基于电力载波的温室大棚分布式监控系统设计.docx
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基于电力载波的温室大棚分布式监控系统设计
基于电力载波的温室大棚分布式监控系统设计
自动化张涛
指导教师纪文刚教授
摘要现代农业设施发展迅速，温室大棚数量增多，单体温室大棚面积大、分布广，人们对温室大棚自动控制和远程管理的需求提高，在大棚内部布置有线监控设备，存在布线复杂、维护困难等问题。
针对控制系统布线复杂、维护困难以及温室大棚远程监控的需要，提出了基于电力载波的温室大棚分布式监控系统设计。
以电网作为媒介实现数据的交换，电力载波的温室大棚分布监控系统中采用的电力载波通信模块简化了现场布线；独立监控器检测温室大棚农作物生长环境信息，同时对检测到的环境信息进行处理并控制执行器的输出调节温室大棚农作物的生长环境，借助电力载波通信模块经电网将数据发给集中监控器，集中监控器将数据发送给上位机，操作人员可以通过上位组态画面对温室大棚进行实时监控同时可以对温室大棚进行远程操作，给农作物提供一个适宜的生长环境。
电力载波的温室大棚分布式监控系统解决了温室大棚现场布线复杂、维护困难的问题，实现了远程实时监控，系统结构简单、可靠性高、维护方便。
关键词电力载波，温室大棚，分布式监控系统
1前言
电力线载波通信技术（PowerLineCarrierCow/WMm'cflft'on）简称PLC技术,是以电力线为传输介质来实现数据传递和信息交换的通信方式,是当前发展前景十分看好的宽带接入技术[1]。
与电信网及有线电视网相比，作为世界上覆盖程度最广且与人们关系最密切的有线网络低压电力网，有着遍布城乡直达用户，接入方便成本低，多用户能够共享宽带，而且电力线机械强度高，可靠性好，组网简单等其他通信方式不可比拟的优势，其前景广阔，潜在市场巨大[2]。
因此,PLC的研究已成为当前一大热点，已在智能家庭、远程智能抄表、办公自动化和远程路灯监控等领域得到广泛应用[3][4]。
控制算法和控制器的发展都是基于上述专家对温室做出完美描述之后形成的，工业领域最常用的算法就是PID控制算法，由于温室大棚这一特定对象本身具有不满足叠加原理，且空间跨度大，传感器采样时间长，以及白天与黑天被控对象的系统模型发生变化等的特点。
造成了温室大棚温度系统具有非线性，大惯性，大滞后，时变等特性。
温室是一个复杂系统，是一个非线性、大延时的系统，PID又需要精确的数学模型，这就使温室大棚的控制进入到智能控制领域，智能控制算法有效地解决了此问题[5-6]。
控制器研究方面，最初采用单片机控制，而后是工控机控制器，随着技术的革新，PLC控制器和ARM控制器也随之产生。
现代的温室已经形成了完整的体系，包括无线传感器的运用进行数据采集和传输，嵌入式控制器的运用进行控制器设计等都在大棚中得到成功的运用[7-9]。
综上所述，针对温室大棚存在的控制系统布线复杂、维护困难以及温室大棚远程监控的需要，提出了基于电力载波的温室大棚分布式监控系统设计
2总体方案设计
电力载波的温室大棚分布式监控系统利用物联网技术，可通过独立监控器可以实时获取温室内部的空气温湿度、土壤水分温度、二氧化碳浓度、光照强度，通过采集的参数来实现自动调控湿帘风机、喷淋滴灌、内外遮阳、顶窗侧窗、加温补光等设备，从而保证温室内环境最适宜作物生长，为作物高产、优质、高效、生态、安全创造条件。
同时，该系统借助电力载波通信模块经电网将数据发送给集中监控器，集中监控器将信息发送给PC，操作人员可以通过上位机实现温室大棚的远程监控，电力载波的温室大棚分布式监控系统框图如图2-1所示。
图2-1电力载波的温室大棚分布式监控系统框图
3系统硬件设计
3.1传感器选型
温室大棚农作物生长环境信息检测主要包括：
空气的温湿度、土壤的温室度、二氧化炭浓度、光照强度，检测模块选型时必须满足系统设计的需要，同时考虑检测模块的信号输出接口以及检测模块可以正常工作的温度范围；具体的温室大棚环境信息检测模块的选型及模块的性能指标如表3-1、3-2、3-3、3-4、3-5、3-6所示。
表3-1DS18B20数字温度传感器性能参数
性能指标
工艺要求值
空气温度传感器
量程
-40-100℃
-55-125℃
精度
±0.5℃
±0.5℃
分辨率
.1℃
0.0625℃
供电电压
+3.0V-+5.0V
+3.0V-+5.0V
信号接口
单总线
工作温度
-55-125℃
温室大棚空气湿度传感器选用的是USR-SENS-WSD温湿度数据采集模块，性能指标如表3-2所示，传感器如图3-3所示：
表3-2USR-SENS-WSD湿度数据采集模块性能指标
性能指标
工艺要求值
空气湿度传感器
量程
0-100%RH
0-100%RH
精度
±2%RH
±2%RH
分辨率
1%RH
0.1%RH
供电电压
+3.0V-+5.0V
5.0VDC
信号接口
RS232/RS485/TTL信号输出
工作温度
-40-80℃
温室大棚土壤温湿度检测模块采用的是SMS-II-485土壤水分温湿度传感器，该传感器性能指标如表3-3、3-4所示：
表3-3SMS-II-485土壤温湿度传感器性能指标
性能指标
工艺要求值
土壤温度传感器
量程
-20-90℃
-40-90℃
精度
±2℃
±2℃
分辨率
1℃
1℃
供电电压
+5V-+24V
+5V-+24V
信号接口
RS485/模拟
工作温度
-40-80℃
表3-4SMS-II-485土壤温湿度传感器性能指标
性能指标
工艺要求值
土壤湿度传感器
量程
0-100%
-0-100%
精度
±3%
±3%
分辨率
1%
1%
供电电压
+5V-+24V
+5V-+24V
信号接口
RS485/模拟
工作温度
-40-80℃
温室大棚空气二氧化炭浓度检测模块采用的是挂壁式二氧化炭浓度检测传感器，如图3-5所示。
表3-5挂壁式二氧化炭浓度传感器
性能指标
工艺要求值
土壤温度传感器
量程
0-10000ppm
0-10000ppm
精度
±40ppm
±40ppm
分辨率
20ppm
20ppm
供电电压
+5V-+24V
24VDC
信号接口
模拟
工作温度
0-70℃
3.2执行器选型
微控制器是整个控制系统的核心，传感器检测温室大棚农作物生长环境信息，检测各项信环境息数据是否在正常范围内，执行器是用来调节农作物生长环境，通过执行器来保证被控变量在控制的范围内，所以执行器的选型也是特别重要的。
执行器选型首先要满足工艺的需要，工作的温度范围以及微控制器的接口。
执行器选型如表3-6所示。
表3-6执行器选型
执行器类型
数量
电气参数
24V继电器
4
24V
220V继电器
13
220V
电磁阀
3
220V/24V/12V可选
补光灯
3
220V
换气风机
1
220V
中央空调风阀
2
220V
其他预留执行接口
4
220V
3.3独立监控器
每一个独立温室大棚都有一个独立监控器，独立监控器主要功能：
检测温室大棚农作物生长环境信息，并将环境信息实时显示在OLED液晶显示屏上；微控制器通过对采集的环境信息进行运算后，控制器控制执行单元的输出来实现温室大棚农作物生长环境的实时调控，给农作物一个适宜的生长环境。
独立监控主要由以下几个部分组成：
JATG下载调试电路、环境检测传感器接口电路、继电器电路、执行电路、OLED液晶显示电路、按键与状态指示电路、电力载波模块、电源电路以及预留的GPIO接口电路。
独立监控器硬件设计框图如图2-4所示：
图3-1独立监控器硬件设计框图
3.4集中监控器
独立监控器与集中监控器之间通过电网进行数据交换，借助电力载波模块将每个独立温室大棚农作物生长环境信息经电网传输给集中监控器，集中监控器一方面通过串口或者以太网口将接受到的温室大棚农作物生长环境信息发送到上位机，工作人员可以通过组态画面远程监控每一个温室大棚农作物生长环境信息，并可以通过组态给独立监控器发送指令，控制执行器的动作；另一方面集中监控器可以将接受的温室大棚的环境信息实时的显示在OLED液晶显示屏上。
集中监控器主要包括：
PC监控接口、OLED液晶显示电路、按键及状态指示电路、电源电路、电力载波通信模块、预留串口、预留GPIO接口等；集中监控器硬件电路设计框图如图2-5所示：
图3-2独立监控器硬件设计框图
4系统软件设计
4.1独立监控器软件程序设计
独立监控器主要实现的功能为，检测温室大棚的环境信息，并将检测到的环境信息实时的显示在OLED液晶显示屏上，微控制器对采集的温室大棚环境信息进行处理，判断检测到温室大棚环境信息值是否在设定的目标范围内，若不在设定的范围内，微控制器通过设计好的控制算法控制执行器的输出，调节温室大棚农作物生长环境，保证温室大棚环境的适宜；借助电力载波通信模块将采集回来的温室大棚环境信息通过电网实时的传送到集中监控器。
如果温室大棚环境信息超出适宜的温室大棚环境，独立监控器将通过声光报警器进行报警，提示工作人员出现异常。
独立监控器工作流程图如图4-1所示：
图4-1独立监控器程序流程图
4.2集中监控器软件程序设计
集中监控器与独立监控器利用电力载波模块经电网进行数据的交换，集中监控器的主要功能为：
接受独立监控器发送的数据、读取独立监控器的硬件地址、给独立监控器发送指令、将接受到的信息实时的显示在液晶显示屏上、将温室大棚农作生长环境信息以及独立监控器的硬件地址通过串口或者以太网口发送给上位机，工作人员可以通过组态软件对温室大棚进行数据的记录与分析，实现温室大棚的远程监控。
集中监控器软件流程图如图4-2所示：
图4-2集中监控器程序流程图
4.3电力载波模块通信协议选择
KQ-130电力载波模块通信接口波特率9600bps，用户与模块通讯请采用9600bps异步方式，格式为1个起始位，8个数据位1个停止位格式。
KQ-130电力载波模块通过MODE脚控制模块通信格式；当MODE处于高电平时KQ-130电力载波模块使用透明工作方式；当处于低电平时KQ-130电力载波模块使用自定义工作模式。
MODE引脚处于高电平悬空时为透明工作模式，低电平（接地）时为自定义工作模式。
本文采用的是透明工作方式。
4.4组态画面设计
位组态画面采用Labview虚拟软件来实现，组态画面包括两层，主界面主要包括以下几个部分：
串口初始化、串口常用选项、独立温室大棚环境信息参数的历史曲线、温室大棚的状态指示灯；第二层界面主要包括以下几个部分：
温室大棚环境各项环境信息的历史曲线图、实时温室大棚的各项环境信息数值显示、以及控制按键等功能。
组态监控设计画面及VI程序设计如图4-3、4-4、4-5、4-6所示。
图4-3上位组态登录画面
图4-4上位组态登录画面VI程序设计
图4-5上位组态温室大棚温度监控画面
图4-6上位组态温室大棚湿度监控画面
5系统软测试
5.1电源电路测试
系统供电主要分为两个部分：
第一部分给微控制器供电，要求电压+3.3V；第二部分要求给电力载波模块、传感器模块供电，要求电压+5V；电源电路测试结果如表5-1所示：
表5-1电源电路测试结果
测试功能
功能要求
实际测量结果
LM2940-5.0
+5V
5.022V
LM2937-3.3
+3.3V
3.295V
5.2按键与指示灯电路测试
系统设计的按键电路采用的是独立按键，对于按键信息处理采用的是中断处理，按键的响应速度快；指示灯电路主要分为两个部分：
一个是电源指示灯电路，一个是系统运行状态指示灯电路。
按键与状态指示灯电路测试结果如表5-2所示：
表5-2按键与状态指示灯电路测试结果
测试功能
功能要求
实际测量结果
LM2940-5.0指示灯
指示+5V正常
正常
LM2937-3.3指示灯
指示+3.3V正常
正常
按键一指示灯
按键一按下亮
正常
按键二指示灯
按键一按下亮
正常
按键三指示灯
按键一按下亮
正常
根据实际测试结果，电源指示灯可以正常指示电源正常工作；按键与状态指示灯均可以正常工作；按键与状态指示灯电路设计满足该系统设计需要，测试结果合格。
5.3OLED液晶显示电路测试
OLED液晶显示测试主要测试液晶显示是否可以正常显示规定显示的内容，主要测试包括以下几个部分：
数字显示测试、大小写字符显示测试、符号显示测试、字符串显示测试、汉字显示测试；OLED液晶显示测试结果如表5-3所示：
表5-3OLED液晶显示测试结果
测试功能
功能要求
实际测量结果
显示数字
正常显示的数字
正常
显示大小写字符
正常显示大小写字符
正常
显示符号
正常显示常见符号
正常
显示字符串
正常显示字符串
正常
显示汉字
正常显示汉字
正常
根据实际的测试结果，液晶显示电路显示内容没有出现内容丢失、显示内容错乱、错行、显示乱吗的现象；满足该系统设计需要，测试结果合格。
5.4电力载波通信模块电路测试
本文采用的是KQ-130电力载波模块，测试电力载波模块是否可以正常工作，借助了按键和状态指示等模块来实现电力载波通信模块的测试；测试方法如下：
当独立监控器一的按键一按下时独立监控器二指示灯一、指示灯二同时亮；当独立监控器一按键二按下时独立监控器二指示灯一、指示灯二同时灭。
电力载波通信模块的测试结果如表5-4所示：
表5-4电力载波通信模块测试结果
测试功能
功能要求
实际测量结果
独立监控器按键一
独立监控器二指示灯一、二同时亮
正常
独立监控器按键二
独立监控器二指示灯一、二同时灭
正常
根据实际测试结果显示，电力载波模块可以正常工作，未出现指示灯状态异常；可以满足该系统的设计，测试结果合格。
5.5DS18B20数字温度传感器电路测试
本文采用的是DS28B20数字温度传感器，DS18B20测温范围很大，从-55℃到+125℃，满足了一般的工农业要求，并且其精度也很高，在-10℃到+85℃之间，精度差不超过1℃，为±0.5℃。
并且其直接以数字的方式传输现场温度信号，串行输出用符号扩展的16位数字量，抗干扰能力强。
DS28B20数字温度传感器测试结果如表5-5所示：
表5-5电力载波通信模块测试结果
测试功能
环境温度
实际测量结果
温度检测
20
20.1
温度检测
23
23.0
温度检测
26
25.9
温度检测
29
29
温度检测
32
32.1
DS18B20温度在寄存器中为12位，分辨率为0.0625，测温范围-55℃到+125℃，在数据处理中采用的是四舍五余法保留一位小数；根据实际测试的结果，该设计可以满足系统需要，测试结果合格。
6总结与展望
6.1总结
电力载波的温室大棚分布式监控系统主要包括两个部分：
系统的硬件设计、系统的软件设计；系统的硬件设计完成了最初的功能定位来选择温室大棚环境检测传感器，选择电力载波模块，选择液晶显示，选择合适的微处理器，完成器件的选型后设计系统硬件的原理图、PCB图；为了方便管理、维护，系统硬件分模块设计。
分别为：
电源模块、按键与状态指示灯模块、微控制器模块、OLED液晶显示模块、电力载波模块；完成各个模块设计后集中在一块主板上。
系统的软件部分完成了温室大棚温度的采集，电力载波发送和接受数据或命令程序，液晶显示显示实时采集的温室大棚温度信息，按键可以实现手动操作执行单元的动作，来实现温室大棚环境信息的调控。
系统完成了各个功能模块的调试，可以正常运行满足系统设计需要。
6.2展望
经过测试系统达到了最初的设计要求，但是由于时间的限制本次课题还存在一些问题需要解决。
1、多个电力载波模块组网方式的选择，组网情况下上位机与下位机通信受时间限制，串口通信存在的不稳定性。
2、本文采用的电力载波模块的通信距离有限制，理论不能超过1500米，如上位机距离较远，在通信中需要解决中继问题。
3、本文集中监控器预留的串口接口可以借助GPRS通信模块，利用公网实现数据的远传，同时可以开发手机APP软件，通过移动终端实现远程数据的访问以及远程控制。
参考文献
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AbstractWiththedevelopmentofmodernagriculturalfacilities,thequantityofgreenhouseisincreasing.Theareaofsinglegreenhouseisveryhugewithwidedistribution.Thedemandofgreenhouseautomaticcontrolandremotecontrolisrising.Thecablemonitoringequipmentislaidoutintheinnerofthegreenhousewithmanyproblems,suchasthecomplexofroutingandthedifficultiesofmaintenance.Accordingtotheecomplexofrouting,thedifficultiesofmaintenanceandthedemandofremotecontrolingreenhouse,distributedmonitoringandcontrolsystemdesigningreenhousebasedonpowerlinecarrierisproposed.Thedataisexchangedthroughthepowersystem.Powercarriercommunicationmoduleisadoptedindistributedmonitoringandcontrolsystemdesigningreenhousebasedonpowerlinecarriertoreducethefieldwiring.Theenvironmentofcropgrowthisdetectedbythemonitor.Meanwhile,thedetectedenvironmentinformationisprocessedandtheoutputofactuatoriscontrolledtoadjusttheenvironmentofcropgrowth.Basedonpowercarriercommunicationmodule,thedataissenttothecentralizedmonitorthroughpowersystem.Theinformationissenttoupperlayercomputerfromcentralizedmonitor.Thegreenhouseandthetemperatureofgreenhousearemonitoredandcontrolledthroughupperlayercomputerbyoperatortoensuresuitablegrowthenvironment.Manyproblemsaresolvedbydistributedmonitoringandcontrolsystemdesigningreenhousebasedonpowerlinecarrier,includingthecomplexoffieldwiring,thedifficultiesofmaintenancewiththeadvantagesofremotereal-timecontrol,simplesystemarchitecture,higherreliabilityandeasytomaintenance.
Keywords：
greenhouse，powerlinecarrier，DistributedMonitoringSystem
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