0、 引言
随着我国城镇化建设的推进、农村富余劳动力的转移与土地流转速度加快,必将推动我国设施农业的现代化和自动化。设施化农业的不断发展,对温室大棚环境控制系统的要求也越来越高,这些不但要求控制系统能够实现对作物生长环境的众多环境因子的检测和控制,还要能够实现数据的存储、管理与分析的智能化管理。
温室环境因子一般包括: 温度、湿度、CO2浓度以及光照度等。这些量的采集仅仅依靠人工管理会出现调节不及时、不准确等问题,影响植物的正常生长,工作效率比较低。温室农业具有地域广阔、偏僻分散、相对距离较远等特点,要实现对分散在各地的温室进行状态监控,并对现场环境信息和作物生长状况,进行优化管理和控制,没有一个远程分布式监控系统是很难实现的。基于上述特点,针对农业温室环境的要求,提出了一种基于总线技术和 GPRS 远程监控系统设计方案。
1、 总线及 GPRS 的技术特点
1. 1 CC-Link 现场总线功能及特点
CC-Link( Control and Communication Link,控制与通信链路) 是亚洲地区的现场总线,具有通信速度快、数据容量大、通信稳定性高、维护方便等特点。同时,其具有备用主站功能、从站脱离功能、自动上线恢复功能、在线更换功能、通信自动恢复功能、网络监视以及网络诊断等功能。CC-Link 不仅支持处理位信息的远程 I/O 站,还支持以字为单位进行数据交换的远程设备站及智能设备站。
CC-Link 的特点: 可以减少配线,提高效率,每个模块都可以被分配或安装在设备中; 高速的输入输出响应,其通信速度可达 10Mbit/s,并且响应时间快,可靠和具有确定性; 主站与从站( 远程站) 之间的距离最长可达 1. 2km( 156kbit/s) ,通过使用中继器或光纤中继器,最大可延长至 13. 2km; 从站断开功能,即使一个模块系统因停电而失效不会影响其他正常模块的通信; 自动复位功能,即自动加入数据链接; 提供了一个可以信赖的网络系统,即使出现故障也可以帮助用户在最短时间内恢复网络系统。
1. 2 GPRS 通信技术
GPRS( General Packet Radio Service,通用分组无线业务) 是一种基于数据包的无线通信服务。它使用分组交换技术,通过在 GSM 系统上增加 SGSN 和GGSN 实现无线分组交换数据业务,在无线接口上是采用了动态信道分配方式,所以仅在有效数据通信时才占用物理信道资源,即按需分配信道资源。信道是共享使用的,在需要时才有包产生,因此既可以长时间保持在线,又没有占用信道,比专用的连接要节省资源。
GPRS 数据通信是基于数据分组传送的,支持中高速数据传输,数据传输速度可达 171. 2kbit/s; 能提供连续不断的数据通信业务,并永远在线,用户随时都可与网络保持连接; 通信费用是按流量计算,即根据客户接收和发送数据包的数量来收取费用; 不受地域限制,覆盖范围广,很少存在盲点,是一种经济便捷的通信方式,可以实现灵活的信息网络传输。本系统的远程监控是通过 GPRS 通信与互联网来实现的,现场控制终端与 GPRS 模块连接,通过 GPRS 模块将现场数据传送至服务器,监控中心通过互联网访问服务器从而实现远程监控。GPRS 模块上采用 TCP/IP协议进行双向数据通信。
2、 温室环境远程监控系统的总体结构设计
2. 1 远程监控系统的功能描述
该温室环境远程监控系统采用无线通信模块对现场设备站的数据( 温度、湿度、CO2浓度、风速以及光照度等参数) 进行采集和远程控制,通过人机界面或上位机对温室内的相关参数进行设定,并将设定值与读取值进行比较运算,运算结果用于控制远程设备站的执行器如: 加湿器、CO2发生器、供暖器、遮阳网、补光灯、窗户开启以及通风装置等。控制系统的总体设计架构,如图 1 所示。
2. 2 远程监控系统的组网及其功能
根据控制要求,设计网络结构如图 2 所示。系统主要由 GPRS 无线通信模块、基于总线的 PLC、现场操作站、远程访问系统、环境因子采集模块及执行控制设备等组成。PLC 不断从现场采集数据,并由 GPRSDTU 通信模块通过 RS232C 串口将数据进行读取,发送到远程服务器; 远程监控上位机通过访问该服务器,来读取和写入相应的信息。
GPRS DTU 模块上串口的波特率、数据位、校验位以及停止位,其设定值应与主站 PLC 串口参数一致,就可以将现场设备站发往串口的数据通过 GPRS 网络传送到 Intemet 网络,然后再通过远程服务器将数据传送到远程监控上位机上。GPRS DTU 端与服务器端的通信和协议转换的过程示意如图 3 所示。
2. 3 控制系统硬件设计
2. 3. 1 PLC 控制单元
总网控制 PLC 采用三菱 FX3G -40MT 的 PLC,不仅具有高速的计算速度而且还便于扩展其功能。主站通信模块为三菱 FX2N-16CCL-M。该模块作为主站和各个从站之间的通信,其扫描速度高达 125ms。远程设备站采用 FX3G-48MR 作为过程控制的中心控制单元,通过扩展模块 FX2N-32CCL 将远程设备站连入 CCLINK 网络,并与模数转换模块相连接来采集现场环境参数。远程 I/O 站采用的是 AJ65SBTB1-16D,作为远程数字输出端,来控制部分机械功能。
2. 3. 2 人机界面操作站
现场操作站选用 Tinkpad-L330/Core i5. 2. 5G/4.0G /320G 作为主计算机,配置 19 寸液晶显示器、打印机、UPS 电源,操作站上安装组态王 6. 55 组态软件,实现对现场设备状态的数据监控和视频监控功能。现场配备有 GOT1000/5. 6 英寸触摸屏,利用 GTDesigner3 组态软件进行组态,通过 RS422 与总网控制PLC 相连接。
2. 3. 3 GPRS 模块及通信参数设置
采用了无线通信 WG - 8010 GPRS DTU 模块,GPRS 通信参数配置过程分为 4 步: 选择通信协议; 设置服务器地址和端口号; 选择工作模式; 设置 DTU 串口通信参数。通信协议采用的是北京天同诚业科技有限公司基于 TCP/IP 协议开发的 Comway 通信协议,其与 COMWAY DATA -SERVER 通信服务器建立连接,具体配置如图 4 所示。
3、 上位机远程组态监控设计
上位机远程组态监控设计是基于组态王 6. 55 版本软件设计的。组态王软件是融过程设计、现场操作于一体的工业监控软件,用户可以实时获得系统的信息。
3. 1 组态软件与现场设备的通讯
现场设备采用的是三菱 FX 3G PLC( 在扩展口已加装了一块 FX-3G-232-BD 通讯模块) ,通过上位机与互联网的链接来监控与无线通信模块相连的现场设备。设备通讯的实现需要配置 I/O 通信,组态王通过 I/O 通道和 PLC( 在组态王中被称为“设备”) 建立通讯,读写被监控的 PLC 数据; 组态王所在的计算机和 PLC 作为通信的双方,需要各自配置相同的通信参数,才可以进行通信。现场控制器 PLC 的通信参数:波特率 9 600,偶校验,数据位 7 位,一个停止位。因此,只需要对组态王所在计算机的串口配置相同的通信参数即可。
3. 2 上位机组态监控的设计
通过建立数据库变量,然后将 I/O 变量与数据库变量进行关联,在变量组中选择所对应的软元件。依据控制要求设计完成的主监控画面。在运程监控画面中,可以实现对温室环境因子的采集和控制,通过输入设定值、环境平衡等参数,方便操作人员的操作管理; 同时,可以监视现场设备运行状态,如工艺画面、报警记录、操作日志及报表输出等。
4、 结论
将 CClink 现场总线和 GPRS 无线通信技术应用在该系统后,管理员对大棚的监控达到了高效、实时、远程监控的目的,不仅在现场可以实时监控,通过互联网也可对温室大棚内的生长环境因子等实现监控。
系统实现的功能如下: 温室内各环境因子进行实时监控,使其稳定在预定的范围内,如温度、CO2浓度、空气湿度、光照度等; 通过无线通信实时监控温室内各环境因子的变化并进行控制; 可根据植物生长周期的需要和自然界光照的变化对温室内红色、蓝色 LED 光源进行自动配光和补光。试验证明,基于总线技术和GPRS 的远程监控系统实时性较好,能满足对农作物生长环境因子的控制要求,系统运行可靠、维护方便。
参考文献: [1] 刘会忠,吴修文,冯晓霞,等. GPRS 技术在温室大棚环境监控中的应用[J]. 农业装备与车辆工程,2010( 4) : 52-53. [2] 王春峰,王清清,张飞飞,等. 基于 CC-Link 的温室大棚监控系统设计[J]. 农机化研究,2011,33 ( 12) : 147 -150. [3] 赵凯,杨叔连. 温室大棚环境参数无线监控系统[J]. 山东理工大学学报,2010,24( 2) : 94. [4] 于海业,马成林,王振华,等. 远程控制技术在温室环境控制中的应用现状分析[J]. 农业机械学报,2003,34( 6) : 160. [5] 孙忠富,曹洪太,杜克明,等. 温室环境无线远程监控系统的优化解决方案[J]. 沈阳农业大学学报,2006,37( 3) : 270-273. [6] 赵英红. 基于 GPRS 的大棚智能监控系统的设计与实现[J]. 安徽农业科学,2008,36( 18) : 7931-7932. [7] 王辉. 三菱电机通信网络应用指南[M]. 北京: 机械工业出版社,2010: 144-153. [8] 赵继春,于峰,栾汝朋,等. 基于 GPRS 智能温室环境监控系统的设计[J]. 农机化研究,2008( 5) : 95-96. [9] 王孝良,宋国振,安毅. 基于 GPRS 的远程实时数据采集监控系统[J]. 仪器仪表与分析监测,2005( 1) : 23-26. [10] 吴文彪,姚建豪,沈建伟. 基于 GPRS 测井资料实时远程传输系统[J]. 石油仪器,2005,19( 14) : 72-73.