°C 范围内，精度为± 0. 5°C。
DS18B20 的精度误差为± 2°C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。
适合于恶劣环境的现场温度测量，如： 环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。
( 3) TDR - 3 型土壤水分传感器
TDR - 3 型土壤水分传感器是一款高精度、高灵敏度的测量土壤湿度的传感器。
其技术参数为： 量程： 0 ～ 100% ( m3 /m3 ) ; 精度： 0 ～ 50% ( m3 /m3 ) 范围内为± 2% ( m3 /m3 ) ; 测量区域：
90%的影响在围绕中央探针的直径3cm、长为6cm 的圆柱体内; 稳定时间： 通电后约10 秒; 响应时间： 响应在1 秒内进入稳态过程; 工作电压： 4. 5 ～ 5. 5 VDC，典型值5. 0 VDC; 工作电流： 50 ～ 70mA，典型值60 mA; 输出信号： 0 ～ 2. 5V; 密封材料： ABS 工程塑料; 探针材料： 不锈钢; 电缆长度： 标准长度5m，最大长度20m。
( 4) TBQ - 6 型光照强度传感器
TBQ - 6 型室内光强度传感器采用先进的电路模块技术开发变送器，用于实现对环境光照度的测量，输出标准的电压及电流信号，体积小，安装方便，线性度好，传输距离长，抗干扰能力强。可广泛用于环境、养殖、建筑、楼宇等的光照度测量，量程可调。
其技术参数为： 量程： 0 - 200Klux; 供电电压： 24VDC /12VDC; 波长测量范围： 380nm - 730nm; 输出信号：
4 - 20mA; 精度： ± 5%; 工作环境： 温度﹣30 - 60℃，湿度0 - 90% RH。
1. 3 控制器选型
1.3.1 采集器选择
下位采集器选用C8051F350，理由如下：
( 1) C8051F350 器件是完全集成的混合信号片上MCU 芯片。内部有一个具有在片校准功能的全差分24 位模/数转换器( ADC) 。两个独立的抽取滤波器可被编程到1KHz 的采样率; 可以使用内部的2. 5V 电压基准，也可以用差分外部基准进行比率测量[3]。
( 2) C8051F350 包含一个扩展的中断系统，支持12 个中断源，每个中断源有两个优先级。中断源在片内外设与外部输入引脚之间的分配随器件的不同而变化。每个中断源可以在一个SFR 中有一个或多个中断标志。
( 3) C8051F350 系列MCU 内部有一个SMBus /I2C 接口、一个具有增强型波特率配置的全双工UART 和一个增强型SPI 接口。每种串行总线都完全用硬件实现，都能向CIP - 51 产生中断，因此需要很少的CPU干预。便于和RS485 总线接口通信。
1.3.2 控制器选择
下位控制器选用C8051F310，理由如下：
( 1) C8051F310 具有17 个端口I /O; 均耐5V 电压，大灌电流。被选择作为数字I /O 的引脚还可以被配置为推挽或漏极开路输出。有4 个通用16 位计数器/定时器，与标准8051 的计数器/定时器相比，它具有更强的功能并且需要较少的CPU 干预。每个捕捉/比较模块都可以高速输出或者8 位或16 位脉冲宽度调制器。这些功能保证了作为控制器的有效输出控制继电器[4]。C8051F310 扩展的中断系统向CIP - 51 提供14 个中断源，允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。C8051F310 包含16KB 的FLASH 程序存储器，满足使用。
( 2) C8051F310 系列MCU 内部有一个SMBus /I2C 接口、一个具有增强型波特率配置的全双工UART 和一个增强型SPI 接口。每种串行总线都完全用硬件实现，都能向CIP - 51 产生中断，需要很少的CPU 干预，便于和RS485 总线接口通信。
