物聯(lián)網(wǎng)和PLC技術(shù)在魚菜共生系統(tǒng)中的應(yīng)用

鄭廣智，張 珊，郭海濤，仕文鳳，陸啟升，王 魏

（大連海洋大學(xué)，遼寧大連 116023）

0 引言

中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)規(guī)模逐年增大。發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)所需的自動(dòng)控制、信息傳感、射頻識(shí)別等技術(shù)和產(chǎn)業(yè)都已基本成熟。“中國(guó)制造2025”作為工業(yè)4.0的中國(guó)版，更體現(xiàn)著中國(guó)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的重視[1]?！皠?chuàng)新驅(qū)動(dòng)，綠色發(fā)展”，對(duì)于農(nóng)業(yè)發(fā)展而言，不僅要在傳統(tǒng)生產(chǎn)模式上的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，而且要讓農(nóng)產(chǎn)品越來(lái)越來(lái)“綠色”。預(yù)計(jì)到2022年，中國(guó)將成為全球最大的物聯(lián)網(wǎng)連接市場(chǎng)，完善的公共網(wǎng)絡(luò)也有利于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用拓展[2]。在農(nóng)業(yè)方面，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)涵蓋了農(nóng)業(yè)的方方面面，包括資源利用、環(huán)境監(jiān)測(cè)和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)等等，都積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)“智慧農(nóng)業(yè)”的發(fā)展[3]。中國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)及其產(chǎn)業(yè)鏈非常龐大[4]。2019年，全國(guó)糧食總產(chǎn)量達(dá)到6638.5億kg，創(chuàng)歷史新高[5]。隨著人口的增加，糧食的需求也在逐漸增大，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)模式已無(wú)法滿足當(dāng)前社會(huì)的需要，建立新型高效低耗的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式、發(fā)展現(xiàn)代化智慧農(nóng)業(yè)一直是中國(guó)的重要戰(zhàn)略方針。目前，魚菜共生的發(fā)展模式由魚菜直接接觸共存開(kāi)始，到開(kāi)環(huán)、閉環(huán)控制，逐漸引入各種技術(shù)模式，不斷完善魚菜共生系統(tǒng)[6]，使其適應(yīng)我們生活的各個(gè)領(lǐng)域?；ヂ?lián)網(wǎng)與智慧農(nóng)業(yè)結(jié)合在一起，建設(shè)“農(nóng)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”。把自動(dòng)控制理論與生產(chǎn)工藝過(guò)程知識(shí)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，運(yùn)用轉(zhuǎn)換思想，通過(guò)構(gòu)成某種數(shù)學(xué)關(guān)系來(lái)推斷和估計(jì)較難測(cè)量的變量，以軟件來(lái)代替硬件功能。在理論研究上，軟測(cè)量建模仍是將來(lái)技術(shù)的關(guān)鍵如何將智能控制的成果移植到軟測(cè)量的建模方面并加以發(fā)展是我們今后要研究的重點(diǎn)。因此，本文選擇結(jié)合?；~塘[7]這一生態(tài)平衡模式，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與PLC控制技術(shù)結(jié)合，利用軟測(cè)量建模方法，將其在魚菜共生系統(tǒng)中得以運(yùn)用，使系統(tǒng)變得更加智能化、高效化。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與農(nóng)業(yè)系統(tǒng)結(jié)合在一起，是智能農(nóng)業(yè)的重要標(biāo)志。利用物聯(lián)網(wǎng)觀測(cè)各項(xiàng)指標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境智能化控制，提升產(chǎn)能，節(jié)約不必要的投入。

1 總體設(shè)計(jì)方案

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和PLC技術(shù)的魚菜共生系統(tǒng)主要由硬件系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)兩部分組成，總體架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 總體架構(gòu)圖

硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要由控制中心、信號(hào)采集系統(tǒng)、被控器件和水箱組成。電源電路轉(zhuǎn)換成匹配的電壓為各單元模塊供電，系統(tǒng)的控制中心模塊(PLC)接收外來(lái)的AI信號(hào)，傳出DO信號(hào)控制采光裝置、加熱裝置、電磁閥和抽水泵的動(dòng)作。信號(hào)采集系統(tǒng)采集現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)，轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)傳送到控制器，將采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給PLC。

物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)主要負(fù)責(zé)信息的采集、存儲(chǔ)、計(jì)算、及展示給用戶等，是新型魚菜共生系統(tǒng)的重中之重。物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的搭建主要由CentOS操作系統(tǒng)、MQTT平臺(tái)通信協(xié)議、IOT通信模塊組成。MQTT協(xié)議是一種消息發(fā)布與訂閱傳輸協(xié)議，廣泛用于系統(tǒng)傳感器和各級(jí)制動(dòng)器（泵、閥門）之間，使設(shè)備與設(shè)備、云端與設(shè)備之間能夠互相進(jìn)行通信[8-9]；IOT通信模塊支持遠(yuǎn)程參數(shù)設(shè)置，幫助用戶實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的搭建可以幫助用戶實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)收集到的數(shù)據(jù)超出我們的預(yù)設(shè)值時(shí)則第一時(shí)間報(bào)警，我們可以在遠(yuǎn)程立即操作解決問(wèn)題。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的魚菜共生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)部分由數(shù)據(jù)采集、控制處理、網(wǎng)絡(luò)通訊、公有云、用戶控制五部分組成，流程圖如圖2所示。通過(guò)使用傳感器識(shí)別，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集部分，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂茊卧?，發(fā)送和接收終端的控制信息。公有云平臺(tái)與網(wǎng)絡(luò)通訊模塊與控制端建立通訊，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)當(dāng)前的數(shù)據(jù)，控制數(shù)據(jù)的采集過(guò)程。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的搭建

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

本系統(tǒng)的信號(hào)采集傳輸模塊采用WTW儀器，使用傳感器探頭，將從傳感器采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，傳送至儀器中心，再由儀器中心將信號(hào)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，即4～20 mA電流信號(hào)，最后傳送至控制終端PLC。

2.2 控制處理模塊

本系統(tǒng)使用可編程邏輯控制器(PLC)作為控制器，其型號(hào)為S7-1500。實(shí)際工作時(shí)，因?yàn)镻LC需要持續(xù)穩(wěn)定的24 V直流供電，因此需要將220 V交流電壓需要經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路，變成穩(wěn)定的24 V直流電壓，對(duì)PLC進(jìn)行供電。

系統(tǒng)需要保證供電安全，利用空氣開(kāi)關(guān)裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)線路供電分配。PLC輸出的DO信號(hào)無(wú)法直接控制采光裝置、加熱裝置、電磁閥和抽水泵，采用電磁繼電器進(jìn)行控制，由PLC輸出的DO信號(hào)對(duì)電磁閥的線圈進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)采光、加熱裝置、電磁閥和抽水泵的控制。

2.3 系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)

2.3.1 PLC軟件組態(tài) 組態(tài)使用TIA Portal V14軟件，安裝SIMATIC_WinCC_Professional_V14 SP1組件后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)。PLC硬件使用“SIMATIC S7-1500”，控制器使用“6ES7 511-1AK00-0AB0”，PC系統(tǒng)選擇“PC station”。在PC station中需要添加通信功能，與PLC進(jìn)行通訊，本設(shè)計(jì)選擇以太網(wǎng)通訊方式，將常規(guī)IE添加到PC系統(tǒng)中，將PC系統(tǒng)與上位機(jī)連接。

2.3.2 Node-RED軟件編程 通過(guò)智能網(wǎng)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)信息的采集、雙向信息傳輸、遠(yuǎn)程控制等功能。Node-RED是一種廣泛使用的物聯(lián)網(wǎng)編程工具，它有一個(gè)可視化編輯界面，允許開(kāi)發(fā)者將節(jié)點(diǎn)連接在一起創(chuàng)建流[10-11]。作為一種編程簡(jiǎn)單易懂的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具，Node-RED強(qiáng)大又靈活。

2.4 通訊服務(wù)

使用MQTT服務(wù)，可以把所有聯(lián)網(wǎng)物品和外部連接起來(lái)，并提供一對(duì)多的消息分發(fā)，被用于傳感器和制動(dòng)器。它基于客戶端—服務(wù)器進(jìn)行消息傳輸，首先在服務(wù)器上建立傳輸功能，然后用戶可以在服務(wù)器上獲取數(shù)據(jù)，傳感器接收到的數(shù)據(jù)也可以通過(guò)服務(wù)器發(fā)布給用戶，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 MQTT服務(wù)

借助Paho可以測(cè)試MQTT是否使服務(wù)器訂閱到現(xiàn)場(chǎng)發(fā)布的信息。通過(guò)結(jié)構(gòu)體Network中的一些成員函數(shù)作為接口，從底層網(wǎng)絡(luò)讀取數(shù)據(jù)，向用戶接收端發(fā)送數(shù)據(jù)[12]。

2.5 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)處理和接收數(shù)據(jù)

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的搭建既是系統(tǒng)的創(chuàng)新之處，也是系統(tǒng)組成的重中之重。物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的搭建，可以代替人工起到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的作用，且其具有報(bào)警功能，可以進(jìn)行允許多臺(tái)設(shè)備同時(shí)接入，智能處理數(shù)據(jù)。流程圖如圖4所示。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)處理和接收數(shù)據(jù)

物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)搭建的核心是智能網(wǎng)關(guān)IOT的使用[13]，智能網(wǎng)關(guān)通過(guò)無(wú)線方式，與用戶的手機(jī)電腦等終端進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和交互，因?yàn)轸~菜共生系統(tǒng)的環(huán)境限制，多數(shù)情況下是在半封閉狀態(tài)下進(jìn)行的，故系統(tǒng)采用西門子IOT2040型號(hào)的網(wǎng)關(guān)，可保證傳輸距離，且無(wú)線信號(hào)的穿透力較好，解決了室內(nèi)通信的信號(hào)強(qiáng)度問(wèn)題[14]。

3 傳感器信號(hào)及數(shù)據(jù)測(cè)定

3.1 信號(hào)走線的屏蔽

分析傳感器輸出的信號(hào)類型，通過(guò)信號(hào)發(fā)生器測(cè)試PLC的AI模塊，檢驗(yàn)PLC模塊。通過(guò)查閱資料得知220 V電信號(hào)會(huì)對(duì)傳輸信號(hào)產(chǎn)生干擾，布線時(shí)220 V線路與信號(hào)線路相鄰，對(duì)信號(hào)線有很大干擾，PLC讀取的信號(hào)有很大偏差。分別對(duì)220 V線路和信號(hào)線路外部接上屏蔽套，屏蔽220 V信號(hào)的干擾[15-16]。

3.2 主要水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定

水中雜質(zhì)的具體衡量尺度稱水質(zhì)指標(biāo)，可以分為物理、化學(xué)和微生物學(xué)指標(biāo)三類[17]。在實(shí)驗(yàn)中，主要測(cè)定的指標(biāo)有pH、電導(dǎo)率、溶氧量、溫度、化學(xué)需氧量、總堿度、可溶性活性磷、水中氨態(tài)氮、亞硝酸氮，其中pH、電導(dǎo)率、溶氧量、溫度指標(biāo)采用機(jī)器測(cè)定，總堿度的測(cè)定可以使用酸堿滴定法[18]，水中化學(xué)需氧量可以用特定體積KMnO4消耗Na2S2O3溶液體積進(jìn)行測(cè)定，實(shí)驗(yàn)于2019年5—8月份進(jìn)行。

3.2.1 水中可溶性活性磷的測(cè)定 配制活性磷標(biāo)準(zhǔn)使用溶液(3.00μg/mL)：移取1.00 mL活性磷標(biāo)準(zhǔn)貯備溶液于100 mL容量瓶中，稀釋至刻度，然后制作標(biāo)準(zhǔn)曲線并計(jì)算測(cè)定水樣中活性磷含量，如圖5所示。將水樣的A（磷）代入標(biāo)準(zhǔn)曲線的回歸方程，計(jì)算水樣中活性磷濃度。

圖5 水樣中活性磷含量標(biāo)準(zhǔn)曲線

3.2.2 磷水中氨態(tài)氮的測(cè)定 使用溶液ρ(NH3-N)=10.0 μg/mL配制氨氮標(biāo)準(zhǔn)：移取1.00 mL氨氮標(biāo)準(zhǔn)貯備溶液于100 mL容量瓶中，稀釋至刻度，然后制作標(biāo)準(zhǔn)曲線并計(jì)算測(cè)定水樣中氨氮含量，如圖6所示。將水樣的A（氨氮）代入標(biāo)準(zhǔn)曲線的回歸方程，計(jì)算水樣中氨氮濃度。

圖6 水樣中氨氮含量標(biāo)準(zhǔn)曲線

3.2.3 水中亞硝酸氮的測(cè)定 使用溶液(1.00μg/mL)配制亞硝酸氮標(biāo)準(zhǔn)：移取1.00 mL亞硝酸氮標(biāo)準(zhǔn)貯備溶液于100 mL容量瓶中，稀釋至刻度，然后制作標(biāo)準(zhǔn)曲線并計(jì)算測(cè)定水樣中亞硝酸氮含量，如圖7所示。將水樣的A（亞硝酸氮）代入標(biāo)準(zhǔn)曲線的回歸方程，計(jì)算水樣中亞硝酸氮濃度。

圖7 水樣中亞硝酸氮含量標(biāo)準(zhǔn)曲線

4 傳感器測(cè)量結(jié)果

使用已經(jīng)建立好的模型進(jìn)行魚菜共生系統(tǒng)的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，在不同氨氮濃度、亞硝酸鹽濃度下，測(cè)量水質(zhì)的溶解氧、pH、電導(dǎo)率。由傳感器測(cè)量得到的數(shù)值如圖8～10所示。

圖8 溫度監(jiān)測(cè)曲線

圖9 氨氮、亞硝酸鹽濃度監(jiān)測(cè)曲線

圖10 溶解氧、pH、電導(dǎo)率指標(biāo)監(jiān)測(cè)曲線

5 討論

物理網(wǎng)云平臺(tái)和PLC技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)日趨成熟[19]，新型智慧農(nóng)業(yè)作為一個(gè)重要發(fā)展方向，影響著我們生活的方方面面，土地資源減少和受保護(hù)使得人們逐漸將目標(biāo)轉(zhuǎn)移到無(wú)土栽培和共生系統(tǒng)上面，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和PLC技術(shù)的魚菜共生系統(tǒng)為農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了一個(gè)較好的選擇，隨著科技水平的進(jìn)步，尤其是物聯(lián)網(wǎng)和傳感器技術(shù)，都得到很大的發(fā)展。人們可在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)更多農(nóng)產(chǎn)品共生模式、培育方式的選擇。遠(yuǎn)程控制、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、具有觀賞價(jià)值、適合室內(nèi)培養(yǎng)等優(yōu)點(diǎn)將會(huì)成為人們選擇魚菜共生系統(tǒng)的決定性原因。隨著科技的發(fā)展，人們逐漸追求更加智能的生活，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展幫助人們實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物可聯(lián)網(wǎng)的想法，未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將會(huì)應(yīng)用至家居、交通、乃至軍事領(lǐng)域。

隨著科技的不斷發(fā)展，魚菜共生系統(tǒng)也會(huì)越來(lái)越智能化，魚菜共生還有很大的發(fā)展空間[20-21]。本次論文所做的工作主要為了農(nóng)業(yè)的信息化、現(xiàn)代化、智能化即將的到來(lái)做了一次必要的嘗試。通過(guò)對(duì)以前的陳舊的循環(huán)水溫度系統(tǒng)進(jìn)行改造，將以前的循環(huán)水溫度系統(tǒng)改造成具有現(xiàn)代化特色的魚菜共生系統(tǒng)。本系統(tǒng)以組態(tài)作為上位機(jī)，與下位機(jī)PLC集合，進(jìn)行相互通信，結(jié)合遠(yuǎn)程模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)上線，可遠(yuǎn)程化操作，極大的降低了操作人員的專業(yè)知識(shí)要求，使得系統(tǒng)更加的大眾化、普及化。PLC作為控制器，擁有著很大的性價(jià)比、穩(wěn)定性、擴(kuò)展性，適應(yīng)比較復(fù)雜的環(huán)境。系統(tǒng)采用分布式，不僅僅適用于魚菜共生這個(gè)領(lǐng)域，同時(shí)也適用于其他自動(dòng)控制方向的場(chǎng)合[22-23]。本系統(tǒng)只是針對(duì)魚菜共生采取了控制良好的控制，其他變量的控制效果還不夠完善。所以希望以后對(duì)魚菜系統(tǒng)內(nèi)的變量能夠做到每項(xiàng)都較好的控制，整體執(zhí)行設(shè)備做到合理調(diào)配，來(lái)使得溫室內(nèi)的變量之間得到較好的控制。

用化學(xué)方法測(cè)量出比較重要的指標(biāo)后，可根據(jù)已有物理可測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)難以用傳感器測(cè)出的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，達(dá)到軟測(cè)量的效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)物理方法無(wú)法測(cè)量指標(biāo)的測(cè)量[24]。同時(shí)智能調(diào)控也避免人24 h監(jiān)管與沒(méi)有及時(shí)測(cè)量所帶來(lái)的損失。對(duì)數(shù)據(jù)的測(cè)量可數(shù)據(jù)化，實(shí)現(xiàn)變數(shù)據(jù)為價(jià)值的目的。搭建CentOS系統(tǒng)和制作數(shù)據(jù)顯示頁(yè)面后能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)共享與實(shí)時(shí)調(diào)控。借助node-red技術(shù)使用戶及時(shí)獲取系統(tǒng)信息。

魚菜共生系統(tǒng)結(jié)合了自動(dòng)控制技術(shù)與設(shè)施化栽培養(yǎng)殖技術(shù)，配備了水質(zhì)檢測(cè)與溫度、pH、溶解氧等因子的有效控制手段，與歐洲等其他模式相比[25]，這個(gè)系統(tǒng)效果比工廠化養(yǎng)殖好了很多，可以實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用，由此可見(jiàn)研究課題的選擇為未來(lái)大型規(guī)模工廠化魚菜共生系統(tǒng)提供借鑒意義，也為國(guó)家發(fā)展現(xiàn)代化智能農(nóng)業(yè)模式提供了一種可行的方案[26-27]。

6 結(jié)論

通過(guò)使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、PLC技術(shù)和node-red技術(shù)，設(shè)計(jì)完善的硬件系統(tǒng)，由傳感器得出的數(shù)據(jù)可知，水溫在22℃最為適宜，氨氮濃度維持在0.1 mol/L，亞硝酸鹽濃度在0.1 mol/L左右浮動(dòng)。通過(guò)改善水中可溶性活性磷、氨態(tài)氮和亞硝酸氮的方式解決水中氨氮濃度過(guò)高的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)魚和蔬菜的完美共生。通過(guò)搭建云服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)魚菜共生系統(tǒng)數(shù)據(jù)的無(wú)線通訊、無(wú)線監(jiān)控、實(shí)時(shí)控制。通過(guò)軟測(cè)量建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)氨氮濃度、亞硝酸鹽濃度的測(cè)量、監(jiān)控，對(duì)水產(chǎn)類養(yǎng)殖具有重大意義。物聯(lián)網(wǎng)的使用，使對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境的溫度與濕度等因素進(jìn)行監(jiān)控更加智能化。