基于Modbus—RTU和GPRS通信的溫室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盛強(qiáng)

摘要：針對(duì)農(nóng)業(yè)溫室分布地域廣、分散的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于Modbus-RTU和GPRS通信的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由西門子S7-200 SMART PLC、觸摸屏、GPRS模塊和上位機(jī)服務(wù)器構(gòu)成，利用Modbus-RTU采集現(xiàn)場(chǎng)溫濕度、光照度等傳感器的實(shí)時(shí)信號(hào)，并在觸摸屏進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示以及實(shí)現(xiàn)多種模式下的手動(dòng)控制；通過GPRS模塊把采集到的信息遠(yuǎn)程傳送至上位機(jī)服務(wù)器，對(duì)信息進(jìn)行接收和綜合分析處理。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿足花卉溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控的要求。

關(guān)鍵詞：PLC；溫室；Modbus-RTU；GPRS；遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2017）15-2935-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.15.034

Abstract： Aiming at the wide and scattered distribution of agricultural greenhouse， design the greenhouse environment control system based on Modbus-RTU and GPRS. The system consists of Siemens S7-200 SMART PLC， touch screen， GPRS module and host computer server， using Modbus-RTU to collect temperature and humidity， light and other sensors real-time signals， and display in the touch screen and realize the manual and automatic control. Through the GPRS module to collect the information， integrated analysis and processing. The results show that the reasonable design of the system structure， system function is stable， and can meet the requirements of remote monitoring of flower greenhouse.

Key words： PLC；greenhouse；Modbus-RTU；GPRS；remote monitoring

溫濕度、光照度等環(huán)境因素對(duì)花卉及農(nóng)作物生產(chǎn)起重要作用，讓花卉作物避免受惡劣自然環(huán)境因素的影響，按照最佳模式生長(zhǎng)至關(guān)重要，采用溫室和大棚進(jìn)行保護(hù)栽培可以達(dá)到目的[1，2]。目前，大多數(shù)溫室采用單片機(jī)為主控制器。針對(duì)單片機(jī)控制系統(tǒng)開發(fā)周期長(zhǎng)，且后期維護(hù)較困難等缺點(diǎn)，李燕飛等[3]、付煥森等[4]提出了基于PLC的溫室智能控制系統(tǒng)，但是由于受到PLC點(diǎn)數(shù)的限制，須通過擴(kuò)展模擬量模塊對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫室環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集。近年來，Modbus-RTU網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)因投資少、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在遠(yuǎn)程監(jiān)控中應(yīng)用廣泛，但是在很多情況下，如農(nóng)業(yè)溫室在地理位置上較偏僻、溫室之間、溫室與控制室之間距離較遠(yuǎn)，實(shí)施網(wǎng)絡(luò)布線比較困難。鑒于此，針對(duì)單個(gè)溫室內(nèi)傳感器在空間布局上相對(duì)集中，而各個(gè)溫室之間距離較大、占地面積廣、與監(jiān)控室距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，本研究提出基于西門子S7-200 SMART PLC，利用Modbus-RTU現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)采集溫室內(nèi)傳感器信號(hào)，并結(jié)合GPRS無線通信技術(shù)把各個(gè)溫室大棚的實(shí)時(shí)信息傳送至上位機(jī)服務(wù)器的溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)，以期為遠(yuǎn)程監(jiān)控溫室提供參考。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)采用西門子S7-200 SMART系列PLC作為主控制器，通過Modbus-RTU現(xiàn)場(chǎng)總線將傳感器與PLC、觸摸屏組成現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，再通過GPRS模塊與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)相連接，將各個(gè)溫室的現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)發(fā)送到上位機(jī)服務(wù)器中。圖1為溫室大棚GPRS無線通信示意圖。

2 實(shí)現(xiàn)方案

溫室控制系統(tǒng)由西門子S7-200 SMART PLC為主控制器，利用PLC自帶RS485通信口與GPRS無線模塊MD720-3組成GPRS通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)溫室信息的遠(yuǎn)程傳輸；擴(kuò)展信號(hào)板CM01與現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)傳感器組成Modbus-RTU現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)單個(gè)溫室大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集；PLC自帶工業(yè)以太網(wǎng)口與現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏之間實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)操作和信息的實(shí)時(shí)顯示。

溫室控制系統(tǒng)中各個(gè)溫室均裝有溫濕度、光照度、風(fēng)速及CO2濃度檢測(cè)傳感器，此外，每個(gè)溫室大棚設(shè)有頂窗側(cè)窗、內(nèi)外遮陽(yáng)網(wǎng)、濕簾、通風(fēng)及循環(huán)風(fēng)機(jī)、加熱器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過自動(dòng)控制保證溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)處于作物的最佳生長(zhǎng)狀態(tài)。其中，溫濕度、光照度、風(fēng)速、CO2濃度檢測(cè)及加熱器與現(xiàn)場(chǎng)PLC之間采用Modbus-RTU通信協(xié)議，利用Modbus-RTU協(xié)議通過輪詢方式實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)PLC與傳感器、加熱器之間的通信控制[5]，Modbus-RTU通信原理如圖2所示。

在上位機(jī)服務(wù)器中利用西門子SINAUT MICRO SC服務(wù)器軟件，可通過以太網(wǎng)的方式采集下位機(jī)PLC通過GPRS無線模塊MD720-3傳輸?shù)膶?shí)時(shí)數(shù)據(jù)，再利用WINCC組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)各個(gè)溫室的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的歸檔與人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)。MODBUS-RTU通信和GPRS無線通信PLC初始化程序如圖3所示。

3 溫室系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

3.1 溫室控制策略實(shí)現(xiàn)

在溫室控制中，主要集中于溫濕度及光照度的調(diào)節(jié)控制，其中以溫濕度控制為主要控制目標(biāo)，其優(yōu)先級(jí)大于光照度控制，而溫濕度控制優(yōu)先級(jí)可根據(jù)季節(jié)的不同，設(shè)置不同的優(yōu)先級(jí)順序，夏季以降溫加濕為主，以濕度控制為優(yōu)先，溫度控制次之；冬季以保溫加熱為主，以溫度控制為優(yōu)先，濕度控制次之[6]。PLC控制策略如圖4所示。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)觸摸屏界面

觸摸屏通過工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)顯示溫室的環(huán)境數(shù)據(jù)，包括溫濕度和光照度等，此外還可以監(jiān)控溫室內(nèi)控制設(shè)備的狀態(tài)，觸摸屏參數(shù)設(shè)置如圖5所示。主要完成如下功能。

1）觸摸屏界面實(shí)時(shí)顯示溫室內(nèi)及室外的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)。

2）能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)控制和自動(dòng)控制的切換。在自動(dòng)控制模式下，對(duì)不同季節(jié)模式和植物生長(zhǎng)周期對(duì)溫室單日環(huán)境參數(shù)進(jìn)行配方化管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境的自動(dòng)調(diào)節(jié)。

3）以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和趨勢(shì)曲線的顯示方式對(duì)溫室內(nèi)各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，并對(duì)溫室內(nèi)各控制設(shè)備及環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)超限報(bào)警。

4 結(jié)論

提出了一種基于MODBUS-RTU通信和GPRS無線通信的溫室集群控制系統(tǒng)，結(jié)合溫濕度、光照度、CO2濃度等參數(shù)實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的自動(dòng)調(diào)節(jié)，能夠在一定程度上滿足植物在不同生長(zhǎng)時(shí)期對(duì)環(huán)境的要求。利用上位機(jī)服務(wù)器對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定最佳控制參數(shù)，再結(jié)合觸摸屏的配方功能，對(duì)在不同季節(jié)、模式和植物生長(zhǎng)周期條件下，進(jìn)行單日參數(shù)配方化管理，并運(yùn)用PID算法對(duì)溫室內(nèi)的溫度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，基本上能夠保證溫室環(huán)境植物處在最佳生長(zhǎng)狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 周 敏，韓宇光，王軍安，等.基于西門子PLC的智能溫室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2014，33（12）：99-101.

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[4] 付煥森，李元貴.基于前饋補(bǔ)償算法溫室解耦及PLC控制器設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2016（2）：205-208.

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[6] 李紅華.基于可編程控制器（PLC）的溫室環(huán)境控制裝置的研制[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2013.endprint