李 鵬，馬亞勤*，方云強，賴名浪

（1.廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術大學，廣西南寧 530007；2.廣西建匯汽車銷售服務有限公司，廣西南寧 530007）

0 引言

通過溫室大棚技術，人們可以一年四季享用到新鮮的果蔬和漂亮的花卉，但是這些溫室作物的生長發(fā)育依舊受到多種環(huán)境因素的影響。眾所周知，溫室環(huán)境系統(tǒng)是一個較為復雜的系統(tǒng)，本身有著非線性、時變、滯后復雜等特征[1]。這些特征對溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的精準性、及時性提出了更高的要求。筆者將物聯(lián)網(wǎng)技術和PLC技術相結合，設計了一種溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過手機APP、電腦瀏覽器等對溫室環(huán)境進行全天候實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)云端分析、參數(shù)設置、歷史數(shù)據(jù)查詢等，經(jīng)過系統(tǒng)綜合數(shù)據(jù)分析，可通過物聯(lián)網(wǎng)遠程自動控制電機、水泵、風機、補光燈等環(huán)境控制設備，調控大棚內環(huán)境保持適宜作物生長的范圍。同時，系統(tǒng)輔助配置手動控制功能，在特殊情況或緊急情況時可以手動控制環(huán)控設備的啟停。

1 環(huán)控系統(tǒng)總體架構

該溫室環(huán)控系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術和PLC技術相結合，系統(tǒng)總體構架如圖1所示。物聯(lián)網(wǎng)平臺作為主站，通過帶有物聯(lián)卡的DTU（Data Transfer unit）無線終端模塊接收PLC控制器、環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳感器等子站的實時數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行存儲計算，實時展示給手機APP、PC瀏覽器、微信小程序等客戶終端設備。同時用戶也可以通過終端設備將數(shù)據(jù)和命令發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)平臺，物聯(lián)網(wǎng)平臺再通過DTU模塊將命令下發(fā)給PLC控制器，控制電機、水泵、風扇、補光燈等環(huán)控設備的動作。

圖1 溫室環(huán)控系統(tǒng)總體架構圖

2 環(huán)控系統(tǒng)關鍵技術

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術

物聯(lián)網(wǎng)誕生于互聯(lián)網(wǎng)基礎之上，是對互聯(lián)網(wǎng)的擴展，它將計算機網(wǎng)絡擴展為物-物相聯(lián)的更大的通信網(wǎng)絡[2]。物聯(lián)網(wǎng)技術將無處不在的末端設備和設施，通過無線或有線的通訊網(wǎng)絡實現(xiàn)互聯(lián)互通，具有在線檢測、定位追溯、遠程控制、遠程維保、在線升級等管理和服務功能。系統(tǒng)通過帶有物聯(lián)卡的DTU模塊和物聯(lián)網(wǎng)平臺云端服務器構建完成無線通訊網(wǎng)絡，現(xiàn)實了手機、電腦、傳感器、PLC控制器、環(huán)控執(zhí)行器等設備的互聯(lián)互通。

2.2 PLC技術

PLC即可編程序控制器，它具有高可靠性、高穩(wěn)定性以及操作靈活方面等特點，使得其可以在惡劣的環(huán)境下，長時間的進行運轉工作，并且該控制器編程以及后期維護均較為簡單方便[3]。系統(tǒng)中PLC作為子站，接收主站發(fā)送來的命令，控制環(huán)控設備的運行，同時將環(huán)控設備的啟停狀態(tài)、工作電流、開啟角度、設備溫度等數(shù)據(jù)實時反饋給主站。并且PLC是特殊情況下手動控制功能的關鍵元器件，置于現(xiàn)場的手動開關將通過PLC向執(zhí)行器發(fā)送命令。除此之外，PLC還承擔大量的計算工作，根據(jù)空氣溫濕度傳感器、光照度傳感器、二氧化碳濃度傳感器等環(huán)境感知傳感器采集的數(shù)據(jù)，使用PID算法完成閉環(huán)控制，比如根據(jù)光照度傳感器的數(shù)據(jù)，當光照度不足時，及時打開補光燈，并且根據(jù)亮度控制補光燈打開的數(shù)量；當光照度過強時，實時控制遮陽電機啟停和轉向。

3 環(huán)控系統(tǒng)硬件設計

環(huán)控系統(tǒng)硬件構架圖如圖2所示，DTU模塊，環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳感器和PLC模塊之間采用一條RS485總線進行連接，通過MODBUS-RUT協(xié)議進行通訊，現(xiàn)場手動控制開關通過數(shù)字量輸入DI發(fā)布命令給PLC，PLC通過數(shù)字量輸出DO控制各執(zhí)行器的接觸器動作。

圖2 溫室環(huán)控系統(tǒng)硬件架構圖

3.1 PLC模塊

設計選用西門子S7-200 SMART作為PLC控制模塊，具體型號為CPU SR20 AC/DC/RLY，自帶12點輸入、8點繼電器輸出、1個以太網(wǎng)端口和1個RS485串行端口，可根據(jù)實際情況擴展6個數(shù)字量/模擬量模塊和1個RS232/RS485可選的串行端口。該款PLC模塊I/O點數(shù)豐富，單體模塊點數(shù)可達60點，可滿足大部分中小型自動化系統(tǒng)的控制要求。此外，其不僅售價便宜，可降低造價成本，而且內存充足，響應迅速，控制精度較高。

3.2 環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳感器

系統(tǒng)環(huán)境數(shù)據(jù)采集均選用具有RS485通訊功能的傳感器，其優(yōu)勢在于可以通過一條RS485總線將多個傳感器構建成通訊網(wǎng)絡，再通過MODBUS-RUT協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)傳輸給物聯(lián)網(wǎng)平臺和PLC控制器。這樣設計不僅可以去除傳統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)中所需的模擬量控制模塊，較大程度降低系統(tǒng)造價成本，而且可以減少現(xiàn)場安裝布線，提高通訊傳輸速率和抗干擾能力。

3.3 DTU模塊

DTU（Data Transfer unit），是專門用于將串口數(shù)據(jù)轉換為IP數(shù)據(jù)或將IP數(shù)據(jù)轉換為串口數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)絡進行傳送的無線終端設備[4]。設計選用拓普瑞TP 301系列4G DTU，內置SIM物聯(lián)卡，可支持移動、聯(lián)通、電信三大運行商APN，只要有手機信號的地方均可以使用，無需另外構建互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡，每月2元的GPRS流量費用即可以滿足都多數(shù)中小型溫室環(huán)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換。其優(yōu)點是穩(wěn)定可靠，組網(wǎng)靈活簡單，數(shù)據(jù)傳輸延時較小，系統(tǒng)使用的RS485通訊功能，可以方便快捷的接入TLINK免費物聯(lián)網(wǎng)平臺。

4 環(huán)控系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)涉及軟件較多，包括有西門子S7-200 SMART可編程序控制器所需的編程軟件STEP 7-Micro/WIN SMART；具有RS485通訊功能的環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳感器所需的串口調試軟件；DTU模塊所需的TP調試助手；以及作為主站的TLINK物聯(lián)網(wǎng)控制臺。

4.1 系統(tǒng)通訊連接設置

在軟件設計里最基礎也是最關鍵的一步是實現(xiàn)主站和各從站之間的通訊連接，使感知層各傳感器采集的數(shù)據(jù)可以快速的傳送給控制層的物聯(lián)網(wǎng)控制臺，物聯(lián)網(wǎng)控制臺可以將監(jiān)控數(shù)據(jù)和操作命令傳達給PLC從而控制應用層的各種執(zhí)行器。要實現(xiàn)正常通訊，在線路連接正確的基礎上，首先使用各設備的調試軟件為它們分配不同的通訊地址，相同的串口波特率、串口校驗位、串口數(shù)據(jù)位和串口停止位，如表1所示。

表1 子站設備通訊參數(shù)列表

其次在TLINK物聯(lián)網(wǎng)平臺注冊賬號后登錄控制臺，在設備管理項目中創(chuàng)建新的設備組，選擇通訊協(xié)議為MODBUS-RUT，創(chuàng)建完成后則會顯示該設備的服務器地址，服務器端口號和序列號。然后打開DTU模塊配套的TP調試助手，設置各項參數(shù)，如表2所示。配置完成后即可以實現(xiàn)各設備之間的數(shù)據(jù)交換。

表2 DTU模塊主要通訊參數(shù)配置列表

4.2 物聯(lián)網(wǎng)控制臺設計

通訊設置完成后則可以在物聯(lián)網(wǎng)控制臺創(chuàng)建的項目中進行數(shù)據(jù)連接和設備組態(tài)。首先，需要添加用戶需要了解的各種環(huán)境參數(shù)、報警信息和需要發(fā)布的控制命令，然后進行數(shù)據(jù)連接設置，包括從站通訊地址，功能碼，映射地址偏置位以及數(shù)據(jù)格式等（表3）。其次，可利用系統(tǒng)自帶的素材庫對各設備進行云組態(tài)，使用戶的使用界面更加直觀明了。組態(tài)完成后即可發(fā)布創(chuàng)建的組態(tài)項目。最后，用戶可以通過TLINK手機APP或者微信小程序隨時隨地的對溫室進行監(jiān)控。

表3 物聯(lián)網(wǎng)控制臺主要數(shù)據(jù)設置列表

4.3 PLC控制系統(tǒng)設計

使用STEP 7-Micro/WIN SMART進行程序編寫，該軟件支持模塊化程序編寫。PLC控制流程如圖3所示，PLC將讀取的傳感器數(shù)值和參數(shù)設定值進行比較，當超出設定值范圍時，啟動對應的執(zhí)行設備對溫室環(huán)境進行調節(jié)。從圖中可以看出，不同的傳感器和執(zhí)行器其實控制邏輯一致，編寫完成該控制邏輯的子程序，使用時直接調用即可，這樣可以極大的提高編程速度，減少程序輪詢時間。

圖3 PLC控制流程圖

5 系統(tǒng)試驗

在15 m*20 m的蝴蝶蘭花卉溫室實訓基地，依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)和PLC技術相結合的溫室環(huán)控系統(tǒng)設計構架進行試驗。正確安裝系統(tǒng)所需的環(huán)境數(shù)據(jù)采集傳感器、執(zhí)行器、控制器等硬件設備，在確保各設備之間連接線正確的基礎上，測試軟件通訊是否正常，數(shù)據(jù)顯示是否缺失，執(zhí)行命令是否響應等，一切正常后對各類數(shù)據(jù)進行記錄和分析。

5.1 參數(shù)采集精度分析

在物聯(lián)網(wǎng)平臺記錄的數(shù)據(jù)庫中，選取10組關鍵傳感器采集的數(shù)據(jù)，求取其平均值和實測平均值進行比較，分析傳感器的測量誤差（見表4）。光照度傳感器采集值與實測值相對誤差為1.48%，CO2濃度傳感器采集值與實測值相對誤差為2.23%，空氣溫度傳感器采集值與實測值相對誤差為1.86%，空氣濕度傳感器采集值與實測值相對誤差為2.10%，土壤溫度傳感器采集值與實測值相對誤差為1.31%，土壤濕度傳感器采集值與實測值相對誤差為1.84%，系統(tǒng)采集的主要參數(shù)均在可接受的誤差范圍內，傳感器測量精度合格。

表4 關鍵傳感器采集數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)誤差分析

5.2 控制精度分析

在環(huán)境控制系統(tǒng)中，上位控制器將命令發(fā)送給現(xiàn)場執(zhí)行器，執(zhí)行器工作進行環(huán)境調整，現(xiàn)場傳感器再將采集的數(shù)據(jù)反饋給上位控制器，這個過程中存在一定的響應延遲，反饋誤差，數(shù)據(jù)干擾等問題。系統(tǒng)設計采用了PID智能區(qū)間控制方法[5]，進一步提高了控制精度。溫室實訓基地培養(yǎng)的花卉蝴蝶蘭，喜濕熱氣候，最適生長溫度為白天25～28℃，晚間18～20℃，35℃以上高溫或15℃以下低溫時停止生長，低于5℃持續(xù)低溫易死亡。設定溫度區(qū)間為[m，n]，空氣溫度傳感器檢測值為y，控制量為u，其數(shù)學模型為：

其中，e1=m-y，e2=n-y，KP1、KP2為比例系數(shù)，TI1、TI2為積分時間常數(shù)，TD1、TD2為微分時間常數(shù)。由表5比較可知，區(qū)間控制方法精度明顯高于傳統(tǒng)的單輸入單輸出控制方法。

表5 控制精度比較

5.3 系統(tǒng)優(yōu)勢分析

5.3.1 系統(tǒng)造價低廉。國內外現(xiàn)在的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)，多是為連棟溫室群，造價十分昂貴，不適合小型的溫室農(nóng)戶。該系統(tǒng)基于現(xiàn)在成熟的物聯(lián)網(wǎng)基礎上，利用物聯(lián)網(wǎng)云平臺，再結合價格低廉但功能齊全，穩(wěn)定性高的PLC控制技術進行設計研發(fā)，可以大大的減少監(jiān)控系統(tǒng)的造價。

5.3.2 系統(tǒng)節(jié)能減耗。系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)進行處理分析后，采用PID智能區(qū)間控制方法進行閉環(huán)控制，該控制方式可以有效的避免電能、水資源的的浪費。

5.3.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)精準。國內外現(xiàn)在的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)，多采用無線傳輸模塊傳輸數(shù)據(jù)，容易受到通訊干擾發(fā)生錯誤傳輸，導致系統(tǒng)紊亂。該環(huán)控系統(tǒng)采用傳感器冗余設計，有線數(shù)據(jù)傳輸，可以確保數(shù)據(jù)采集的精準性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

5.3.4 系統(tǒng)擴展性好。該環(huán)控系統(tǒng)結合了PLC技術，PLC具備穩(wěn)定性高，拓展性好等特點，不但可以兼容不同的設備、傳感器等，而且即使溫室技術進一步發(fā)展，也可以在該系統(tǒng)的基礎上進行升級改造，不需要重新設計安裝。

5.3.5 系統(tǒng)操作容易，維護簡單。該環(huán)控系統(tǒng)可通過手機APP或小程序進行監(jiān)控操作，操作界面簡明直觀，對操作人員要求低。且可以通過物聯(lián)網(wǎng)技術，由技術人員使用遠程移動通訊設備對該系統(tǒng)進行定期檢查和維護，減少農(nóng)戶后期維護的難度和費用。

6 結語

結合物聯(lián)網(wǎng)技術和PLC技術設計的溫室環(huán)控系統(tǒng)，不僅可以使用戶通過手機24小時監(jiān)控溫室環(huán)境，實現(xiàn)溫室環(huán)境的自動控制，促進作物優(yōu)質發(fā)育，而且該系統(tǒng)所選硬件設備成本較低，控制精度高，通訊穩(wěn)定，抗干擾能力強。文章介紹的控制系統(tǒng)更適用于中小型溫室，用于大型溫室時，為提高性價比則需更換硬件選型。因大型溫室需要的環(huán)境監(jiān)測點和執(zhí)行器會增加很多，所以需選擇大型PLC控制器，可選用帶有無線通訊功能的傳感器減少大量布線，可架設WIFI網(wǎng)絡替代物聯(lián)卡，減少因數(shù)據(jù)量增多產(chǎn)生的流量費用。