物聯網和PLC技術相結合的溫室環控系統

李 鵬，馬亞勤*，方云強，賴名浪

（1.廣西農業職業技術大學，廣西南寧 530007；2.廣西建匯汽車銷售服務有限公司，廣西南寧 530007）

0 引言

通過溫室大棚技術，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育依舊受到多種環境因素的影響。眾所周知，溫室環境系統是一個較為復雜的系統，本身有著非線性、時變、滯后復雜等特征[1]。這些特征對溫室環境監控系統的精準性、及時性提出了更高的要求。筆者將物聯網技術和PLC技術相結合，設計了一種溫室環境監控系統，該系統可通過手機APP、電腦瀏覽器等對溫室環境進行全天候實時監控、數據云端分析、參數設置、歷史數據查詢等，經過系統綜合數據分析，可通過物聯網遠程自動控制電機、水泵、風機、補光燈等環境控制設備，調控大棚內環境保持適宜作物生長的范圍。同時，系統輔助配置手動控制功能，在特殊情況或緊急情況時可以手動控制環控設備的啟停。

1 環控系統總體架構

該溫室環控系統將物聯網技術和PLC技術相結合，系統總體構架如圖1所示。物聯網平臺作為主站，通過帶有物聯卡的DTU（Data Transfer unit）無線終端模塊接收PLC控制器、環境數據采集傳感器等子站的實時數據，對數據進行存儲計算，實時展示給手機APP、PC瀏覽器、微信小程序等客戶終端設備。同時用戶也可以通過終端設備將數據和命令發送給物聯網平臺，物聯網平臺再通過DTU模塊將命令下發給PLC控制器，控制電機、水泵、風扇、補光燈等環控設備的動作。

圖1 溫室環控系統總體架構圖

2 環控系統關鍵技術

2.1 物聯網技術

物聯網誕生于互聯網基礎之上，是對互聯網的擴展，它將計算機網絡擴展為物-物相聯的更大的通信網絡[2]。物聯網技術將無處不在的末端設備和設施，通過無線或有線的通訊網絡實現互聯互通，具有在線檢測、定位追溯、遠程控制、遠程維保、在線升級等管理和服務功能。系統通過帶有物聯卡的DTU模塊和物聯網平臺云端服務器構建完成無線通訊網絡，現實了手機、電腦、傳感器、PLC控制器、環控執行器等設備的互聯互通。

2.2 PLC技術

PLC即可編程序控制器，它具有高可靠性、高穩定性以及操作靈活方面等特點，使得其可以在惡劣的環境下，長時間的進行運轉工作，并且該控制器編程以及后期維護均較為簡單方便[3]。系統中PLC作為子站，接收主站發送來的命令，控制環控設備的運行，同時將環控設備的啟停狀態、工作電流、開啟角度、設備溫度等數據實時反饋給主站。并且PLC是特殊情況下手動控制功能的關鍵元器件，置于現場的手動開關將通過PLC向執行器發送命令。除此之外，PLC還承擔大量的計算工作，根據空氣溫濕度傳感器、光照度傳感器、二氧化碳濃度傳感器等環境感知傳感器采集的數據，使用PID算法完成閉環控制，比如根據光照度傳感器的數據，當光照度不足時，及時打開補光燈，并且根據亮度控制補光燈打開的數量；當光照度過強時，實時控制遮陽電機啟停和轉向。

3 環控系統硬件設計

環控系統硬件構架圖如圖2所示，DTU模塊，環境數據采集傳感器和PLC模塊之間采用一條RS485總線進行連接，通過MODBUS-RUT協議進行通訊，現場手動控制開關通過數字量輸入DI發布命令給PLC，PLC通過數字量輸出DO控制各執行器的接觸器動作。

圖2 溫室環控系統硬件架構圖

3.1 PLC模塊

設計選用西門子S7-200 SMART作為PLC控制模塊，具體型號為CPU SR20 AC/DC/RLY，自帶12點輸入、8點繼電器輸出、1個以太網端口和1個RS485串行端口，可根據實際情況擴展6個數字量/模擬量模塊和1個RS232/RS485可選的串行端口。該款PLC模塊I/O點數豐富，單體模塊點數可達60點，可滿足大部分中小型自動化系統的控制要求。此外，其不僅售價便宜，可降低造價成本，而且內存充足，響應迅速，控制精度較高。

3.2 環境數據采集傳感器

系統環境數據采集均選用具有RS485通訊功能的傳感器，其優勢在于可以通過一條RS485總線將多個傳感器構建成通訊網絡，再通過MODBUS-RUT協議將采集的數據傳輸給物聯網平臺和PLC控制器。這樣設計不僅可以去除傳統PLC控制系統中所需的模擬量控制模塊，較大程度降低系統造價成本，而且可以減少現場安裝布線，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據轉換為IP數據或將IP數據轉換為串口數據通過無線通信網絡進行傳送的無線終端設備[4]。設計選用拓普瑞TP 301系列4G DTU，內置SIM物聯卡，可支持移動、聯通、電信三大運行商APN，只要有手機信號的地方均可以使用，無需另外構建互聯網網絡，每月2元的GPRS流量費用即可以滿足都多數中小型溫室環控系統的數據交換。其優點是穩定可靠，組網靈活簡單，數據傳輸延時較小，系統使用的RS485通訊功能，可以方便快捷的接入TLINK免費物聯網平臺。

4 環控系統軟件設計

本系統涉及軟件較多，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通訊功能的環境數據采集傳感器所需的串口調試軟件；DTU模塊所需的TP調試助手；以及作為主站的TLINK物聯網控制臺。

4.1 系統通訊連接設置

在軟件設計里最基礎也是最關鍵的一步是實現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據可以快速的傳送給控制層的物聯網控制臺，物聯網控制臺可以將監控數據和操作命令傳達給PLC從而控制應用層的各種執行器。要實現正常通訊，在線路連接正確的基礎上，首先使用各設備的調試軟件為它們分配不同的通訊地址，相同的串口波特率、串口校驗位、串口數據位和串口停止位，如表1所示。

表1 子站設備通訊參數列表

其次在TLINK物聯網平臺注冊賬號后登錄控制臺，在設備管理項目中創建新的設備組，選擇通訊協議為MODBUS-RUT，創建完成后則會顯示該設備的服務器地址，服務器端口號和序列號。然后打開DTU模塊配套的TP調試助手，設置各項參數，如表2所示。配置完成后即可以實現各設備之間的數據交換。

表2 DTU模塊主要通訊參數配置列表

4.2 物聯網控制臺設計

通訊設置完成后則可以在物聯網控制臺創建的項目中進行數據連接和設備組態。首先，需要添加用戶需要了解的各種環境參數、報警信息和需要發布的控制命令，然后進行數據連接設置，包括從站通訊地址，功能碼，映射地址偏置位以及數據格式等（表3）。其次，可利用系統自帶的素材庫對各設備進行云組態，使用戶的使用界面更加直觀明了。組態完成后即可發布創建的組態項目。最后，用戶可以通過TLINK手機APP或者微信小程序隨時隨地的對溫室進行監控。

表3 物聯網控制臺主要數據設置列表

4.3 PLC控制系統設計

使用STEP 7-Micro/WIN SMART進行程序編寫，該軟件支持模塊化程序編寫。PLC控制流程如圖3所示，PLC將讀取的傳感器數值和參數設定值進行比較，當超出設定值范圍時，啟動對應的執行設備對溫室環境進行調節。從圖中可以看出，不同的傳感器和執行器其實控制邏輯一致，編寫完成該控制邏輯的子程序，使用時直接調用即可，這樣可以極大的提高編程速度，減少程序輪詢時間。

圖3 PLC控制流程圖

5 系統試驗

在15 m*20 m的蝴蝶蘭花卉溫室實訓基地，依據物聯網和PLC技術相結合的溫室環控系統設計構架進行試驗。正確安裝系統所需的環境數據采集傳感器、執行器、控制器等硬件設備，在確保各設備之間連接線正確的基礎上，測試軟件通訊是否正常，數據顯示是否缺失，執行命令是否響應等，一切正常后對各類數據進行記錄和分析。

5.1 參數采集精度分析

在物聯網平臺記錄的數據庫中，選取10組關鍵傳感器采集的數據，求取其平均值和實測平均值進行比較，分析傳感器的測量誤差（見表4）。光照度傳感器采集值與實測值相對誤差為1.48%，CO2濃度傳感器采集值與實測值相對誤差為2.23%，空氣溫度傳感器采集值與實測值相對誤差為1.86%，空氣濕度傳感器采集值與實測值相對誤差為2.10%，土壤溫度傳感器采集值與實測值相對誤差為1.31%，土壤濕度傳感器采集值與實測值相對誤差為1.84%，系統采集的主要參數均在可接受的誤差范圍內，傳感器測量精度合格。

表4 關鍵傳感器采集數據和實測數據誤差分析

5.2 控制精度分析

在環境控制系統中，上位控制器將命令發送給現場執行器，執行器工作進行環境調整，現場傳感器再將采集的數據反饋給上位控制器，這個過程中存在一定的響應延遲，反饋誤差，數據干擾等問題。系統設計采用了PID智能區間控制方法[5]，進一步提高了控制精度。溫室實訓基地培養的花卉蝴蝶蘭，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℃以下低溫時停止生長，低于5℃持續低溫易死亡。設定溫度區間為[m，n]，空氣溫度傳感器檢測值為y，控制量為u，其數學模型為：

其中，e1=m-y，e2=n-y，KP1、KP2為比例系數，TI1、TI2為積分時間常數，TD1、TD2為微分時間常數。由表5比較可知，區間控制方法精度明顯高于傳統的單輸入單輸出控制方法。

表5 控制精度比較

5.3 系統優勢分析

5.3.1 系統造價低廉。國內外現在的溫室大棚監控系統，多是為連棟溫室群，造價十分昂貴，不適合小型的溫室農戶。該系統基于現在成熟的物聯網基礎上，利用物聯網云平臺，再結合價格低廉但功能齊全，穩定性高的PLC控制技術進行設計研發，可以大大的減少監控系統的造價。

5.3.2 系統節能減耗。系統對采集的數據進行處理分析后，采用PID智能區間控制方法進行閉環控制，該控制方式可以有效的避免電能、水資源的的浪費。

5.3.3 系統數據精準。國內外現在的溫室大棚監控系統，多采用無線傳輸模塊傳輸數據，容易受到通訊干擾發生錯誤傳輸，導致系統紊亂。該環控系統采用傳感器冗余設計，有線數據傳輸，可以確保數據采集的精準性和數據傳輸的穩定性。

5.3.4 系統擴展性好。該環控系統結合了PLC技術，PLC具備穩定性高，拓展性好等特點，不但可以兼容不同的設備、傳感器等，而且即使溫室技術進一步發展，也可以在該系統的基礎上進行升級改造，不需要重新設計安裝。

5.3.5 系統操作容易，維護簡單。該環控系統可通過手機APP或小程序進行監控操作，操作界面簡明直觀，對操作人員要求低。且可以通過物聯網技術，由技術人員使用遠程移動通訊設備對該系統進行定期檢查和維護，減少農戶后期維護的難度和費用。

6 結語

結合物聯網技術和PLC技術設計的溫室環控系統，不僅可以使用戶通過手機24小時監控溫室環境，實現溫室環境的自動控制，促進作物優質發育，而且該系統所選硬件設備成本較低，控制精度高，通訊穩定，抗干擾能力強。文章介紹的控制系統更適用于中小型溫室，用于大型溫室時，為提高性價比則需更換硬件選型。因大型溫室需要的環境監測點和執行器會增加很多，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WIFI網絡替代物聯卡，減少因數據量增多產生的流量費用。