基于wecon云平臺(tái)和HMI對(duì)農(nóng)業(yè)溫室LED燈控制系統(tǒng)研究

林德穎，官 飛

（福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 南平 353000）

植物的照明是LED在農(nóng)業(yè)應(yīng)用上最廣闊的領(lǐng)域之一，在溫室大棚、植物組培、植物工廠(chǎng)等多種場(chǎng)合均可淘汰傳統(tǒng)光源而使用更優(yōu)質(zhì)光源——LED來(lái)替代。

根據(jù)長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)研究表明，植物的光合作用在可見(jiàn)光光譜范圍內(nèi)吸收的光能占其生理輻射光能的60%～65%，其中主要以波長(zhǎng)為610～720nm的紅光、橙光以及波長(zhǎng)為400～510nm的藍(lán)光、紫光為吸收峰值。

本設(shè)計(jì)將PLC技術(shù)引入到農(nóng)業(yè)溫室照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，采用LED這一新型照明光源，設(shè)計(jì)出基于PLC的農(nóng)業(yè)溫室LED控制系統(tǒng)，為植物提供合適的光照顏色及光照強(qiáng)度。

1 農(nóng)業(yè)溫室LED燈光系統(tǒng)PWM驅(qū)動(dòng)電路

PWM即脈沖寬度調(diào)制，是一種應(yīng)用處理器數(shù)字輸出的信號(hào)來(lái)對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的控制技術(shù)。PWM技術(shù)常用于測(cè)量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。脈沖寬度調(diào)制調(diào)光可分為正調(diào)光和負(fù)調(diào)光，正調(diào)光即當(dāng)占空比的值為100%時(shí)最亮，負(fù)調(diào)光就是0%最亮。以正調(diào)光的方式為例，當(dāng)PWM為高電平時(shí)，LED燈發(fā)光；低電平時(shí)，不發(fā)光。由于頻率變化比較快，因此感受不到它間接性的發(fā)光和不發(fā)光的狀態(tài)。這樣，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)PWM的占空比就可以調(diào)節(jié)亮度能夠做到很好的對(duì)比度。本次的設(shè)計(jì)采用的是正調(diào)光方式當(dāng)PWM占空比達(dá)到百分百時(shí)候最亮。

該燈光系統(tǒng)的PWM控制模塊單路電路如圖1所示，以單色LED燈為例，從PLC送出PWM信號(hào)，經(jīng)過(guò)MOS管，由MOS管的通斷來(lái)控制占空比，最后點(diǎn)亮LED燈。不同顏色的LED燈有不同的PWM信號(hào)控制，每一個(gè)PWM信號(hào)單獨(dú)設(shè)置，區(qū)別控制不同顏色的LED燈。通過(guò)設(shè)置不同的PWM輸出信號(hào)的占空比與最大值進(jìn)行比較可以對(duì)LED燈的光照強(qiáng)度進(jìn)行控制，從而可以達(dá)到即可控制光照波長(zhǎng)又可以控制光照強(qiáng)度的目的。

2 溫室LED燈控制系統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)

2.1 基于以太網(wǎng)口的HMI對(duì)PLC的控制

HMI作為一種人機(jī)交互設(shè)備，能夠讓我們更加直觀(guān)的進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)顯示。傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)按鈕控制的面板已經(jīng)慢慢的被人機(jī)界面所取代，因?yàn)槿藱C(jī)界面不僅能夠編寫(xiě)形象的按鈕，使得操作更加生動(dòng)，而且人機(jī)界面可以做到即時(shí)將傳感器的數(shù)據(jù)反饋至觸摸屏中顯示，實(shí)現(xiàn)信息的輸入、顯示和監(jiān)控的作用，這樣能夠更加直觀(guān)的反應(yīng)數(shù)據(jù)信息。

當(dāng)系統(tǒng)上電工作時(shí)，通過(guò)手指來(lái)觸碰觸摸屏幕上的操作組件，被觸碰的開(kāi)關(guān)按鈕或是修改的設(shè)置數(shù)據(jù)，都能通過(guò)串口傳送給PLC，然后寫(xiě)入PLC的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器里面。PLC會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)好的程序控制相應(yīng)寄存器與輸出動(dòng)作，進(jìn)而可對(duì)LED燈光進(jìn)行調(diào)控。

2.2 觸摸屏與下位機(jī)的通訊實(shí)現(xiàn)

觸摸屏的型號(hào)是維控PI8102，其具有兩個(gè)COM端口可以與PLC進(jìn)行RS-422、RS-485的串行通信，本次采用了RS-422通信協(xié)議與PLC進(jìn)行通訊，即將在PIStudio軟件上編寫(xiě)的組態(tài)畫(huà)面通過(guò)RS-422數(shù)據(jù)線(xiàn)下載到觸摸屏內(nèi)。正確的配置通訊口才能夠?qū)崿F(xiàn)組態(tài)軟件與觸摸屏的通訊。

2.3 人機(jī)界面的畫(huà)面控制編輯

設(shè)計(jì)包含四個(gè)人機(jī)界面：主畫(huà)面、實(shí)驗(yàn)柜選擇界面、3色燈選擇界面LED燈光強(qiáng)與光照時(shí)間設(shè)置界面。主畫(huà)面顯示了本研究的題目、當(dāng)前時(shí)間、進(jìn)入實(shí)驗(yàn)柜選擇界面按鈕等；實(shí)驗(yàn)柜選擇界面顯示了可以選擇的三色燈的界面按鈕，方便實(shí)驗(yàn)員分別進(jìn)行燈光設(shè)置，其中淺色的按鈕為三色燈；3色燈選擇界面是對(duì)分別裝有不同波長(zhǎng)的LED燈進(jìn)行選擇以便進(jìn)入設(shè)置；LED燈光強(qiáng)度與光照時(shí)間設(shè)置界面是對(duì)光照強(qiáng)度以及光照時(shí)間進(jìn)行設(shè)置的一個(gè)界面，并且設(shè)計(jì)有開(kāi)關(guān)按鈕，左邊一列是四段可設(shè)置時(shí)間的輸入端口，右邊一列與左邊相對(duì)應(yīng)用于設(shè)置左邊每一行所對(duì)應(yīng)的光照強(qiáng)度，設(shè)置參數(shù)結(jié)束后可直接開(kāi)啟燈光。

3 基于云平臺(tái)的遠(yuǎn)程控制

3.1 基于云平臺(tái)的手機(jī)APP同步HMI的遠(yuǎn)程控制

目前以太網(wǎng)卡在自動(dòng)化控制上得到廣泛的應(yīng)用，通過(guò)以太網(wǎng)的控制可以將現(xiàn)場(chǎng)連接到辦公室，使得操作人員可以輕松的在距離現(xiàn)場(chǎng)比較遙遠(yuǎn)的地方進(jìn)行控制操作。在沒(méi)有硬件出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況下，操作人員就不必到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作。研究采用維控公司開(kāi)發(fā)云端與帶以太網(wǎng)端口的HMI網(wǎng)絡(luò)通信連接，利用維控公司出品的軟件PIBOX可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程同步人機(jī)界面對(duì)PLC擴(kuò)展模塊產(chǎn)生的PWM的占空比的監(jiān)控。

3.2 PIBoxClient與HMI的穿透連接

維控PI系列的觸摸屏都會(huì)有一個(gè)特有的機(jī)器碼，也就是用于識(shí)別每一臺(tái)不同機(jī)器的獨(dú)立ID碼，利用這個(gè)獨(dú)立ID碼在維控的云平臺(tái)上建立一個(gè)單獨(dú)的設(shè)備用于管理。登上賬號(hào)后將機(jī)器碼輸入選擇添加設(shè)備之后進(jìn)入下一步設(shè)置，完成后可用PiBox－Client進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

PIBoxClient軟件可以通過(guò)維控的云平臺(tái)對(duì)電腦進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)。當(dāng)電腦登錄PIBoxClient軟件，并且將觸摸屏的網(wǎng)線(xiàn)連接上，此時(shí)云平臺(tái)將訪(fǎng)問(wèn)檢測(cè)到該觸摸屏設(shè)備。

在登錄之后顯示的主界面上可觀(guān)察到可以管理的幾項(xiàng)設(shè)備，其中就包括之前添加的觸摸屏設(shè)備。

之后選擇左邊的設(shè)備（事先得先更新成穿透的鏡像，并且接上網(wǎng)線(xiàn)）選擇屏的COM口，設(shè)置串口波特率、停止位、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位。將串口波特率設(shè)置為9600，停止位設(shè)置為1，校驗(yàn)位，使用RS232串口設(shè)備。數(shù)據(jù)設(shè)置完成之后點(diǎn)擊開(kāi)始穿透，穿透過(guò)程中，點(diǎn)擊穿透后觸摸屏?xí)M(jìn)行響應(yīng)，此時(shí)觸摸屏?xí)M(jìn)行重啟并且界面上就出現(xiàn)穿透的進(jìn)度以及提示。

穿透成功之后，就建立了一個(gè)虛擬的串口。該虛擬串口就是方便操作人員利用這個(gè)虛擬串口進(jìn)行程序下載和調(diào)試。編寫(xiě)程序的時(shí)無(wú)法保證其全部正確，雖然有模擬調(diào)試功能在，但不免也得進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)試，而現(xiàn)在可通過(guò)建立的虛擬串口利用以太網(wǎng)連接云平臺(tái)遠(yuǎn)程進(jìn)行程序的下載和調(diào)試。

4 結(jié)語(yǔ)

本研究是針對(duì)農(nóng)業(yè)人造光源的問(wèn)題進(jìn)行的，從改善植物光合作用的光譜吸收率出發(fā)，調(diào)控農(nóng)作物光源的光照強(qiáng)度與光照波長(zhǎng)，從而得到溫室農(nóng)業(yè)種植中最適合植物生長(zhǎng)的光照條件，并且可以達(dá)到自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制人造光照條件的目的。立足于以上兩點(diǎn)，完成了基于PLC的農(nóng)業(yè)溫室LED控制系統(tǒng)的上位機(jī)設(shè)計(jì)。首先利用PLC產(chǎn)生PWM信號(hào)驅(qū)動(dòng)LED燈光電路，利用PWM占空比來(lái)控制光照強(qiáng)度，因此對(duì)PWM控制電路進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹；其次介紹了本設(shè)計(jì)的人機(jī)界面部分，包括組態(tài)軟件的使用、觸摸屏的選型以及最終使用的人機(jī)界面的畫(huà)面概述與使用方法簡(jiǎn)介，通過(guò)設(shè)置界面的設(shè)置配合下位機(jī)程序調(diào)節(jié)PWM占空比從而達(dá)到控制光照強(qiáng)度的目的；最后，介紹了基于PIBoxClient軟件的遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)，重點(diǎn)使實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的操作過(guò)程：鏡像下載、鏡像穿透等，并且簡(jiǎn)要說(shuō)明了使用安卓手機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作的過(guò)程。

在整個(gè)研究完成的過(guò)程中，將PLC應(yīng)用技術(shù)、組態(tài)軟件編寫(xiě)、以太網(wǎng)通訊技術(shù)以及串行通訊技術(shù)應(yīng)用于溫室LED控制系統(tǒng)的上位機(jī)設(shè)計(jì)，并取得了一定的實(shí)際成果，但是在設(shè)計(jì)過(guò)程中仍存在不夠完善的地方有待改進(jìn)。