智能溫室是在普通日光溫室的基礎上，應用計算機技術、傳感技術、智能控制技術等發展起來的一種高效設施農業技術。隨著智能控制技術、網絡技術和無線通訊技術的廣泛應用，智能溫室監控研究向合理化、智能化、網絡化方向發展[1,2]。齊文新等（2004）[3]研制了分布式智能型溫室計算機控制系統，由中心計算機和單片機組成主從式結構智能控制系統；周國祥等[4]應用無線網絡技術實現了農田水利設施等的遠程監控；左志宇等（2005）[5]將Internet網絡技術應用到溫室環境控制系統中； Roblin P[6]實現了溫室的智能化、自動化。李建軍等[7]介紹了日光溫室番茄長季節生產專家系統的研制方法，以及開發過程。這些系統存在溫室控制功能單一，結構難擴展；價格較貴，難以推廣等缺陷，因此，研究并開發結構合理、成本低、控制方便、適合不同用戶群，集控制、智能決策與無線網絡于一體的智能溫室遠程監控系統具有重要的現實意義。
1 系統結構
在現行的溫室控制系統中，多采用基于PLC的溫室控制系統、集散型控制系統、現場總線控制系統，這些系統操作不便、控制精度低、成本過高，且通信方式不靈活 [2]。為有效解決上述不足，本文采用如圖1所示的上、下位機控制結構。其突出優點是能根據應用需求選擇不同的控制方案，對大型連棟溫室可采用上、下位機結合控制方案；對小規模農家溫室，僅需要選擇下位機系統單獨完成溫室控制。上、下位機采用RS-232串行通信或基于802.11b的無線通信，上位機系統通過Internet與遠端計算機互連，實現溫室環境與設備的遠程監控。
2 下位機設計
下位機位于溫室控制現場，由傳感器、前端控制器和控制設備組成，如圖2所示。主要實現溫室環境數據實時采集、處理與顯示；通過RS-232接口或無線通信模塊，將監測的環境參數傳輸到上位PC機，并接受上位機的控制而產生控制決策；具有脫機運行功能，可在上位PC關機情況下獨立工作，用戶或者專家通過鍵盤預設環境參數及實時采集的環境參數，自主運行下位機決策程序，通過模糊運算產生智能決策，實現溫室模糊智能控制。
2.1 下位機硬件設計
2.1.1傳感器系統設計
根據溫室作物生長特點和環境要求，選擇性價比較優的傳感器，如溫度、濕度、光照、二氧化碳等類型的，設計相應的接口電路，使傳感器采集的信息以0～10mA的電流信號形式輸出，作為前端控制器的輸入。
2.1.2前端控制器設計
前端控制器是監控系統的核心，以單片機應用系統為基礎，外加傳感器輸入接口、控制輸出接口、鍵盤接口以及LED接口電路等組成。選用ATMEL公司的ATmel48單片機系統， ATmel48通用性、可擴展性強、性價比高，內部集成4K的flash ROM及8路10位AD轉換，與傳統8位ADC相比，具有采集精度精確，控制精度更高的特點。
2.1.3通信模塊設計
為滿足不同控制需要，提高通信質量，設計通信子模塊，提供有線通信和無線通信兩種通信方式，方便的實現下位機之間、下位機與上位機的通信。
（1）基于RS-232串行通信 是溫室控制中廣泛采用的通信方式。其特點是電路設計簡單，但抗干擾能力差，容易出錯，且傳輸距離短（最長15m）、傳輸速率低（最高20kbit/s）。因此，基于RS-232串行通信僅適于溫室規模不大、控制可靠性要求不高的情況。
（2）802.11b無線通信 是基于IEEE標準的通信方式。其特點是數據傳送可靠，采用2.4GHz直接序列擴頻，傳輸無須直線傳播，距離長、速率高（最高11Mb/s） [8]。無線通信的設計，主要是通過主控器ATmel48單片機的I/O口，模擬SPI （Serial Program Interface）接口與無線模塊（BGW200）通信。
2.1.4控制設備接口
在下位機的控制過程中，要根據需要對水泵、溫控、光控等設施控制部件的開啟、關閉等。選擇合適的繼電器型號，設計繼電器接口電路，實現前端控制器對機械設備的控制作用。
2.2下位機軟件設計
下位機軟件固化在Flash ROM中，實現對下位機系統統一管理。設計目標：主要實現單片機系統的啟動、狀態檢測、掉電保護；模擬信號的采集、轉換、對照、存儲以及控制信號的輸出；通過模糊算法實現模糊控制；與上位機通信以及通信異常處理；相關環境參數處理與顯示。采用C語言編寫，使用仿真器在線調試，以及無線模塊現場測試。采用結構化程序設計的方法，設計主程序和模糊控制子程序、I/O控制、A/D采樣、時鐘子程序、通信子程序，顯示子程序等。程序采用基于查詢和中斷結合的運行機制。串口以及無線模塊通信采用中斷方式，A/D采集采用查詢方式。
3 上位機系統設計
上位機位于管理室，由PC機組成，是整個系統的管理核心，主要由數據庫管理、通信管理、控制決策生成等功能模塊組成。采用可視化編程語言VB6.0和數據庫管理系統SQL SEVER 2000，實現上位機系統功能和數據管理。
（1）數據庫設計 建立作物生長環境數據庫，設計溫室環境數據表，存儲下位機采集來的溫室現場環境數據；設計溫室歷史數據表，存儲每日平均環境數據；設計溫室控制信息狀態表，存儲溫室設備的開關運行狀態；設計溫室空閑表，存儲溫室種植的作物種類以及作物生長運行時間等；設計專家數據表，存儲各作物生長的專家級數據，為控制決策提供依據。
（2）通信功能設計 基于Internet的遠程通信子程序，應用控件Winsock（在TCP、UDP的協議基礎上）實現；基于RS-232串行通信子程序設計，應用串行通信控件MSComm實現；基于802.11b的無線通信子程序設計，使用SocketWrench控件，發TCP/IP協議包到下位機的BGW200模塊。
（3）控制決策生成 基于智能控制的思想，結合作物生長專家系統采取線性插值、相似度計算等方法，形成控制決策，并通過RS-232串口通信或無線通信模塊傳送到下位機。
4結語
本文是在分析溫室控制現狀、發展趨勢以及存在問題的基礎上，提出一個合理、完整的設計方案，并進行系統研制。經過反復多次改進和完善，智能溫室遠程監控系統如圖3所示。開發過程中多次到溫室現場測試，開發完成后也在我校設施農業專業教學基地試運行。結果表明，系統在實用性、穩定性、可靠性等方面滿足生產實際要求。圖3為溫室系統實物圖，圖4為上位機管理系統實時控制界面，圖5為溫室實時數據采集與管理界面；圖6為查詢溫室內作物生長狀態界面。該系統并在2005年11月楊凌的國際農業高新技術博覽會上展出，受到廣大農戶以及公司的普遍關注。
本文作者創新點：系統各模塊獨立設計，具有較大的靈活性和擴展性；集成無線通信模塊，通信便捷可靠；上位機集成作物生長專家數據庫使控制決策達到了專家級水平；下位機采用單片機系統，結構簡單，同時增設模糊控制模塊，確保了下位機單獨工作時也可實現智能控制。