物聯(lián)網(wǎng)和PLC技術(shù)相結(jié)合的溫室環(huán)控系統(tǒng)

李 鵬，馬亞勤*，方云強(qiáng)，賴名浪

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

0 引言

通過溫室大棚技術(shù)，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(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，本身有著非線性、時(shí)變、滯后復(fù)雜等特征[1]。這些特征對溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的精準(zhǔn)性、及時(shí)性提出了更高的要求。筆者將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和PLC技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過手機(jī)APP、電腦瀏覽器等對溫室環(huán)境進(jìn)行全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)云端分析、參數(shù)設(shè)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(yuǎn)程自動(dòng)控制電機(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)、補(bǔ)光燈等環(huán)境控制設(shè)備，調(diào)控大棚內(nèi)環(huán)境保持適宜作物生長的范圍。同時(shí)，系統(tǒng)輔助配置手動(dòng)控制功能，在特殊情況或緊急情況時(shí)可以手動(dòng)控制環(huán)控設(shè)備的啟停。

1 環(huán)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

該溫室環(huán)控系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和PLC技術(shù)相結(jié)合，系統(tǒng)總體構(gòu)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲計(jì)算，實(shí)時(shí)展示給手機(jī)APP、PC瀏覽器、微信小程序等客戶終端設(shè)備。同時(shí)用戶也可以通過終端設(shè)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(jī)、水泵、風(fēng)扇、補(bǔ)光燈等環(huán)控設(shè)備的動(dòng)作。

圖1 溫室環(huán)控系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2 環(huán)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)誕生于互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)之上，是對互聯(lián)網(wǎng)的擴(kuò)展，它將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展為物-物相聯(lián)的更大的通信網(wǎng)絡(luò)[2]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將無處不在的末端設(shè)備和設(shè)施，通過無線或有線的通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，具有在線檢測、定位追溯、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程維保、在線升級等管理和服務(wù)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(wù)器構(gòu)建完成無線通訊網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)實(shí)了手機(jī)、電腦、傳感器、PLC控制器、環(huán)控執(zhí)行器等設(shè)備的互聯(lián)互通。

2.2 PLC技術(shù)

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(diǎn)，使得其可以在惡劣的環(huán)境下，長時(shí)間的進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)工作，并且該控制器編程以及后期維護(hù)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(shè)備的運(yùn)行，同時(shí)將環(huán)控設(shè)備的啟停狀態(tài)、工作電流、開啟角度、設(shè)備溫度等數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給主站。并且PLC是特殊情況下手動(dòng)控制功能的關(guān)鍵元器件，置于現(xiàn)場的手動(dòng)開關(guān)將通過PLC向執(zhí)行器發(fā)送命令。除此之外，PLC還承擔(dān)大量的計(jì)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(dāng)光照度不足時(shí)，及時(shí)打開補(bǔ)光燈，并且根據(jù)亮度控制補(bǔ)光燈打開的數(shù)量；當(dāng)光照度過強(qiáng)時(shí)，實(shí)時(shí)控制遮陽電機(jī)啟停和轉(zhuǎn)向。

3 環(huán)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

環(huán)控系統(tǒng)硬件構(gòu)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(jìn)行連接，通過MODBUS-RUT協(xié)議進(jìn)行通訊，現(xiàn)場手動(dòng)控制開關(guān)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(dòng)作。

圖2 溫室環(huán)控系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

3.1 PLC模塊

設(shè)計(jì)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(diǎn)輸入、8點(diǎn)繼電器輸出、1個(gè)以太網(wǎng)端口和1個(gè)RS485串行端口，可根據(jù)實(shí)際情況擴(kuò)展6個(gè)數(shù)字量/模擬量模塊和1個(gè)RS232/RS485可選的串行端口。該款PLC模塊I/O點(diǎn)數(shù)豐富，單體模塊點(diǎn)數(shù)可達(dá)60點(diǎn)，可滿足大部分中小型自動(dòng)化系統(tǒng)的控制要求。此外，其不僅售價(jià)便宜，可降低造價(jià)成本，而且內(nèi)存充足，響應(yīng)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(gè)傳感器構(gòu)建成通訊網(wǎng)絡(luò)，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(shè)計(jì)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(jià)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(zhuǎn)換為IP數(shù)據(jù)或?qū)P數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)通過無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送的無線終端設(shè)備[4]。設(shè)計(jì)選用拓普瑞TP 301系列4G DTU，內(nèi)置SIM物聯(lián)卡，可支持移動(dòng)、聯(lián)通、電信三大運(yùn)行商APN，只要有手機(jī)信號的地方均可以使用，無需另外構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，每月2元的GPRS流量費(fèi)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(diǎn)是穩(wěn)定可靠，組網(wǎng)靈活簡單，數(shù)據(jù)傳輸延時(shí)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(fèi)物聯(lián)網(wǎng)平臺。

4 環(huán)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

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(diào)試軟件；DTU模塊所需的TP調(diào)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(shè)置

在軟件設(shè)計(jì)里最基礎(chǔ)也是最關(guān)鍵的一步是實(shí)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?cái)?shù)據(jù)和操作命令傳達(dá)給PLC從而控制應(yīng)用層的各種執(zhí)行器。要實(shí)現(xiàn)正常通訊，在線路連接正確的基礎(chǔ)上，首先使用各設(shè)備的調(diào)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(yàn)位、串口數(shù)據(jù)位和串口停止位，如表1所示。

表1 子站設(shè)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(shè)備管理項(xiàng)目中創(chuàng)建新的設(shè)備組，選擇通訊協(xié)議為MODBUS-RUT，創(chuàng)建完成后則會(huì)顯示該設(shè)備的服務(wù)器地址，服務(wù)器端口號和序列號。然后打開DTU模塊配套的TP調(diào)試助手，設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)，如表2所示。配置完成后即可以實(shí)現(xiàn)各設(shè)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(shè)計(jì)

通訊設(shè)置完成后則可以在物聯(lián)網(wǎng)控制臺創(chuàng)建的項(xiàng)目中進(jìn)行數(shù)據(jù)連接和設(shè)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(bào)警信息和需要發(fā)布的控制命令，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)連接設(shè)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(shè)備進(jìn)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(xiàng)目。最后，用戶可以通過TLINK手機(jī)APP或者微信小程序隨時(shí)隨地的對溫室進(jìn)行監(jiān)控。

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

4.3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

使用STEP 7-Micro/WIN SMART進(jìn)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(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)超出設(shè)定值范圍時(shí)，啟動(dòng)對應(yīng)的執(zhí)行設(shè)備對溫室環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。從圖中可以看出，不同的傳感器和執(zhí)行器其實(shí)控制邏輯一致，編寫完成該控制邏輯的子程序，使用時(shí)直接調(diào)用即可，這樣可以極大的提高編程速度，減少程序輪詢時(shí)間。

圖3 PLC控制流程圖

5 系統(tǒng)試驗(yàn)

在15 m*20 m的蝴蝶蘭花卉溫室實(shí)訓(xùn)基地，依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)和PLC技術(shù)相結(jié)合的溫室環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)架進(jìn)行試驗(yàn)。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(shè)備，在確保各設(shè)備之間連接線正確的基礎(chǔ)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(yīng)等，一切正常后對各類數(shù)據(jù)進(jìn)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(guān)鍵傳感器采集的數(shù)據(jù)，求取其平均值和實(shí)測平均值進(jìn)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(shí)測值相對誤差為1.48%，CO2濃度傳感器采集值與實(shí)測值相對誤差為2.23%，空氣溫度傳感器采集值與實(shí)測值相對誤差為1.86%，空氣濕度傳感器采集值與實(shí)測值相對誤差為2.10%，土壤溫度傳感器采集值與實(shí)測值相對誤差為1.31%，土壤濕度傳感器采集值與實(shí)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(nèi)，傳感器測量精度合格。

表4 關(guān)鍵傳感器采集數(shù)據(jù)和實(shí)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(jìn)行環(huán)境調(diào)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(gè)過程中存在一定的響應(yīng)延遲，反饋誤差，數(shù)據(jù)干擾等問題。系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了PID智能區(qū)間控制方法[5]，進(jìn)一步提高了控制精度。溫室實(shí)訓(xùn)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(shí)停止生長，低于5℃持續(xù)低溫易死亡。設(shè)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(xué)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(shí)間常數(shù)，TD1、TD2為微分時(shí)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(jià)低廉。國內(nèi)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(jià)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(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)云平臺，再結(jié)合價(jià)格低廉但功能齊全，穩(wěn)定性高的PLC控制技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)，可以大大的減少監(jiān)控系統(tǒng)的造價(jià)。

5.3.2 系統(tǒng)節(jié)能減耗。系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析后，采用PID智能區(qū)間控制方法進(jìn)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(fèi)。

5.3.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)。國內(nèi)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(cuò)誤傳輸，導(dǎo)致系統(tǒng)紊亂。該環(huán)控系統(tǒng)采用傳感器冗余設(shè)計(jì)，有線數(shù)據(jù)傳輸，可以確保數(shù)據(jù)采集的精準(zhǔn)性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

5.3.4 系統(tǒng)擴(kuò)展性好。該環(huán)控系統(tǒng)結(jié)合了PLC技術(shù)，PLC具備穩(wěn)定性高，拓展性好等特點(diǎn)，不但可以兼容不同的設(shè)備、傳感器等，而且即使溫室技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，也可以在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級改造，不需要重新設(shè)計(jì)安裝。

5.3.5 系統(tǒng)操作容易，維護(hù)簡單。該環(huán)控系統(tǒng)可通過手機(jī)APP或小程序進(jìn)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(shù)，由技術(shù)人員使用遠(yuǎn)程移動(dòng)通訊設(shè)備對該系統(tǒng)進(jìn)行定期檢查和維護(hù)，減少農(nóng)戶后期維護(hù)的難度和費(fèi)用。

6 結(jié)語

結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和PLC技術(shù)設(shè)計(jì)的溫室環(huán)控系統(tǒng)，不僅可以使用戶通過手機(jī)24小時(shí)監(jiān)控溫室環(huán)境，實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境的自動(dòng)控制，促進(jìn)作物優(yōu)質(zhì)發(fā)育，而且該系統(tǒng)所選硬件設(shè)備成本較低，控制精度高，通訊穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。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(shí)，為提高性價(jià)比則需更換硬件選型。因大型溫室需要的環(huán)境監(jiān)測點(diǎn)和執(zhí)行器會(huì)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(shè)WIFI網(wǎng)絡(luò)替代物聯(lián)卡，減少因數(shù)據(jù)量增多產(chǎn)生的流量費(fèi)用。