background image

Sensors network in the greenhouse 

 
 

Witold Kopacz 

Wrocław University of Technology  

Wyb. Wyspiańskiego 27 

50-370 Wrocław, Poland 

Students Scientific Association TRAF 

wkopacz@wp.pl

Bartosz Kołodziej 

Wrocław University of Technology 

Wyb. Wyspiańskiego 27 

50-370 Wrocław, Poland 

University of Almería 

Faculty of Computer Computation  

La Cañada de San Urbano  

04120 Almería, Spain 

kolodziej.wroc@gmail.com 

 

 

Abstract 

 

The paper presents an automatic acquisition sensor 

network  which  acquires  environmental  information 
about  weather  conditions  in  the  greenhouse.  The 
network is built on the basis of devices produced by the  
National  Instruments  company.  The  system  was 
designed  at  the  University  of  Almeria  (Spain)  and 
installed  in  Las  Palmerillas  research  center.  It  allows 
to  remote  surveillance  of  the  main  environmental 
conditions  such  as  temperature,  humidity,  global 
radiation 

and 

PAR 

(Photosynthetically 

Active 

Radiation),  the  concentration  of  CO

2

  in  the  building, 

as  well  as  the  transmission  of  information  to  the  data 
storage  device.  It  controls  the  production  process  by 
taking  charge  of  the  yield.  The  system  enables  the 
acquisition of data necessary for the proper regulation 
of control devices, which were designed to regulate the 
internal conditions in the greenhouse according to the 
regime  of  production.  The  information  obtained  from 
the sensors allows the conditions inside the greenhouse 
to maintain independent of external factors.

 

 

1. Introduction 

 

There are many  well known systems  which acquire 

data  from  sensors  in  the  greenhouses  agriculture.  A 
large  part  of  them  is  based  on  the  solutions  invented 
and developed specifically for this type of objects. The 
solutions  adopted  in  greenhouses  are  characterized  by 
their  resistance  to  specific  environmental  conditions, 
such as  high temperature or humidity  and strong  solar 
radiation.  Considerable  number  of  types  of  network 
topologies  and  standards  induces  problems  in  the 
transfer of solutions between different objects. 

An  important  prerequisite  for  success  in  the 

cultivation of greenhouse plants, is appropriate control 
of  acting  devices  which  are  installed  in  a  greenhouse. 
These  include  ventilation  flaps,  solar  curtains,  gas 
burners,  heating  and  equipment  for  the  artificial 
enrichment  of  CO

2

  in  the  atmosphere  of  greenhouses. 

Typically  the PI or PID  controller  are  responsible for 
control  of    those  devices  [1-3].  The  standard  activity 
for  these  types  of  controls  is  to  minimize  the  error  in 
the  steady  state.  The  error  in  steady  state,  is  the 
difference between the current value and a given value 
of some environmental condition. The desired value of 
controlled  variable  results  from  the  regime  of 
production and it is based on experiments carried out in 
multi-center  study  of  plant  cultivation.  To  know  the 
value  of  the  current  environmental  condition,  it  is 
necessary  to  use  sensors  to  measure  the  value  of  the 
examined  parameter  in  suitable  units,  and  then  in  the 
form  of  electrical  signal  (most  often)  send  it  to  the 
controller  and  data  storage  unite.

 

To  transmit  the 

signals  from  sensors  to  controllers  and  data  storage 
devices, it is necessary to use an efficient transmission 
network.  

Our aim is to provide possible solutions to this type 

of  sensor  networks.  This  project  was  executed  in  the 
research  center  Las  Palmerillas  [4],  where  it  has  been 
working since April 2008, It has already presented the 
effectiveness  on  satisfactory  level  for  its  intended 
application. 

 
 

2. Type of acquired data  

 

As  already  been  mentioned,  the  task  of  sensor 

network  in  a  structure,  is  to  obtain  information  about 

background image

the 

current 

environmental 

conditions 

in 

the 

greenhouse.  The  possibility  of  application  an  adaptive 
PI  or  PID  controller  impose  the  necessity  to  collect 
additional 

information 

on 

weather 

parameters, 

monitoring  the  external  conditions  that  have  a  major 
impact on the value of the controller settings in case of 
adaptive  control  [5].  The  information  necessary  to 
determine  the  state  of    the  environment  inside  the 
building include: air temperature, air humidity and the 
concentration  of  CO

2

.  In  addition,  to  ensure 

appropriate  conditions  for  growing  plants,  it  is  also 
essential  to  collect  information  about  the  global  solar 
radiation  and  PAR  radiation,  which  has  the  primary 
influence  on  the  process  of  photosynthesis  in  plants.

  

Selection  of    the  settings  of  PI  and  PID  controller  in 
the  process  of  adaptation  to  external  conditions, 
depends in a large extent on the direction and speed of 
wind  outside  the  greenhouse  [1,2].  Bearing  in  mind 
these  two  groups  of  information  about  the  factors  that 
affect  the  facility,  a network  of  sensors  based  on  both 
the  sensors  inside  the  greenhouse  as  well  as  the 
external weather station was projected and finally built. 

 

3. Types of selected sensors 

 

In framework  the control system implementation is 

based  on  two  level  structure  [5,6,7].  This  is  a  kind  of 
hierarchical  structure,  each  task  is  handled  with  a 
specific control. This kind of structure has been tested 
in  other  types  of  solar  powered  systems,  like  in  the 
PSA 

(Plataforma 

Solar 

de 

Almeria). 

This 

decomposition  can  provide  many  benefits,  such  as 
production  costs  optimization,  or  reducing  the 
possibility  of  human  error.  This  multilayer  control 
structure has been indicated on Figure 1. 

 

 

Figure 1. Multilayer control structure. 

 

The  upper  layer  is  based  on  the  optimal  production 
schedule.  It  adjusts  the  desired  environmental  factors 
to  the  season  and  to  the  type  of  produced  crop.  The 
lower  regulatory  control  layer  is  related  to  the  control 
of internal temperature an humidity. It gets the desired 
internal  conditions  provided  by  the  upper  layer  (the 
Reference  Governor  Unit).  Using  the  PI  control,  it 
actuates  with  the  ventilation,  heating  and  blinds 

correcting  the  transient  disturbances.  To  get  the 
information  about  the  internal  conditions,  it  relays  on 
the data provided by the data acquisition system.

 

The  data  acquisition  system  consists  of  two  basic 

levels: sensor level, and the data transmission network 
level.  Another  part  of  the  system  is  the  controller  and 
the  data  storage  device  based  on  the  PC  computer, 
which  in  the  production  schedule  level.  The 
construction  of  the  system  has  been  indicated  in 
Figure 2. 

 

Figure 2. Acquisition system structure. 

 

In  the  sensor  part  thermometers  combined  with 

humidity  sensors  can  be  highlighted.  They  act  on  the 
basis of the combined EE21-FT6A elements. This level 
also  includes  devices  for  measuring  the  global-type 
radiation  MRG-1P  produced  by  ITC,  the  devices  for 
measuring  radiation  PAR-type  LI-190  produced  by   
Li-Cor,  and  the  CO

2

  concentration  sensor  AU-06 

produced by PRIVA. Acquisition of data on wind speed 
and  direction  is  supported  by  the  03002  sensor, 
produced by the company Young. Signal output for the 
above  sensors  are  electrical  values,  voltage  signal  in 
range  of  0-10V  for  the  measurement  of  humidity, 
temperature,  wind direction, global radiation  and PAR 
radiation,  and  the  current  signal  in  the  standard  range 
of 4-20mA for the measurement of the concentration of 
CO

2

. The measurement of wind speed shall be made by 

counting  pulses  generated  by  the  anemometer  in  one 
second.  Each  sensor  is  powered  by  a  unique  source, 
which  separates  the  device  from  the  electricity 
network. The sensors were placed in the central part of 
the  greenhouse.  This  position  was  chosen  after 
modeling the temperature distribution inside the object. 
It  provides a minimal effect on the temporary outdoor 
conditions which might affect the measurements. Such 
positioning of the sensors will also consider the impact 
of growing plants on the distribution of environmental 
parameters  in  the  object.  Output  signals  from  the 
sensors  are  supplied  by  cable  to  input  devices 
(cFP modules),  processing  the  analog  signal  to  digital 
signal,  and  then  forming  the  data  to  the  standard 
frames  which  can  be  send  using  the  Local  Area 
Network (LAN). 

background image

 

4. Interfacing devices 

 
In  the  interfacing  devices,  the  data  collected  from  the 
sensors  are  transformed  into  a  form  which  will  be 
readable to the controlling program of the greenhouse. 
The idea was to design a wide-use equipment available 
on  the  market  for  industrial  type  PLC.  It  has  been 
decided to use a  modular data acquisition system  type 
CompactFieldPoint 

(cFP

[8], 

produced 

by 

National Instruments.  The  advantage  of  this  system  is 
great potential for expansion and modification, as well 
as  the  possibility  of  cooperation  with  the  LabView  [8] 
program,  in  which  the  program  controlling  the 
greenhouse  was  written.  The  whole  set  consists  of  a 
network  interface  modules  and  input/output  extension 
modules. The module is attached to a network Ethernet 
cable, fitted with a standard RJ45 plug. The voltage or 
current  signal  leads  to  the  I/O  module  through  the 
screw  connectors  slot.  To  launch  the  system  is 
necessary  to      configure  the  module,  and  network 
cards. This can be  done by using the Measurement  & 
Automation  Studio  
[8],  which  is  delivered  by  the 
manufacturer,  along  with  components  of  the  system. 
Since the sensor network was built in two greenhouses, 
it  has  become  necessary  to  apply  the  network  switch. 
Each  greenhouse  has  a  separate  switch,  but  only  this, 
which is located in a greenhouse NAVE7 is connected 
directly  to  a  PC,  which  controls  the  cultivation.  The 
physical  construction  a  diagram  of  sensor  networks  is 
shown in Figures 3 and 4.  

 

Figure 3. Structure of the sensors network in NAVE6. 

 

Figure 4. Structure of the sensors network in NAVE7. 

 

Elements marked on the drawings by the numbers "1", 
"2"  and  "3"  are  the  CompactFieldPoint  network 
modules,  attached  to  the  I/O  cards.  The  module 
number  1 collects the external measurements  from the 
weather  stations(WS):  wind  direction(A),  wind 
speed(W), 

outdoor 

temperature(T), 

humidity(H), 

global  radiation(Glob)  and  PAR  radiation  (PAR  ).  To 
the network interface(cFP1804) are attached extension 
modules  cFP  AI-100  and  cFP  DI-300.  The  module 
number  2 collects the  data describing the environment 
inside  a  greenhouse  NAVE7:  the  concentration  of 
CO

2

(CO2),  temperature(T),  humidity  of  the  air 

inside(H), 

global 

radiation(Glob) 

and 

PAR 

radiation(PAR).  The  network  interface(cFP1804)  is 
supplemented  by  the  input  card  cFP  AI-112.  Module 
number  3  provides  similar  information  on  the 
environment  inside  the  greenhouse  NAVE6,  and  it  is 
also connected to the cFP card AI-112. During the tests 
verifying  the  accuracy  of  the  design  and  assembly, 
some problems related to the  data transportation in the 
LAN  network  between  the  PC  controller  and  the 
various network modules have been found. Thus it was 
decided  to    use  an  redundant  network  switch  in  the 
greenhouse NAVE6, which should improve the quality 
of the signal in the above-mentioned network.  

System  architecture  is  based  on  assigning  to  each 

network interface (CompactFieldPoint 1804) an unique 
IP  address,  which  will  be  identified  in  the  LAN.  In 
addition,  each  I/O  module  is  assigned  a  unique 
identifier  that  allows  to  cooperate  with  the  controller 
written  in  LabView  environment.  In  the  greenhouse 
NAVE6  one  network  interface  module  has  been 
adapted, and in greenhouses NAVE7 two modules, due 
to  the  need  to  collect  information  from  an  external 

background image

weather station. Aggregated elements of the system are 
shown in Table 1.  

Table 1. List of data acquisition modules. 

Type 

Quantity 

Description 

cFP1804 

LAN interface 

cFP AI-100 

Analog input 
module 

cFP AI-112 

Analog input 
module 

cFP DI-300 

Digital input 
module 

 
Due to difficult working conditions and the possibility 
of flooding by chemicals, it was necessary to bring all 
the  elements  of  the  system  together  in  airtight  PVC 
boxes, with the front wall made of transparent material,  
to allow observation of the state of the equipment. 

Module cFP1804 allows to connect to the Ethernet 

standard 10Mb/s or 100Mb/s up to four extension cards 
from  the  cFP  family.  The  module  has  an  RJ45  type 
jack to connect it to a standard 10BaseT or 10BaseTX 
network. During the transmission , the TCP/IP protocol 
is used. 
 

5. Tests and experiments 

 

After  installation  of  the  equipment  in  the  object, 

tests  to  assess  the  operation  of  the  sensors  have  been 
launched.  As  an  experiment  to  test  a  network  of 
sensors, a standard method of identifying the dynamics 
of the system involving the introduction on the entry of 
the  system  a  boost  in  the  form  of  stroke,  and  then 
analyze  the  system  response.  The  impulse  in  the 
present case was the variable position of the ventilation 
flaps, which should result in changes of air temperature 
and  humidity  inside  the  greenhouse,  with  the  speed 
depending  on  the  dynamics  of  the  object.  Changes  in 
these  parameters  should  be  measured  by  sensors  and 
then sent through the network to the controller and the 
data  storage  device.  Data  collected  in  such  way,  may 
be  further  examined  and  analyzed  to  determine  the 
parameters  of  the  system.  Using  the  data  obtained  in 
this experiment, it is possible to assess the operation of 
sensor  networks.  In  particular,  it  may  useful  evaluate 
the dynamics of the sensor network, namely the speed 
of 

their 

response 

to 

changing 

environmental 

parameters  in  which  they  are  located.

 

The  experiment  

was carried out several times with opening (Figure 5), 
and closing (Figure 6) ventilation flaps. The results of 
the measurements in the form of graphs were shown in 
the  figures.  The  results  were  compared  with  the  old 
measurements.  This  comparison  shows  that  the  data 
accuracy  is  good  enough  to  install  the  examined 
system in new greenhouses.   

 

 

Figure 5. Temperature while opening the ventilation. 

 

 

Figure 6. Temperature while closing the ventilation. 

 

During the experiment the outgoing data and results 

of  the  measurements  were  monitored,  as  well  as  the 
condition  of  equipment.  Acquisition  and  storage  of 
data  collected  from  the  sensor  networks  proceeded 
without problems. Results varied in the expected range.  
 

6. Conclusions 

 

The sensor network described in this paper works in 

Las Palmerillas experimental greenhouses for over one 
year. Experiences and the results of cultivation confirm 
its usefulness and reliability. Specific conditions in the 
greenhouse  did  not  cause  any  difficulties.  Archive  in 
Las Palmerillas and the University of  Almeria already 
have  several  hundred  megabytes  of  data  obtained 
through the work of this network. On the basis of these 
materials,  a  mathematical  model  of  greenhouse 
environment  was  developed,  as  well  as  appropriate 
controller was chosen and gained.  Both the model and 
the  controller  are  described  in  work  [2,3].  The 
appropriate  control  of  internal  conditions  in  the 
greenhouse allows the  final  user to reduce the amount 
of  fertilizers  and  pesticides  utilize  during  the 
production.  The  network  of  sensors  and  interfacing 
devices  has  a  modular  design,  which  implicates  the 
possibility  of  further  extension  and  improvement 
activities.  As    it  was  expected,  during  the  work  on 

background image

system design a great help and support, both in online 
resources  as  well  as  in  the  literature  sources  could  be 
found.  It  should  be  noticed  that  communication 
between  remote  sensors  in  two  greenhouses  (NAVE6 
and  NAVE7),  sharing  some  resources  such  as  the 
LAN, and the PC controlling the process of cultivation 
is  still,  after  one  year  of  continuous  operation,  very 
stable.  This  is  important  in  the  perspective  of 
automation  another  similar  greenhouse  by  using  a 
similar  sensor  network  to  the  one  designed  in  2008. 
This new investment is planned for June 2009, and the 
experience  gained  during  previous  work 

will 

significantly  simplifies  the  process  of  designing  the 
system.  

 

7. References 

 
[1] P.G.H. Kamp G. J. Yimmerman, Computerized 
Environmental Control In Greenhouses,
 IPC Plant Ede - The 
Nedherlands, 1996. 
 
[2] Francisco Rodriguez Diaz, Modelado y control jerarquico 
de crecimiento de cultivos en invernadero(in Spanish)

Escuela Politecnica Superior de la Universidad de Almeria, 
2002. 
 
[3] Bartosz Kołodziej, Komputeryzacja szklarni(in Polish)
Politechnika Wrocławska, Wrocław, September 2008. 
 
[4

http://www.laspalmerillas.cajamar.es/Default.htm

La Estación Experimental de la Fundación Cajamar, 
May 2009. 
 
[5] A. Pawlowski, J.L. Guzman, F. Rodríguez, M. Berenguel, 
J. Sánchez, S. Dormido, “Simulation of Greenhouse Climate 
Monitoring and Control with Wireless Sensor Network and 
Event-Based Control”, Sensors, Sensors Editorial Office, 
Basel, Switzerland, January 2009, pp. 232-252. 
 
[6] R. Klempous, J. Kotowski, J. Nikodem, J. Ułasiewicz, 
“Optimization algorithms of operative control in water 
distribution systems”, Journal of Computational and Applied 
Mathematics 84
, Elsevier,  pp. 81-99, 1997. 
 
[7] C.M. Cirre, M. Berenguel, L. Valenzuela, R. Klempous, 
“Reference governor optimization and control of a 
distributed solar collector field”, European Journal of 
Operational Research
 193, Elsevier, 2009.

 

 
[8]

http://www.ni.com/pdf/products/us/2005_6072_161_101_

d.pdf

National Instruments Corporation, 2006.