周一至周五 | 9:00—22:00

期刊论文网 > 农业论文 > 农业技术论文 > 最新农业技术论文 物联网技术在温室大棚环境中的应用研究

最新农业技术论文 物联网技术在温室大棚环境中的应用研究

2018-11-28 11:01:08来源:组稿人论文网作者:婷婷

  摘要

  物联网技术是一项综合了无线传感器、嵌入式、数据库以及编程等的互联网新技术,其已经在智能家居以及汽车生产等领域得到广泛应用。作为农业生产领域的崭新手段,建立一个农业温室大棚的控制系统,完成大棚的环境参数的实时监控、电气系统的智能控制,达到大棚的科学管理化,具有重要的现实意义。但是在实际运用之中,农业温室大棚仍然存在智能化程度不高,传输手段单一,控制软件功能缺乏等问题。内蒙古自治区阿尔山市当期政府针对当地寒雪气候对农业造成的不利影响,计划建设全方面的智能温室大棚(每个大棚占地768平方米)作为农业示范区,并在将来进行进一步的推广,本课题正是基于该现实项目进行的研究。该课题主要分为现场控制系统以及数据监控平台两个部分的设计。

  关键词:温室大棚;物联网;控制系统;监控管理

  第一章 绪论

  1.1研究意义

  中国的土地面积位居世界第三,人口数量位居世界第一,可是中国人均可耕种的土地面积非常少,且出现逐年减少的趋势,粮食的的供应面临着严峻的考验。由于我国城市化进程的不断推进,城市建设占用了大量的耕种土地,农村人口涌入城市,而从事农业生活生产的劳动力却出现严重不足,使这一现实问题更加严峻。因此,现阶段我国农业的发展必须要大力转变发展模式,向农业现代化、工业化方向发展,努力提高农业生产效率。

  内蒙古自治区阿尔山市当期政府针对当地寒雪气候对农业造成的不利影响,计划建设全方面的智能温室大棚,作为农业示范区,并在将来进行进一步的推广,其主要参数如表1.1所示。

  表1-1大棚规格

  1.2研究现状

  1.2.1国外研究现状

  美国是信息技术最成熟的国家,美国的农场在很早以前就采用了自动化控制管理技术,仅有几个人就管理着几百公顷的耕地。由于美国农业人口相对较少、人均耕作面积大加上其强大的科技实力,使以上情况得以实现。在美国,温室大棚自动化管理程度也很高,室温控制技术、CO₂浓度调节技术、光照补偿技术、水肥浓度控制技术和灌溉技术等都得到了广泛应用。

  位于中东的以色列在温室大棚的自动化监测方面取得了很大成功,他们开发出了很多温室监控系统,并且被推广到世界各地。总的来说,发达国家在温室监控方面已经掌握了一定的先进技术,在基础性工作和整体上达到一定科技水平,并且能够较为准确的获得相关作物的环境生长数据。但是,各种作物的生长环境是不一样的,并且多数情况下作物生长还是依靠经验管理,如何最大程度的提高温室大棚的产量和效益,节约更多能源,保证温室大棚的效益处在一个理想的范围中,我们仍然需要很多工作要做。

  1.2.2国内研究现状

  我国的农业发展是相对落后,很多作物仍然依靠传统的耕作方式。二十世纪七十到八十年代,我国政府开始鼓励和资助精细作物的种植,一些条件较好地农村组织办起了温室塑料大棚。管理形式是以人工管理为主。一些反季节的蔬菜瓜果等开始供应当地市场。随着二十世纪九十年代信息技术的快速发展,我国注意到信息技术对于农业现代化生产的重要影响,开始从发达国家引进一些先进的管理技术,比如我国在九十年代就和以色列签订了关于农业技术的合作项目,这些项目的引进对于温室大棚自动化控制技术在我国农业生产中的发展起了重要作用。

  1.3 物联网的概念

  物联网技术是一种新的信息技术,它包括传感信息技术,互联网,传感网络以及智能技术等等。美国MIT建设的网络式无线射频鉴别设备中最先出现了物联网的概念,物联网的发展与物流系统的成长是同步的。

  物联网的快速成长与进步,使其迅速占据了农业的一席之地,在农业方面物联网涉及到产出、营销以及服务等各个方面。物联网在农业方面的技术特点使其有三个层面:感知、输送、应用。下图表示了这三个层面。

  图1-1 农业物联网构架框图

  (1)感知层

  作为物联网农业方面的基本层,感知层可以大范围的收集农业的各方面的数据,采集数据的方式主要有:传感、射频鉴别、定位仪以及其他智能技术,采集的信息有农作物适应的气候条件信息、土壤数据、水产养殖的水域数据、蔬菜大棚种植的运输数据等等,感知层可以为顶层的应用层面提供大量的、高质量的信息。

  (2)传输层

  作为物联网农业方面的中间层次,传输层主要依靠的是各种网络的通信结构,这些网络通信有的是有线的传送,有的是无线的传送,都可以把上一层的信息高质量的传送到下一层应用层,拥有传输层的实物相当于拥有了一部高质量的通讯手机,与此同时,传输层还可以将应用层的反馈信息传输回感知层,进而对农业的生产进行有效的建议。

  (3)应用层

  作为物联网农业方面的最高层,应用层的主要作用是,在农业的各个生产运输和销售经营的各个过程,完成人机间的信息交流、数据的综合处理、预算推理和反馈建议等等,最终使得农业的各个环节实现现代化的简约、高效、高品质的特点。

  1.4本文的研究目标和主要研究内容

  本文的主要目的是,面对国内当下大棚种植条件的控制和治理的各种困难,运用物联网的方法、建立大棚智能调控体系,最终完成大棚内部高效、智能、高品质的生产,进一步提升大棚的生产经营利益。基于以上目标,本论文的主要研究内容有:

  (1)运用物联网技术、针对大棚内的作物生长需求条件,建立全面的智能调控的系统的方案。

  (2)对该智能系统的软硬件进行设计,其工作主要包括,检测模块、智能调控模块、执行模块,运用这三个模块完成大棚内部数据的收集和对执行部分的智能调控。

  (3)建立由集控平台信息收集、数据库的设计和人际信息互换界面建立等环节组成的集中监控管理系统。

  第二章 温室大棚智能控制系统方案的建立

  虽然我国农业产业规模很大,但由于长期受到技术发展落后的限制,温室大棚的生产率一直不高。本章内容主要是对温室大棚内作物的生长条件做了集中的研究,运用物联网的特点,建立大棚内智能控制系统的三层方案的框架,完成大棚内部数据的收集、传送以及正确的处理,以求完成大棚现代智能化管理的目的。

  2.1 温室大棚环境数据及主要特性

  对于生活中的居民而言,瓜果蔬菜、园艺花卉是满足物质需求和精神需求的重要内容。这些作物的成功培育一方面需要依靠作物本身的基因特质,另外一方面需要有优良的种植环境,这些环境影响因素有日照、气体成分、温湿度等等。如果不采用大棚种植,仅仅在露天情况下种植,作物会遇到很多不好的天气状况,例如低温、干旱等,这种不利的天气状况就可能会引起这类作物的产出量减少,品质降低等情况,而应用大棚种植就可以有效的规避上述不利因素,大棚的种植条件可以运用各种设备控制在作物适宜生长的条件,以延长北方作物的生长时间,从而使这类作物的产量和质量都有大幅度的提高,所以大棚内部需要控制的条件也就主要是光照、温湿度和气体成分等等。

  (1)温湿度

  温度是大棚内部环境重要的因素,温度对于作物的生长过程的光合效率和呼吸消耗都有重要影响。对于所有作物而言,温度的要求有“三个基本点”的理论,就是温度的最高点、温度的最低点以及适宜点,作物在温度的适宜点上可以充分的进行光合作用,生长状态很好,生产效率也最高。作物对温度的要求也是随着生命活动而变化,比如,最适宜光合作用的温度是二十到二十五摄氏度之间,最适合呼吸作用的温度是在三十六到四十摄氏度之间,根据作物的生长特性,不同种类的作物和同种类作物的不同生理过程的温度都要设置在不同的数值上。而且,从常理上来说,作物的成长,温差也很重要,所以,对于温度的控制,我们需要在一天的时间内设计出多个时间段的不同温度控制的模块,一个时间段对应着一个温度控制的模块。

  (2)光照

  对于作物而言,光照的强弱十分关键,光照强度越大,作物进行光合作用的速度也就越快,但是光照强度达到一定的数值以后,光和作用的速度也就不再发生变化了,当光照强度减弱到某个程度时,作物光合作用受限,有机物积累速率就会降低,此时大棚内就需要采取人工补光的措施,大部分的瓜果蔬菜进行光合作用的最适宜的光照为8000-12000lux,光照强度不宜过高也不宜过低。

  补光和遮光是对光照调节的关键方式,补光主要是采取人工光的方式补充自然光源不足的情况,或者是自然光照时间不够长的时候利用人工光延长时间,遮光的主要方式是利用遮光网等等物理设备,降低大棚内光照强度,从而使作物处于适宜的光照环境下。

  (3)气体成分

  作物的生长,除了水的影响和光照的强度影响之外,气体的成分也很重要,其中最重要的气体成分就是二氧化碳,作为作物生长的重要成分,大部分作物光合作用的二氧化碳浓度为千分之一,所以仅仅依靠大气中万分之三的二氧化碳,是不能满足作物生理过程的需求的,为了提高作物产量,大棚内就需要人工进行二氧化碳的补充,二氧化碳的浓度过高也不适宜作物的生长,过多的二氧化碳会严重影响作物光合作用的强度。

  2.2系统总体方案设计

  依据温室大棚环境控制目标及参数特点,以物联网技术为支撑设计温室大棚智能控制系统,实现温室大棚环境参数的全面感知、可靠传输与智能处理,达到温室大棚自动化、智能化、网络化和科学化生产的目标。系统基于典型物联网体系架构,采用3层结构设计,包括感知层、传输层和应用层,如图2-1所示。系统在硬件上主要由传感器、现场控制器、集控计算机和执行机构组成。传感器及执行机构与现场控制器相连接,构成现场控制系统,每栋温室大棚内安装一套现场控制系统,各个现场控制系统通过以太网接入局域网络,与集控系统的集控计算机组成分布式控制结构。

  图2-1 系统整体图

  1.感知层

  感知层的主要作用是对温室内部各个因素的数据进行收集,为大棚的控制调节和智能控制提供依据,该部分是物联网应用于农业方面最重要最关键的层次。本文中利用的是现场的系统来对大棚内的环境数据进行收集,该系统由多个控制器和多个传感器组成,不同类型的传感器对大棚内部的温湿度、光照、气体组成进行数据收集,多个控制器对各种数据进行简单地处理之后传送给计算机,计算机进行进一步的数据加工。从系统的可靠程度、应用范围等角度出发,本课题中选用的是可编程逻辑控制器(PLC)作为该系统的控制器元件。

  2.传输层

  在传输层中,应用层和远程操作人员能够基于局域网、互联网或者移动设备来对感知层的数据进行分析并下达命令及决策。在传输层的数据传输中往往会出现不安全、不可靠的因素,因此本系统网络的建立包括局域网和广域网都是基于安全可靠的原则之上的,同时由于现场和远程控制计算机之间的距离较大,因此应使用无线传输技术,通过具有较强稳定性和抗干扰性的以太网来实现两者之间可靠的数据传输。另外,通过互联网与GSM移动通信技术相结合,能够建立范围广、灵活性佳的远程广域网络,可以让用户随时随地通过移动终端来对温室环境信息进行监控管理。

  3.应用层

  温室大棚中的各类信息需要被融合和处理,这一环节的完成过程是在应用层中实现,同时相应的环境信息也能够得到,温室大棚的自动控制在应用层的处理过程中能够得到准确的方向,并且在集控系统中能够进行对大棚智能控制系统应用层的数据和信息处理,具体过程由图2-2来表示。

  图2-2 数据信息处理过程

  感知层信息被集控计算机获取之后便会第一时间进行数据存储这一最先需要处理的过程。因此,本文为了实现参数查询及修改整理等功能,利用了SQL Server软件开发数据库系统从而形成一个完整的温室环境数据库以及设备状态数据库。除了一些基本的处理技术例如数据存储技术和数据查询技术之外,数据的智能处理过程才是最值得关注的,正是因为此智能处理过程,温室大棚的智能化才得以实现。在智能处理过程中,如何将智能控制完美实现是一个最关键、最需要研究的过程,在本文中,对温室环境影响最大的因素是空气温度和空气湿度,那么对这两个关键因素的智能控制便尤为重要。

  上文中提到,本文采用数据库技术建立信息监控管理平台,能够科学的调整农作物的生长环境参数,温室大棚信息也能够通过集中监控管理平台发送至互联网,相关技术人员就可进行远程控制和管理。基于温室大棚智能控制总体方案,相应的系统功能便可以得到:

  1.监测功能

  大棚空气湿度、空气温度、CO2浓度、土壤湿度、光照强度这五种环境因素是对作物生长影响最大的,此控制系统可以较准确、及时测量并控制这五种环境因素,同时,温室大棚内各种辅助设施的装备信息也可在温室大棚智能控制系统中显示并得到监控。同时,环境参数以及平台信息的数据也能够通过控制系统或者触摸屏软件等方式进行实时获取了解。

  2.控制功能

  如图2-3所示,相应的系统控制方式得以表示,所有的控制方式都包括在两大类里,即手动控制方式和自动控制方式,这两类控制方式均由控制系统直接下达命令完成,其中,手动控制方式包括两种控制方式,一种是运用物理方式直接进行控制,即通过按钮、继电器等用手直接进行机械控制的方式来控制设备的启动和停止,第二种是通过中间设备来进行控制,例如手机、计算机、触摸屏、管理平台等方式,通过相应的代码来控制PLC进而控制相应的中间继电器来对设备的启停进行控制。

  自

  图2-3 系统设备控制方式

  3.管理功能

  在此农业温室大棚智能控制系统中有多种功能可由集中监控管理平台实现,这些功能也可以满足温室大棚的科学管理需要,这些功能包括数据采集、实时监测、控制输出、数据管理和参数设置,其中感知层的相应数据处理由数据采集功能实现,温室大棚中所有设备的运行过程由实时监测功能来进行监管,相应的控制命令由控制输出功能来控制监控管理平台来实现,数据库的信息由数据管理模块来进行相应的查询和修改,参数设置模块实现环境参数滞环控制高低限值的设置和智能控制中温湿度目标值的设置。温室大棚的科学生产也正是由于这些功能的结合才得以实现的。

  2.3 本章小结

  在本章内容中,影响温室大棚作物生长的内部环境因素及其特点得到了分析,由此智能控制系统的3层总体结构也得以确定,分别为感知层、传输层和应用层,同时每一层的设计和能够实现的作用也在本章中得到了具体叙述,这也为下一步的研究分析提供了明确的方向。

  第三章 温室大棚现场控制系统设计

  现场控制系统作为一个智能化控制终端,可以对各类执行机构发布控制命令,也可以作为一个枢纽联网感知环境。本章根据设计要求,设计了运行现场控制系统所需要的硬件结构,以及电气控制系统来控制各类执行机构;确定了现场控制系统信息的传输方式及PLC、触摸屏和手机短信报警控制器软件设计方案。设计的现场控制系统完全符合设计要求,其硬件结构合理,软件功能强大。

  3.1 现场控制系统硬件结构

  现场控制系统的环境控制是通过以下方式运行:现场控制器利用传感器可以采集空气温湿度、CO2浓度、光照强度和土壤湿度等一系列的环境信息,人们依据可编程逻辑控制器内置的控制逻辑,可以手动输入开关和执行机构的行程开关来开启或关闭通风口、遮阳网、加热器、加湿器,调整现场控制器采集的环境信息,以此提供作物生长所需要的最佳环境。同时人们可以在现场控制系统配备的外置触摸屏上进行参数查询、参数设置、操作控制等行为,实现了现场控制系统的人机交互功能;为了方便用户及时管理,提供了对温室大棚远程操控,用户不用到现场,用手机等移动终端编辑短信来查询现场环境信息及控制执行机构运行情况,现场控制系统利用GSM网络,可以通过短信报警控制器发送报警信息给用户,实现了在异地进行管理;现场控制系统硬件结构图见图3-1。

  3.2 现场控制系统硬件设备选型

  3.2.1 可编程逻辑控制器选型

  本次选用西门子 S7-200系列PLC作为现场控制系统的控制核心。 该控制器与温室大棚现场控制系统的控制规模相匹配,同时具有成本低的优点,兼顾了经济性。S7-200系列PLC的选型选择是由系统的输入输出以及所需通讯接口的类型和数量而确定的,选型选择由2个方面组成,即CPU模块和扩展模块的选型。

  图3-1 现场控制系统硬件结构图

  现场控制系统既要能模拟量信号,还要能传输数字量信号,模拟量信号的传输主要是指传输环境参数信号,数字量信号主要是包括指行机构行程信号及执行机构控制输出信号在内的各类输入和输出的信号。表 3-1和表 3-2所列就是本系统的数字量信号。

  表3-1系统数字量输出信号

  由表 3-1 和表 3-2所示的数字量信号可知,要传输这些数字信号需要 9 路数字量输入通道以及 16 路数字量输出通道才可以实现。现场控制系统需要最少一个以太网接口,用来组网现场控制系统与集控系统。为了方便用户管理,现场控制系统硬件配备有显示屏和短信报警控制器,因此显示屏要连接一个通信接口,短信报警控制器连接一个通信接口,即另外配备两个通信接口。

  表3-2系统数字量输入信号

  由此可知,PLC选型为CPU226模块及CP243-1工业以太网模块各1部,EM231模拟量输入模块3部,以此来满足现场控制系统所需要的10路模拟量输入通道、9路数字量输入通道、16路数字量输出通道、2个本地通信接口、1个远程以太网通信接口。其中,CPU226模块本机具有24路数字量输入通道、16路数字量输出通道和2个RS-485本地通信接口,EM231模块具有4路模拟量输入通道,CP243-1模块具有1个RJ45以太网插座。本次设计的系统由4个扩展模块组成,因此小于CPU226模块最多7个扩展模块的个数限制,各模块硬件连接顺序见图 3-2。

  图3-2 模块连接图

  3.2.2 触摸屏选型

  本系统配备了触摸屏,人们可以通过触摸屏来监测系统的运行状况、进行参数设置操作和操作控制系统,触摸屏提供了人与控制系统的人机连接界面,它让人们更加清晰与灵活的控制系统,代替了按钮和仪表等仪器的使用,从而节约了PLC的I/O资源。参数以用更直观的柱状图和精确值的形式展示给用户。用户可通过触摸屏手动设置各类参数高限值和下限值,并可以发送控制指令给现场执行机构,此外用户还可以实现自动控制和智能控制模式间的切换。综合本系统的适用性及触摸屏功能等参数,因此选用台达DOP-B10S411型触摸屏(图3-3),其工作参数如下:

  图 3-3 触摸屏实物图

  3.2.3 传感器选型

  各类传感器的选型要考虑输出范围,因为各类传感器直接与PLC的模拟量输入模块相连接的,所以其范围必须要与模拟量输入模块输入范围相符合。本次PLC的模拟量输入模块选择EM231模块,其工作参数为:输入电压的范围分别为单极性电压0~10V和0~5V,双极性电压±5V和±2.5V,电流为0~20mA,传感器选型除了要参考输出范围,传感器的量程大小、性能精度高低和耐用性也是要参考的方面。

  1.温湿度传感器

  本系统选择 WLHT-1S-200 型壁挂式温湿度传感器检测室内外空气温湿度,如

  图 3-4所示。温度传感器是铂电阻,湿度传感器是湿敏电容,该产品响应迅速、稳定性好、精度高、寿命长,湿度信号检测具备温度补偿功能,适合应用于农业、工业、医疗等测量领域,其主要技术参数如下:

  (1)室内温湿度传感器

  工作电压:DC 24V

  温度测量范围:0~50℃

  温度测量精度:±0.5℃

  湿度测量范围:0~100%RH

  湿度测量精度:±3%RH

  输出信号:4-20m A

  图 3-4 温湿度传感器实物图

  (2)室外温湿度传感器

  工作电压:DC 24V 温度测量范围:-40~60℃

  温度测量精度:±0.5℃

  湿度测量范围:0~100%RH

  湿度测量精度:±3%RH

  输出信号:4-20m A

  2.光照强度传感器

  本系统选用 YS-CG-20J 型光照强度传感器,如图 3-5 所示。该传感器采用光电检测方法实现对光照强度的测量,产品精度高、线性度好、抗干扰能力强、体积小,广泛用于温室大棚、养殖场、住宅楼宇等场合,技术参数为:

  图 3-5 光照强度传感器实物图

  3. CO2浓度传感器

  本系统选择 F12-S8200 型 CO2变送器,如图 3-6 所示,其传感器类型为红外式,具有响应时间短、灵敏度高、使用寿命长、具备自校验功能等优点,技术参数为:

  图 3-6 CO2浓度传感器实物图

  4.土壤湿度传感器

  系统选择 TDR-3型土壤湿度传感器采集土壤湿度参数,如图 3-7 所示。该类型传感器基于时域反射原理,通过测量土壤的介电常数测量水分,具有精度高、响应快、密封性好等特点,适合用于温室大棚、农田灌溉、草地牧场等领域,其主要技术参数如下:

  图 3-7 土壤湿度传感器实物图

  3.2.4短信报警控制器选型

  目前国际主流通讯网络GSM通讯网络已非常普及,广泛应用于环境监测和工业控制过程中,其具有覆盖范围广、抗干扰能力强等优点。随着科学农业的发展,实现传感器信息的可靠传输与广泛互联功能是农业物联网发展的趋势,本系统设计基于搭建的短消息远程控制平台,并配备短信报警控制器,以GSM网络为基础,用户通过该平台可以随时随地实现远程操控温室大棚,不用到现场就能查询温室大棚环境参数,也能设置运行参数及下达执行设备控制命令等,具有时效性和便捷性(详细传输方案在下面详细介绍)。在参考网络GSM通讯方式的特点及更好实现短信报警功能来服务远程控制的基础上,本系统采用GRM202A型短信报警控制器,其工作参数如下:

  3.3温室大棚现场信息传输方案

  本文设计的现场信息传输方案为:温室大棚现场控制系统的现场控制器通过现场传感网把传感器采集到的现场环境信息收集起来,然后通过局域网传输到集控管理平台,最后通过GSM网络传输到远程用户,传输工程共有3个过程,现场控制系统信息传输方案如图 3-8所示。

  图 3-8现场控制系统信息传输方案

  温室大棚现场信息传输传感网采用了稳定可靠的有线传输形式,因为境监测点相对确定不变,且这种形式有利于长时间连续监测。用基于以太网的有线传输现场控制器与集控计算机之间的数据,有利于感知层数据在集控计算机上被更加快速传输和稳定的处理。PLC扩展了CP243-以太网通信模块与集控计算机进行数据交换,并且以独立的IP地址作为一个独立节点接入局域网中。

  3.4 现场控制系统软件设计

  为满足现场控制系统的设计要求,PLC程序的编写是在西门子STEP7-MicroWIN编程软件上完成的,其编写语言采用梯形图语言编写。设计的PLC程序可以满足系统运行的需要,设计 PLC流程图如图3-9所示,通过PLC程序可以实现系统的初始化功能,对系统参数值及控制数据进行采集和计算处理,具有控制子程序的滞环控制策略和设备控制输出等功能。

  执行系统软件初始化功能就是把程序复原到首次运行时的环境参数高、低限值。通过PLC程序可以进行采集数据的 A/D转换和环境参数实际值与PLC中数字量之间的换算,比如要想获得实际温度值,可以通过式(3-1)来得到,所需要的参数有3个:温室大棚的室内温度传感器显示范围(0~50℃)、传感器输出范围(4~20mA标准电流信号),对应PLC中的数字量程(6400~32000)。

  - 式(3-1)

  本公式中,Y代表实际的温度值,X为相对应的PLC中的数字量。

  图3-9 PLC流程图

  各类环境参数控制子程序采用滞环控制策略。软件程序会识别目前的环境参数是否在用户设定的环境参数高、低限值范围内,若在此范围内,软件程序会自动开启控制执行机构,反之,则关闭控制执行机构。下面以温度为例说明此策略的运行,软件程序采集到目前的空气温度,会把当前空气温度与用户设定的温度参数高、低限值比较,当空气温度比设定的低限值低时,软件程序会自动开启加热器,此时空气温度会升高;当软件程序采集到目前的空气温度升高到用户设定的温度参数高限值时,加热器会关闭。因此设备控制子程序采用滞环控制策略会让软件程序依据当前的运行的环境参数、行程开关的状态及直接下达的执行命令来实现控制执行机构的控制。

  3.4.1 触摸屏软件设计

  触触摸屏是作为人机联系的介质,可以实现人机对话,用来告诉设备怎么运行。界面开发工作需要对2种参数设定,一种是模块参数的设定,一种参数是通讯参数的选择设定;模块参数的设定可以方便用户的操作选择,用户可以选择所需的界面类型,选择语言类别,也可以设置权限密码来保密。

  触摸屏的2种参数设定完成后,就可以进行触摸屏人机界面的开发,它是用户最直观的操作界面。本系统开发了4种界面给用户使用,分别为环境参数显示界面来显示当前环境参数,设备控制界面来控制执行设备的运行,设备状态显示界面来查询执行装置的运行状态,环境参数设置界面来控制环境参数。4种界面如图3-10~图 3-13 所示。

  图 3-10 参数显示界面图

  图 3-11 设备状态界面图

  图 3-12 设备控制界面图

  图 3-13 参数设置界面图

  通过触摸屏,用户可在现场就地管理温室大棚,更加高效、直观。用户可以查询环境参数值、查询设备状态、控制设备动作和设定控制参数,从而整体有效地控制系统。

  3.4.2短信报警控制器软件设计

  用户要实现远程控制命令下达、环境参数查询、控制参数设定和接收报警信息功能短信等功能,必须要由报警控制器辅助完成。共有以下三步组成。

  第一步:新建工程,本系统设备选型为GRM202A。首先对配置通讯接口,选择波特率大小为9.6kbps的S7-200PPI通信协议。其次配置本机名称和SIM卡运营商等工程选项,为了方便管理,可以采用简单易记的“1号温室”,“2号温室”等名称作为本系统本机名称,选择常用的中国移动通信或者中国联通通信作为SIM卡运营商。因为可以配置授权用户最多120个用户,为管理授权用户,因此可以把用户进行分组,每个用户信息包括用户名、密码和手机号码等。

  第二步:配置工程,第一步配置完成后,就可以对短信报警和短信命令进行工程配置。短信报警功能的配置是对报警种类、报警参数高低限值、报警变量、报警内容和报警传送目标的设置,当系统检测到目前的环境参数超过用户设定的高、低限值范围时,系统会自动发送手机短信息给用户,用户可以查看手机短息获知系统预警的内容,用户可以在短信报警预览窗口对室内空气温、湿度参数等一系列的控制温室大棚的参数设置短信报警,可以设置短信报警的参数见图3-14。

  第三步:工程下载,完成上述两个步骤后,需要把配置好的工程下载到短信报警控制器中,用户根据设定的短信语法就能使用短信报警系统了,接受短信报警了,当温室大棚出现异常情况,可以及时有效地进行远程操控。

  图 3-14 短信报警内容

  图 3-15 短信报警控制器变量配置

  3.5本章小结

  本章设计的现场控制系统的本地和远程传输方案由PLC、触摸屏、短信报警控制器和传感器的硬件电路组成,并设计了PLC、触摸屏和短信报警控制器软件。该系统软可全面采集和处理各类现场环境信息,并把信息快速可靠传输至应用层集控计算机,最后及时传送到远程用户,方便用户管理温室大棚,硬件设计合理,可全面采集温室大棚各类现场环境信息,并可靠传输至应用层集控计算机和远程用户,供下一步分析、处理,控制命令下达方式多样,可实现执行机构的准确控制。

  第四章 温室大棚集中监控管理平台设计

  物联网技术的上层环节就是信息处理,同时信息处理在一定程度上体现出了物联网技术的整体特点。在农业现代化中主要应用的手段就是农业信息处理技术。本文主要研究农业温室大棚智能控制系统。整个系统完成处理温室大棚信息这个任务时,主要是分为数据预处理、数据存储、人机交互以及智能控制这四个步骤。有关整个信息处理过程的实现是基于集中监控管理平台来完成的。下文主要确定了有关该平台的数据采集计划,完成了温室大棚数据库系统的建立工作,对相关可视化人机交互界面进行了设计,完成了有关集控系统信息发布方案的制定管理,从而使得科学高效管理多温室大棚成为可能。

  4.1 集中监控管理软件平台

  Lab VIEW是图形化开发环境里相对实用且操作简单的一种。Lab VIEW采用的是G语言编程方式,这种编程方式相比较高级语言的文本代码程序设计方法而言,更为简单灵活,没有那么复杂繁琐,更易于操作,且在编程过程中不易出错。VI是开发环境为Lab VIEW的程序的名称,其开发过程主要是创建前面板和连接图形化的程序框图。在创建前面板时,需要对对象模块进行拖选,数值显示、按钮、波形图等都需要从控制菜单中进行拖选。

  4.2集中监控管理平台数据采集

  温室大棚现场PLC和基于软件环境为Lab VIEW的集中监控管理平台之间实现数据通讯主要借助于OPC方式来完成。OPC是一种具备高效、统一特点的嵌入式的过程控制标准,其运行模式为服务器/客户端,能够做到为不用服务器以及客户端提供标准接口。

  图 4-1 OPC 服务器变量列表

  在完成OPC的建立工作后,Lab VIEW软件作为客户端通过采用Data Soket技术就可以对其进行访问,完成PLC中的数据获取,下达相应的命令完成整体控制。NI公司提出的Data Soket 技术,事实上就是数据实时交换技术的一种,这种技术的基础是建立在微软的Active X以及COM技术之上的,用来完成不同应用程序间的数据传输。Data Soket通信在Lab VIEW开发环境下具有两种通信方式,一种需要编写程序,通过Data Soket 节点实现,另外一种相对简单,不需要进行程序编写,只需要完成设置前面板控件数据的绑定属性,因此本文选择后一种通信方式。如图4-2是对数据绑定过程。

  图4-2 数据绑定

  在完成上述配置以后,通过对OPC服务器进行访问后Lab VIEW软件就可以完成对温室大棚现场信息的获取,获取信息后传入到集中监控管理平台完成各类处理,实现温室大棚的生产指导。

  4.3系统数据库设计

  4.3.1系统数据库

  海量的数据会产生在检测温室大棚的过程里,此类数据价值很大,深入分析后可以获取作物生长模型、系统控制模型以及温室运行经济模型。所以数据库系统的开发就显得尤为重要,使得有丰富可靠的数据为研究温室大棚先进控制方法提供必要的支持。科学有效的控制策略以及专业的栽培技术相互结合的条件下才能使得温室大棚的管理更加科学有效,才能把生产效率最大化变为现实。在此篇论文中加入了作物栽培知识库使得整个环境控制的科学性得到了显著提升,对不同生长时期下的不同作物所需的最佳环境条件进行了分类记载。

  1)温室环境数据库

  在文章中使用SQL Server软件建立的温室环境数据库命“greenhouses_DB”,该数据库的主要用途就是对温室大棚运行过程中检测到的实时环境参数进行储,主要数据有二氧化碳浓度、土壤湿度、光照强度、室内空气湿度、室外空气湿度等数据。在建立了数据库的基础之上,与温室大棚数量相等的表格也随之建立,并以“greenhouse+温室序号”方式命名,例如“greenhouses3”,每一个表格中储存的内容是对应编号温室大棚的环境数据和数据记录的时间和日期。

  2)设备状态数据库

  把设备状态数据库命名为“greenhouse_EB”,该数据库主要用来存储的是温室大棚各个机构的工作状态,主要有机构的正反转状态、执行机构的开关状态,它和温室的环境数据库存在相似之处,在本数据库中也有与大棚编号相对应的表格建立,命名的方式也相同。对管理平台进行统一的监控,在固定的时间内对设备的运转状态进行一次数据记录其中包括:通风风机、加湿器、加热器、补光灯、喷灌设备、二氧化碳发生器、通风口开关状态、外遮阳状态和内遮阳状态等,正反转信息的内容主要有内遮阳电机和外遮阳电机的正反转状态以及通风口的正反转状态。

  3)作物栽培知识库

  以“greenhouse_KB”命名作物栽培知识库,作物生长所要达到的生态最佳条件的相关数据存储在此数据库中,其生长条件主要有:CO2浓度、空气湿度、温度、土壤湿度以及光照强度,对于同种作物来说生长时期不同时需要不同的环境要求,不同作物对环境的要求也存在较大差异。具体到此篇论文上来讲,主要把作物的生长周期划分发芽期、幼苗期、营养生长期以及开花坐果期这四个阶段,每个阶段都有一个与之对应的表格存在于数据库里,这些表格里存储着蔬菜、花卉的保温和越冬栽培(叶菜类)等不同作物生长需要的最佳环境参数。

  4.3.2 Lab VIEW 对数据库的操作方法

  数据库的管理是在基于Lab VIEW开发的人机界面里完成的,此人机界面可以完成数据查询、存储等相关操作,Active X、SQL toolkit以及Lab SQL是三种最为主要的基于开发环境为Lab VIEW的SQL Server数据库使用方法。数据库只有在完成与LabVIEW的联系之后,才能对数据进行Lab SQL工具包的一系列操作,从研究实际出发该联系的建立采用DSN(数据源)。

  4.4集中监控管理平台界面设计

  在农业物联网信息处理过程中人机交互技术是否有好是其所关注的重点,本文的集中监控管理平台人机界面管理平台是在Lab VIEW 软件的基础上进行开发的,主要采用的方式是模块化编程,通过主界面、实时监控界面、数据采集界面、数据管理界面、控制输出界面以及参数设置界面这六个模块组成整体的集中监控管理平台的人机界面。值得一提的是想要提高运行系统的整体效率,使得程序结构得到简化,能够通过运行时用主界面调控其他界面的方式来实现。

  4.4.1 主界面

  对相关的控制输出、数据采集等进行管理的操作的选择是在系统主界面上来实现的,整个过程的实现依托于调用其它子VI服从于主界面VI来进行。子VI的调用在Lab VIEW里存在动态、静态两种不同形式。由于动态调用使用的内存量小,且能够做到动态加载子VI,方便灵活,所以本文子VI调用方式选为动态调用。如图4-6为系统主界面展示图,图4-7为程序编写展示图。

  该系统主要能够实现数据采集,实时监控,控制输出,数据管理,参数设置等功能。

  图 4-6 控制系统主界面

  图 4-7 主界面程序

  4.4.2 数据采集功能界面

  在数据采集界面进行各温室设备信息以及环境参数的数据采集时,存在一定时间间隔,采集到的数据会自动的存储在之前建好的与之相对应的温室设备状态数据库以及环境数据库里。在集中监控管理平台运行时数据的采集和存储是持续进行的,此过程不存在过多人机交互,数据采集界面能够完成数据存储是否停止的操作,也可以实现隐藏数据采集界面的功能,如图4-8是对系统数据采集界面的展示,如图4-9是对相关程序编写的展示。

  图 4-8 数据采集界面

  图 4-9 数据采集界面程序

  4.4.3实时监测功能界面

  设备运行状态以及环境参数的显示工作主要由系统实时监测界面来完成。在进入到该界面以后,每个温室都被编写了不同的号码,只要选择出其温室编号就可以对该温室的信息进行获取,值得说明的是实时曲线、柱状图以及精确值用来表示环境参数,指示灯完成对设备运行状态的显示工作。想要退出该界面点击“返回”按钮即可完成此项操作。如图4-10是对系统实时监测界面的展示,图4-11是对部分程序编写的展示。其中通过Data Soket技术完成设备状态和环境参数跟OPC变量之间的绑定工作。

  图 4-10 实时监测界面

  图 4-11 实时监测界面程序

  4.4.4 控制输出功能界面

  温室大棚相关执行机构的温湿度智能控制以及集中手动控制的实现都是通过系统控制输出界面来实现的。温湿度智能控制的开启是通过按钮“智能控制模式”决定的,其控制状态分为“精细调节”和“快速控制”两种。倘若想要对集控管理平台的控制进行停止那么可通过“返回”按钮来完成此类操作,控制输出界面的隐藏则是通过“后台运行”按钮进行调控的,完成控制输出界面的隐藏后整个系统还是处于智能控制中的。如图4-12所示是系统控制的输出界面展示图。

  图 4-12 控制输出界面

  Fig. 4-12 control output interface

  4.4.5 数据管理功能界面

  建立起数据库系统的管理功能是数据库设立管理界面的主要目的。在作物栽培的数据库中,它的数据管理界面可以实现功能如下,知识更新,知识查询,知识删除,在状态设备数据库和温室环境数据库中,能够对报表进行查询,能够查询历史纪录和历史曲线等。数据库的编写程序体现在图4-14中,管理界面体现在4-13中。

  在进行栽培知识部分管理时,可以通过作物的生长时期,把该时期适合生长栽培的作物的最适环境参数查询出来,也可以在输入特定作物名称或者生长时期过后,查询出作物栽培的相关生长环境和生长条件。输入了作物的生长时期和最适环境以及作物名称后,通过“更新知识库”按钮可以把栽培的相关信息输入进去;想要删除表格中的相应数据,在输入了作物名称和生长环境后点击删除按钮就能完成。4种查询的方式能够在环境数据库和设备状态数据库的管理部分实现,这四种方式分别是“环境参数时间段查询”、“环境参数日期区间查询”、“环境参看按天数查询”、“环境参数查询”。选择好温室的编号后,把想要查询的对应的时间和日期通过“查询”按钮就能进行查询了。

  点击数据管理界面上的“返回”按钮就能够退出程序,返回到主界面当中。

  4.4.6参数设置功能界面

  PLC自动控制模式下环境参数允许的最大值和最小值是参数界面能够实现的主要功能,还有就是智能控制环境下的空气湿度和空气温度的适合值。参数设置的截面由下图可知4-15、设计程序由4-16可知。

  图 4-13 数据管理界面

  图4-14数据管理界面程序

  图4-15参数设置界面

  图4-16 参数设置界面程序

  在进行系统的运行时,首先要设定参数就是温室的编号,然后再设置环境值的范围和环境参数的最适值,其中,温度目标值是在进行了全局变量建立后才被传送给“控制输出子VI”中,然后进行智能控制,OPL服务器会把环境参数值的范围传送给进行现场控制的PLC控制器中,对环境参数进行滞缓控制。设立了参数后,点击返回按钮就能回到控制界面。

  4.5 网络发布

  信息的大范围互联功能是物联网传输层所要实现的功能,本系统中的远程广域网络不仅包含移动通信网络、GSM还包括互联网,用户想要获取温室温度环境信息十分便捷,而且可以对环境温度湿度进行调节。本文使用的发布工具是Lab VIEW中的Web,该服务器要做的工作是创建HTML文件和发布VI嵌入式面板,远程控制时可以采用在浏览器上输入相应网址的方法进入VI的发布界面,实现温室大棚的远程控制。

  4.6 本章小结

  本文中进行温室大棚监控管理平台开发时是建立在Lab VIEW软件基础之上的,通过OPC服务器对数据进行收集管理,建立系统的数据库时,依赖的是SQL Server软件开发平台,从而对数据进行科学管理;系统各个模块的开发组成了人机交换界面,系统的管理运行水平也随之增高;利用Web把温室信息上传到互联网,实现温室大棚的远程控制。进行程序调试后可知:温室现场的各个信息能够通过集控管理平台准确的收集到,每个模块的正常工作可以对温室大棚的管理进行更细致的管理,达到理想效果。

  第五章 结论及展望

  本文设计的现场控制系统以及数据监控平台是农业温室大棚智能控制系统的关键,而完整的农业温室大棚智能控制系统还应该包括电气系统的设计,要实现系统的完整运行,还要根据现场实际出现的故障情况进行合理调试,才能保证最终系统在农业领域的应用。特别随着物联网技术的不断成熟,农业温室大棚内容控制的精准化,无线网络传输速度提升,环境参数等信息数据的云计算,必然是能够为未来机械化生产的企业提供指导服务,也能够为阿尔山市农业示范区政府提供宏观规划调控支持,为消费者提供安全可追溯的保障服务,达到整体的智能化与信息化。同时该课题是以阿尔山市农业示范区智能温室大棚项目为基础,目前该项目正在当地政府的大力组织之下紧密有序的发展之中,本课题一方面能够给相关部门一定的参考,有利于加速农业示范区域的建设,并不断在阿尔山地区推广,另一方面也能在实践之中得到不断的完善和发展。

栏目分类