基于單片機與PLC協(xié)作的大棚智能監(jiān)控

龔志遠，甘偉欣，龍 銘，吳權(quán)立

（華東交通大學，南昌 330013）

0 引言

農(nóng)業(yè)自古以來一直是社會發(fā)展的重要基石，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和農(nóng)民的生活水平是國家農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。大棚可以給作物提供合適的生長環(huán)境，不受季節(jié)和天氣的影響。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，傳感器替代人體感知，智能測控大棚作物的生長環(huán)境，可更加有效地利用資源，縮短作物的生長周期，使作物增產(chǎn)增收，提高經(jīng)濟效益[1]。國外大棚的監(jiān)測和管理發(fā)展較早，我國作物大棚環(huán)境參數(shù)的自動調(diào)節(jié)和控制的研究還處于初步階段，作物大棚環(huán)境靠人工根據(jù)經(jīng)驗進行管理，勞動強度大、監(jiān)控實效性差、成本高、精度低等問題，嚴重影響設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展[2]。采用傳感技術(shù)、控制技術(shù)、計算機技術(shù)等先進技術(shù)來構(gòu)建作物大棚監(jiān)控系統(tǒng)變得尤為重要[3]。

1 模型系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

大棚環(huán)境監(jiān)測模型系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)主要包括單片機數(shù)據(jù)采集、無線通信、PLC監(jiān)控、觸摸屏終端模塊；觸摸屏包括照明、遮光、噴滴灌、排風等執(zhí)行模塊[4]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)實施過程為：傳感器和單片機將大棚的溫度、濕度、光照等環(huán)境參數(shù)采集后，經(jīng)無線通信到PLC，實現(xiàn)觸摸屏人機交互，以觀測大棚的環(huán)境變化，并根據(jù)作物種類、天氣情況設(shè)置預設(shè)參數(shù)，手動控制通風、遮陽、加濕等執(zhí)行模塊，或按控制策略程序自動控制，以達到改善作物生長環(huán)境的需求[5]。

圖1 模型系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件

信息采集選用STC89C51單片機；RS485無線通信選用WSN-02模塊；控制核心選用HW-PLC；傳感器選用溫度、光照、CO2、濕度等；執(zhí)行機構(gòu)包括照明、遮光、噴滴灌、排風、空調(diào)等。

2.1 無線發(fā)送模塊

傳感器采集的環(huán)境信息由單片機通過無線RS485模塊通信到PLC，以實時監(jiān)控大棚環(huán)境。硬件連接如圖2所示。

圖2 信號采集硬件連接圖

2.2 PLC接口

PLC的工作模式有兩種：手動控制與自動控制。手動控制是根據(jù)輸入控制相應(yīng)的輸出，自動控制是按策略程序自動控制相應(yīng)的輸出。手動控制的PLC接口如圖3所示，I/O定義如表1所示。

圖3 PLC接口圖

表1 PLC I/O定義

2.3 實物模型

模型包括三部分：1）遮陰、排風、噴霧、滴灌、照明等裝置；2）控制箱；3）傳感器部件。作物大棚模型如圖4所示。

圖4 作物大棚模型

3 系統(tǒng)軟件

3.1 無線通信關(guān)鍵程序

RS485通信遵守MODBUS協(xié)議。PLC中內(nèi)置了協(xié)議，而單片機需要編寫與PLC匹配的協(xié)議[6]。MODBUS協(xié)議是一種常用協(xié)議，應(yīng)用在機電控制等領(lǐng)域。在該協(xié)議的作用下，同類設(shè)備、不同設(shè)備間可以實現(xiàn)通信功能。協(xié)議具有ASCII和RTU兩種串行傳輸模式，采用的是LRC和CRC校驗。模塊通過單片機將傳感器采集的信息以無線傳輸方式發(fā)送至PLC端。

3.1.1 單片機通信程序要點

1）配置通信格式：波特率、數(shù)據(jù)位、停止位；

2）串口監(jiān)控；

3）取CRC檢驗碼；

4）讀串口接收數(shù)據(jù)（主機發(fā)送數(shù)據(jù)）；

5）串口寫入（響應(yīng)主機）；

6）功能代碼函數(shù)。

3.1.2 PLC通信程序

PLC通過設(shè)定寄存器來配置通信格式，并通過指令MODRD來與從機通信。涉及的寄存器如表2所示。PLC通信程序如圖5所示。

表2 RS485通信相關(guān)寄存器

表2 （續(xù)）

圖5 PLC通信梯形圖程序

3.2 PLC控制程序策略

利用傳感器實時采集大棚環(huán)境參數(shù)，處理后發(fā)送，PLC接收的信息的AD值存儲到D2460～D2475，PLC按照自動控制的策略，調(diào)取數(shù)據(jù)存儲器的數(shù)據(jù)，與觸摸屏預設(shè)的閾值作比較，自動控制大棚環(huán)境的執(zhí)行機構(gòu)，以實現(xiàn)大棚環(huán)境參數(shù)的綜合管理，軟件流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖

3.3 觸摸屏界面

為了實現(xiàn)人機對話，應(yīng)用觸摸屏可監(jiān)測作物大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，可進行控制模式視情轉(zhuǎn)換。觸摸屏界面主要有3屏，分別是：主頁面、自動控制頁面、手動控制頁面，通過相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置和實時數(shù)據(jù)的反饋，實現(xiàn)大棚系統(tǒng)的一體化。界面如圖7所示。

圖7 觸摸屏界面

3.4 數(shù)據(jù)處理

信息通信到PLC的是環(huán)境參數(shù)的數(shù)字量，這些數(shù)字量與實際物理量存在著相關(guān)性，需要找到數(shù)字量與實際物理量的關(guān)系。借助軟件可進行曲線擬合。環(huán)境參數(shù)的擬合過程都是一校，僅以光強曲線擬合為例。

通過串口調(diào)試助手或D2460～D2475記錄傳輸?shù)膫鞲衅髂M量的AD值，利用照度計TES-1330A測量光照強度，測量的數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 照度計測量數(shù)據(jù)

借助MATLAB軟件，數(shù)字量作為X輸入，光照度作為Y輸出，線性擬合后，可得方程Y=185-X，PLC計算后，將環(huán)境信息的AD值還原成實際的物理量值。

4 結(jié)論

實現(xiàn)了一種基于單片機和PLC協(xié)作的大棚監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建，搭建的作物大棚模型實現(xiàn)了棚內(nèi)環(huán)境的智能監(jiān)控。影響作物生長的因素很多，模型只涉土壤濕度、空氣濕度、大棚溫度、光照強度，CO2濃度五個參數(shù)的監(jiān)測，PLC制定相應(yīng)的策略，接受人機界面的指令，控制通風、照明、加濕、滴灌等執(zhí)行元件動作。利用傳感器和單片機采集數(shù)據(jù)，并通過無線傳感技術(shù)將數(shù)據(jù)傳到控制端，可減少配線、遠距離傳輸、安裝靈活，功耗低、優(yōu)化作業(yè)環(huán)境等；利用PLC和觸摸屏控制，滿足大棚作物生長環(huán)境的可視化，可控化、智能化。搭建的大棚模型采集了相關(guān)的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對大棚環(huán)境的可視化決策和控制，實驗驗證結(jié)果表明，系統(tǒng)具有較好的可控性和可行性。