煙葉烘烤溫濕度物聯網監控系統設計*

周文亮 ，王 靖 ，范東升 ，許明忠 ，羅勤站 ，宋戰鋒

（1.廣西壯族自治區煙草公司百色市公司，廣西 百色 533000；2.西南大學智能傳動工程技術研究中心，重慶 400716）

0 引言

煙葉采烤是整個煙草農業中用工最多、投入最大的環節，俗話說“三分栽七分烤”，而煙葉烘烤一直是烤煙生產發展的瓶頸，烘烤水平的高低直接關系煙農的收入水平[1-2]。溫濕度條件是影響煙葉烘烤質量最關鍵最直接的因素，研究探索溫濕度與煙葉烘烤品質的關系，對于發展煙葉、提高煙農收入具有重要意義[3]。

目前煙葉烘烤多采用人為控制或半自動控制方式[4]，部分地區已在使用烤房控制器，它是一種電子自動控制設備，具有將溫濕度信息數字化并與設置的曲線進行對比來反饋控制的功能，從而實現自動化的煙葉烘烤，滿足了當前大量煙葉烘烤的需求，有效提高了烘烤效率和質量，減少了管理工作。 為進一步深度研究煙葉烘烤，相關企業和科研院所開發了多種專用的煙葉烘烤模擬烤房，技術水平不斷提高，尤其是溫濕度的控制精度基本能夠滿足試驗要求，但在整體性能和功能完善方面，仍沒有達到理想效果，存在保濕困難、溫度場不均勻、氣流強度不能調節、傳感器種類和數量較少等問題，沒有物聯網監控平臺，管理人員不能實時知曉烤房內溫濕度信息，不能及時處理烤房內溫度異常等緊急問題，也不能隨時查詢以往煙葉烘烤的溫濕度數據信息以分析優化烘烤曲線[5]。 本文通過GRM230 物聯網系統和PLC 控制系統設計搭建的物聯網遠程監控系統，能實時遠程更新并保存當前溫濕度數據，且具備報警和干預功能，有效滿足了煙農或烤房管理人員的需求，對進一步集群遍布在各個村寨的烤房信息具有支撐作用。

1 物聯網系統組成

該物聯網遠程監控系統主要由GRM230 等模塊組成，如圖1 所示。GRM230 用于實現物聯網功能，PLC 用于實現邏輯輸出控制和信號采集，變送器用于溫濕度傳感器信息的采集轉換，繼電器組用于控制單元開關量控制，開關電源用于將220V 交流電轉換為穩定24V 直流電，PC電腦則用于組態軟件設計及監控。

圖1 物聯網系統結構圖

1.1 GRM230 模塊

該監控系統核心模塊是GRM230，它是巨控科技用于實現遠程監控和數據采集的4G 無線通訊模塊，能直接通過RS485 接口直接與PLC、儀器儀表、傳感器等通訊；具有本機IO 功能，對于簡單的項目可以直接通過本機IO 口實現開關量控制和模擬量數據的輸入采集和輸出控制；具有多重通訊和非透明加密壓縮傳輸功能，不僅節約流量，還解決了傳統GPRS DTU 不穩定、使用復雜的問題；該模塊還提供免費的多點上位機組態軟件，節約了組態購買的開支，提供云監控服務、通用APP 和內置網頁，管理人員可以在任何有網絡的地域登錄APP 查看數據，當遇到緊急情況時，也可以通過配置軟件設置短信報警，便于及時處理；用戶可以設置數據保存條件，實現溫濕度數據的長期保存，以便后期通過API 接口讀取和分析數據庫數據。

1.2 PLC 模塊

該遠程監控系統使用的控制模塊為三菱PLC，為充分考慮系統后期功能擴展，點數需求變多，該PLC 選用了板式 FX3U-32MT，主要支持 24 點輸入、16 點輸出、6 路高速輸出脈沖、6 路高速脈沖輸入、2 路模擬量輸入、2 路模擬量輸出、RS232（編程口）和 RS485 通訊等功能。 其中 AD1、AD2 為 0～10V 的輸入通道，GND 為輸入零電位，+5V 主要用于有外部精密電源需求的電壓信號。 該PLC 軟件兼容三菱梯形圖編程軟件，支持GX-developer 8.86 以及GXWorks2 等軟件，支持在線監控和運行中下載，程序內存高達64 000 步，指令功能齊全，滿足了系統需要。 該物聯網監控系統中，PLC 主要用于核心模塊GR230 通訊、采集溫度變送器提供的模擬量電壓信號和輸出控制繼電器組。

1.3 溫濕度變送器

溫濕度變送器是一種將溫濕度探頭作為測溫元件，并經過穩壓濾波、運放、校正、V/I 轉換等電路處理后，轉換成與實際溫濕度成線性關系的電壓信號和電流信號的一種變送器裝置，有的變送器還通過主控芯片提供485 或232 等輸出接口供選擇。該物聯網監控系統所用的溫濕度變送器選用的型號為HSTL-102WS 提供的輸出信號多樣，包括三線制 DC4-20mA、DC0-5V、DC0-10V 和兩線制的 DC4-20mA、RS485 MOUDBUS RTU 協議信號。 當采用模擬輸出時，如數據為0 或輸出值不在量程范圍內，須仔細檢查接線是否牢固，當采用協議讀取變送器溫濕度數據時，可以通過配置通訊格式，直接通過讀取寄存器數據即可實現溫濕度數據的采集：溫度數據0000H、濕度數據0001H、設備地址0017H。

1.4 開關電源

由于該監控系統中主要模塊均采用24V 直流電，因此，需要將220V 交流轉換成穩定的24V 直流電，同時考慮到電源的負載和壽命、 電壓的穩定性以及電磁干擾對系統的影響，電源選用了型號為EDR-120-24 的開關電源，該電源符合歐盟EMC 電磁兼容EN61000-6-2 抗干擾標準，可在惡劣的電磁環境下正常工作，具備3 000VAC的隔離耐壓，即使輸入端有3 000VAC 的雷擊對設備也不會有影響，同時該電源還具有短路保護、過載保護、過熱保護等功能。

1.5 繼電器組

在煙葉烘烤中，涉及到的控制單元較多，如加熱單元、電動風閥、排濕風機等，這些單元中有的是開關信號，有的需要通過控制信號模擬調節，每個可調節的單元輸入端一般可配備一電源輸出接觸器，以便緊急情況發生時關閉或者管理人員根據報警等級選擇性關閉，以免造成嚴重后果。 該監控系統設計上暫時只考慮到一個加熱單元的開關信號，通過PLC 控制電磁閥間接實現接觸器的控制，在后續進一步擴大優化系統后，會增加更多的控制單元。

2 溫濕度采集系統設計

2.1 溫濕度變送器

該系統選用的變送器的溫濕度精度較高分別為±0.3%和±3%RH，其溫度量程為-40℃～120℃，濕度量程為0%RH～100%RH，由于選用的PLC 模擬量輸入僅支持0～10V 模擬量電壓信號，因此，變送器的溫濕度信號輸出形式選擇了DC0-10V 便于采集。同時，由于整個系統的模塊共用24V 電源，溫濕度變送器的白色溫度信號和棕色濕度信號可以直接接入AD1 和AD2，其接線圖如2 所示。

圖2 溫濕度變送器接線圖

2.2 PLC 編程及其 IO 分配

該物聯網監控系統主要用于實現溫濕度數據采集的同時實現開關量的控制，系統中需用到的IO 口及寄存器如表1 所示。

表1 PLC 輸入輸出信號對照表

三菱PLC 通過讀取數據寄存器D8112 和D8113 即可將溫濕度變送器0～10V 的模擬量電壓信號轉變為數字量0～4095，為便于數據管理該設計通過MOV 指令將轉換后的數字量其轉存至D100 和D102 中，最后并通過數學線性運算將溫濕度數據轉換成實際的溫濕度數值，并保存至數據寄存器D200 和D202 中。數據寄存器D300 用于儲存上限溫度值，當烤房內溫度逼近預設溫度值時，監控系統提示報警，管理人員可根據報警提示選擇性按下緊急停止按鈕切斷加熱棒電源開關；當烤房內溫度繼續爬升超過預設溫度值一定時間時，Y3 自動斷開加熱單元繼電器從而關閉加熱棒單元，烤房停止煙葉烘烤，同時發出短信報警提示管理人員現場排除故障，當故障排除后管理人員需遠程解除報警，才能重新啟動加熱單元。

3 物聯網模塊配置及組態界面設計

3.1 GRM230 模塊配置

該物聯網監控系統模塊使用的配置軟件為Grmdev5，通過該軟件能實現快速連接指定PLC、 添加數據詞典、添加短信報警、設置來電動作、設置短信控制和事件邏輯控制、新建定時器以及設置用戶權限等功能。

該監控系統使用的PLC 為三菱PLC，GRM230 模塊與PLC 通過編程口直接相連，因此，在配置COM 參數時需選擇驅動名稱為 MITSUBISHI FX 系列PLC 編程口協議，并設置端口信息與三菱PLC 端一致：數據位7，停止位1，波特率9 600，偶校驗，并新建設備1； 將溫度數據寄存器D200、濕度數據寄存器D202、溫度上限寄存器D300、緊急停止輔助繼電器M1 和報警解除輔助繼電器M2 添加至數據詞典，設置變量名稱分別為溫度、濕度、溫度上限、緊急停止和報警解除，如圖3 所示。

圖3 變量名稱列表圖

添加短信條件報警，當溫度大于或等于溫度上限時，向管理員或農戶發送報警短信，短信內容參照模板包括時間、日期、報警名稱、報警描述，也可以通過配置報警參數將當前溫度值和溫度上限數據一并發送。

添加事件控制，按照系統要求，當溫度數據超限時，除了發送報警短信還需要觸發Y3 關閉加熱單元。 在事件控制編輯器中添加觸發表達式與短信觸發條件一致，選擇觸發模式為：表達式為真，觸發1 次（帶延時），設置延時數值為3 000，即5min，執行事件的內容為置位M1，關閉加熱單元。

該監控系統的管理人員有時不止一個，不同的人員管理權限也不一樣，低權限的人員只能查看信息，高權限的人員不僅具有低權限人員的全部權限，還具備設定的更高權限，比如直接操作數據，解除報警等。 設置短信用戶和組可以區別不同權限的手機號，系統會自動識別并執行響應相應用戶的指令。

3.2 組態設計

模塊配置并編譯完成之后，通過有線網口將工程下載至模塊。 通過GRM OPC 管理器添加GRM 網絡設備并輸入設備序列號和設備密碼，即可刷新配置的數據詞典，通過GiantView 組態軟件配置OPC 協議即可將數據添加至組態軟件，并默認刷新周期為500ms，從而進一步在軟件中添加控件、腳本、報警等信息實現組態界面的編程。

該監控系統需用到的基本控件包括按鈕、 文本和圖片，用于實現緊急停止、報警解除和溫度上限值得設定；需用到的高級控件包括實時曲線圖、歷史曲線圖、實時報警窗口和歷史報警窗口等，實時曲線圖和實時報警窗口用于溫濕度數據和報警信息的在線顯示，歷史曲線和歷史報警窗口用于管理人員隨時查看以往溫濕度數據和報警信息。在使用報警窗口前需添加報警變量，設置報警界限和對應的報警信息。 最終監控界面的主界面如圖4 所示。

圖4 監控組態顯示

為滿足大量數據的長時間保存，組態軟件的數據記錄功能可以設置記錄觸發條件、記錄類型（定時記錄或數據變化時記錄）和記錄的變量名稱，該監控系統主要需要記錄的信息包括時間和溫濕度數據即可，在后期需要更多功能時還可以根據實際情況不斷擴展，由于該數據記錄功能有容量限制，用戶需根據使用情況選擇不同的容量標準或盡可能降低保存頻次以節約空間成本。

4 結語

該物聯網監控系統實現了基本的煙葉烘烤溫濕度監控功能，實現了歷史溫濕度數據的記錄和查詢功能，實現了報警功能和遠程控制功能，在一定程度上為管理人員提供了便利，但仍然存在功能不完善等缺陷，在后期將不斷優化功能組件，實現將數據存儲管理和分析相結合，集烘烤智能控制和遠程監控功能于一體的物聯網控制系統。