基于MCGS與DTU的農(nóng)業(yè)蔬菜基地遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

袁小平+唐琳琳+馮麗平+呂中俠

摘要：提出了利用MCGS與DTU進(jìn)行農(nóng)業(yè)蔬菜基地遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該方案通過(guò)傳感器采集各個(gè)農(nóng)業(yè)基地現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的溫度、濕度、光照、氣體濃度等參數(shù)，傳輸給基地現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集與顯示終端，該終端的顯示界面是基于MCGS組態(tài)軟件的二次開(kāi)發(fā)。該系統(tǒng)提出了利用DTU 進(jìn)行遠(yuǎn)程通信、GPRS網(wǎng)絡(luò)作為傳輸通道，實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與昆侖通態(tài)MCGS的通信，遠(yuǎn)程監(jiān)控各個(gè)農(nóng)業(yè)基地的環(huán)境參數(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備和基地之間的遠(yuǎn)程信息的交換。主要介紹了該系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，詳細(xì)描述了上位機(jī)MCGS的設(shè)計(jì)思路與DTU的通信原理及設(shè)計(jì)過(guò)程。

關(guān)鍵詞：MCGS；DTU GPRS；遠(yuǎn)程監(jiān)控；農(nóng)業(yè)蔬菜基地

中圖分類(lèi)號(hào)： TP277.2；S126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2016）09-0368-03

當(dāng)前我國(guó)的農(nóng)業(yè)正由小規(guī)模種植的個(gè)體方式向集約化的大規(guī)?；胤N植方式轉(zhuǎn)變，隨之而來(lái)的各種問(wèn)題也越發(fā)顯現(xiàn)，比如灌溉問(wèn)題、通風(fēng)問(wèn)題、光照問(wèn)題等。為解決這一問(wèn)題，必須開(kāi)發(fā)一個(gè)依靠計(jì)算機(jī)，以現(xiàn)代通信技術(shù)為基礎(chǔ)的農(nóng)業(yè)安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高效率、信息化的管理模式[1]。

本研究介紹的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要完成了對(duì)蔬菜基地的監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、報(bào)警、數(shù)據(jù)的存檔等現(xiàn)代化管理。本系統(tǒng)將最先進(jìn)的DTU/GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，應(yīng)用到PC機(jī)與昆侖通態(tài)MCGS的通信里，使遠(yuǎn)程監(jiān)控對(duì)象的環(huán)境參數(shù)（溫濕度、光照度、氣體濃度等數(shù)據(jù)以及報(bào)警信號(hào)）通過(guò)GPRS無(wú)線方式實(shí)時(shí)傳輸給信息管理中心，實(shí)現(xiàn)在控制中心的計(jì)算機(jī)上同時(shí)對(duì)幾個(gè)不同地點(diǎn)的大棚進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。同時(shí)信息管理中心的計(jì)算機(jī)通過(guò)DTU進(jìn)行無(wú)線通信，DTU再通過(guò)串口跟昆侖通態(tài)觸摸屏相連，管理中心根據(jù)相應(yīng)的報(bào)警信息，發(fā)送控制命令給基地現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與顯示終端，執(zhí)行相應(yīng)的控制操作[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要分為蔬菜基地現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、基地現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與顯示終端的監(jiān)控與通信、信息管理中心的監(jiān)控設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集層主要負(fù)責(zé)各個(gè)基地環(huán)境參數(shù)的采集和傳送，由RS-485總線構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)的底層網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

基地現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集與顯示終端使用的軟件是工控組態(tài)軟件MCGS 7.7嵌入式版本， 設(shè)計(jì)好的工程下載到基地現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)

[FK（W15][TPYXP11.tif]

采集與顯示終端觸摸屏（昆侖通態(tài)TPC7062KX），然后通過(guò)跟傳感器連接，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境參數(shù)的采集，用戶可以根據(jù)作物生長(zhǎng)需求，設(shè)置各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)的上限和下限，并進(jìn)行智能控制。而且比較采用VC或VB自行編寫(xiě)上位機(jī)監(jiān)控程序來(lái)說(shuō)，開(kāi)發(fā)周期比較短，可快速生成監(jiān)控界面。MCGS的主要特性為：（1）網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大。支持以太網(wǎng)TCP/IP通信、串口通信、Modem串口通信，可以方便快捷地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。（2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。每個(gè)部件都跟實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)之間的輸入和輸出，并有效檢測(cè)出存在于數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤。（3）可以同時(shí)支持多個(gè)硬件設(shè)備。以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為中心，每個(gè)設(shè)備對(duì)應(yīng)的構(gòu)件都與之建立相互獨(dú)立的聯(lián)系，不會(huì)因?yàn)槠渲幸粋€(gè)改變而影響這個(gè)系統(tǒng)[3]。

遠(yuǎn)程監(jiān)控層主要基于TCP/IP協(xié)議，采用B/S模式完成遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。遠(yuǎn)端客戶可以登錄瀏覽器，進(jìn)入設(shè)計(jì)好的遠(yuǎn)端界面，通過(guò)獲取攝像頭的視頻圖像直觀地觀察各個(gè)大棚的植物的生長(zhǎng)狀況，也可以通過(guò)相關(guān)環(huán)境參數(shù)的顯示客觀分析實(shí)時(shí)狀況，還可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)的分析，執(zhí)行相關(guān)的操作。

2 上位機(jī)監(jiān)控軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 MCGS組態(tài)軟件的系統(tǒng)構(gòu)成

MCGS組態(tài)軟件由2個(gè)系統(tǒng)組成：組態(tài)環(huán)境和運(yùn)行環(huán)境。兩者相互獨(dú)立，相互聯(lián)系。在組態(tài)環(huán)境中用戶根據(jù)自己的需求設(shè)計(jì)組態(tài)工程，主要包括動(dòng)畫(huà)的設(shè)計(jì)以及相關(guān)程序的編寫(xiě)。生成的組態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)，也就是擴(kuò)展名為 .mcg的工程文件，它與MCGS運(yùn)行環(huán)境一起構(gòu)成了用戶應(yīng)用系統(tǒng)。其中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要指實(shí)時(shí)讀取和對(duì)象的封裝，就是一個(gè)對(duì)象的多個(gè)屬性或者動(dòng)作都集成在數(shù)據(jù)庫(kù)里，它將MCGS工程的各個(gè)部分連接成一個(gè)整體。整個(gè)工程里的變量都是定義在該窗口，這些不同類(lèi)型和名稱(chēng)的變量，是數(shù)據(jù)在進(jìn)行采集、處理、控制輸出以及驅(qū)動(dòng)設(shè)備時(shí)的對(duì)象[4]。MCGS軟件系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

2.2 設(shè)備通道的連接設(shè)置

在本系統(tǒng)中，上位監(jiān)控層主要連接的外部硬件就是2個(gè)傳感器，即土壤溫濕度變送器，溫濕度二氧化碳光照度變送器，根據(jù)傳感器的說(shuō)明書(shū)在設(shè)備窗口里設(shè)置相關(guān)的屬性，按照設(shè)置向?qū)д_設(shè)置設(shè)備連接通道、對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)象等參數(shù)，建立與系統(tǒng)的連接。這樣當(dāng)主機(jī)即上位機(jī)發(fā)送查詢(xún)指令，從機(jī)即變送器就會(huì)作出應(yīng)答，通過(guò)RS-485接口將數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)，系統(tǒng)就可以獲取變送器采集的環(huán)境參數(shù)，根據(jù)相關(guān)設(shè)定實(shí)現(xiàn)對(duì)基地現(xiàn)場(chǎng)的控制。使用MCGS編寫(xiě)上位機(jī)可以不用編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序，本項(xiàng)目使用的是Modbus RTU驅(qū)動(dòng)，因此通道連接只需配置正確即可。

MCGS提供了國(guó)內(nèi)外常用的工控產(chǎn)品的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，設(shè)備窗口是MCGS與外部設(shè)備聯(lián)系的樞紐，在該窗口通過(guò)構(gòu)件把外部硬件設(shè)備的環(huán)境參數(shù)采集進(jìn)來(lái)，送入到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，或者把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)里的數(shù)據(jù)輸出到外部設(shè)備[5]。使用時(shí)只需從設(shè)備工具箱中找到所要用的硬件設(shè)備，按照外部硬件設(shè)備的類(lèi)型正確設(shè)置設(shè)備連接通道、對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)對(duì)象等參數(shù)，使系統(tǒng)能夠從外部硬件設(shè)備讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析從而對(duì)基地現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制[6]。本項(xiàng)目中通過(guò)土壤溫濕度變送器、溫濕度二氧化碳光照度變送器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，然后通過(guò)RS-485口進(jìn)入上位機(jī)。由于MCGS 提供了Modbus RTU的驅(qū)動(dòng)，所以無(wú)需再編寫(xiě)相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序。在本項(xiàng)目的監(jiān)控系統(tǒng)中首先MCGS的設(shè)備管理菜單中設(shè)置通用串口父設(shè)備，然后從設(shè)備工具箱中找到莫迪康Modbus RTU并將其掛接在通用串口父設(shè)備上，再按系統(tǒng)的要求進(jìn)行定義和設(shè)置設(shè)備的組態(tài)，即可將現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)傳到組態(tài)軟件中進(jìn)行處理。

2.3 監(jiān)控界面的設(shè)計(jì)

MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控界面主要包括4個(gè)：實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、報(bào)警設(shè)置、手動(dòng)設(shè)備控制、報(bào)警記錄顯示，如圖3所示。可根據(jù)不同大棚和植物生長(zhǎng)對(duì)環(huán)境參數(shù)設(shè)置合理的上下限，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)超出設(shè)定范圍指示燈就會(huì)產(chǎn)生報(bào)警提示。根據(jù)報(bào)警，不僅可以通過(guò)手動(dòng)對(duì)水泵、通風(fēng)機(jī)、升溫設(shè)備、卷簾、噴霧設(shè)備、日光燈等設(shè)備進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，而且可以自動(dòng)控制相關(guān)設(shè)備的開(kāi)啟和閉合，使其生長(zhǎng)環(huán)境達(dá)到最佳狀態(tài)。

3 農(nóng)業(yè)基地?cái)?shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸

當(dāng)基地大棚數(shù)量達(dá)到一定的規(guī)模后，如何將眾多分散的大棚里面的信息傳至管理中心，是本項(xiàng)目研究的又一個(gè)核心問(wèn)題。本研究提出利用DTU GPRS進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，將基地現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)、控制狀態(tài)傳遞給管理中心，以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并及時(shí)有效地進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

3.1 GPRS技術(shù)簡(jiǎn)介

GPRS是通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)的簡(jiǎn)稱(chēng)，是封包交換數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。GPRS技術(shù)是GSM技術(shù)的一個(gè)升級(jí)，投資相對(duì)較少，但是能夠?qū)崿F(xiàn)全網(wǎng)覆蓋。GPRS在GSM的基礎(chǔ)之上采用了新的編碼方式，在核心網(wǎng)部分采用了分組交換的方式，使GPRS的傳輸速率最高可提升至114 kb/s，突破了電路網(wǎng)只能64 kb/s的傳輸速率[7]。GPRS只對(duì)GSM的部分無(wú)線參數(shù)進(jìn)行了修改，提高了無(wú)線資源的利用率，有利于運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，提高了GSM網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信能力，培養(yǎng)了移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)市場(chǎng)。同時(shí)GPRS技術(shù)融合了GSM與IP技術(shù)的精華，既保持了良好的移動(dòng)性，同時(shí)又具備了IP技術(shù)的靈活性。GPRS用戶與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)建立連接的時(shí)間比較短，在網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量比較好的情況下，只需要1～1.25 s。收費(fèi)方式更為合理與便宜，GPRS用戶所使用的費(fèi)用是以傳輸單位來(lái)計(jì)算的，而不是用整個(gè)頻道。因?yàn)镚PRS的信道是可以共享的，用戶需要的時(shí)候才會(huì)有包產(chǎn)生。GPRS技術(shù)還引入了APN接入點(diǎn)名，便于實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的全球漫游[8]。

3.2 DTU通信原理

DTU就是把終端數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)口或者串口把數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳遞給服務(wù)端，實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議與串口數(shù)據(jù)流之間的相互轉(zhuǎn)換，是數(shù)據(jù)傳輸單元的簡(jiǎn)稱(chēng)。采用透明傳輸，分為數(shù)據(jù)上行和數(shù)據(jù)下行，可以為不帶TCP/IP協(xié)議處理能力管理的設(shè)備提供無(wú)線通信能力。

數(shù)據(jù)下行：在信息管理中將控制命令，根據(jù)自定義幀格式，封裝成IP包，通過(guò)Internet/GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給DTU，DTU收到這個(gè)IP包后，通過(guò)RS-232串口，傳遞給MCGS，MCGS根據(jù)自定義幀格式，還原數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)水泵、通風(fēng)設(shè)備等電機(jī)終端的各種狀態(tài)。

數(shù)據(jù)上行：MCGS通過(guò)RS-232串口發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)DTU后被封裝成IP包，通過(guò)GPRS 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到信息管理中心；數(shù)據(jù)中心的軟件會(huì)根據(jù)自定義的幀格式，將收到的IP包存入數(shù)據(jù)庫(kù)，工作人員可以通過(guò)瀏覽器或者客戶端軟件查看數(shù)據(jù)，然后對(duì)信息進(jìn)行判斷和決策。

3.3 如何配置DTU參數(shù)

本系統(tǒng)采用的是銘羽電子MY1000 GPRS DTU。主要配置過(guò)程如下：

（1）DTU串口通過(guò)串口線與計(jì)算機(jī)串口相連，打開(kāi)DTU配置軟件，在 “計(jì)算機(jī)串口設(shè)置”部分，選擇相應(yīng)的串口號(hào)，如使用的是USB轉(zhuǎn)串口模塊，應(yīng)在系統(tǒng)的“設(shè)備管理器”中查看安裝驅(qū)動(dòng)后映射的串口號(hào)。波特率選擇9600，校驗(yàn)位NONE，數(shù)據(jù)位8，停止位1。這些配置好后，則給DTU上電，然后5 s內(nèi)點(diǎn)擊“進(jìn)入設(shè)置”按鈕，向DTU發(fā)送開(kāi)始設(shè)置的串口命令。

（2）接著進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)，進(jìn)入“終端聯(lián)網(wǎng)參數(shù)”界面，并自動(dòng)查詢(xún)出終端當(dāng)前的一些連網(wǎng)參數(shù)。在“接入中心IP”處可以填寫(xiě)服務(wù)器PC在公網(wǎng)上的IP。

（3）接入中心端口可以保持默認(rèn)值10 000不變，中心協(xié)議選擇TCP協(xié)議，GPRS用戶名和密碼保持不變。APN名稱(chēng)，如是聯(lián)通則是UNINET，移動(dòng)則是CMNET。終端編號(hào)是4個(gè)數(shù)字，可自己設(shè)置，每臺(tái)都不同，可從0001開(kāi)始編寫(xiě)。SIM卡號(hào)是用戶插入終端的手機(jī)卡號(hào)。心跳包一般設(shè)置為默認(rèn)的60，這樣DTU參數(shù)便配置完成。

（4）接著配置DTU串口與外部硬件設(shè)備參數(shù)。選擇“終端串口”選項(xiàng)，進(jìn)入設(shè)置界面。目前DTU支持的波特率范圍是1 200～115 200，接口校驗(yàn)方式支持：NONE（無(wú)校驗(yàn)）、ODD（奇校驗(yàn)）、EVEN（偶校驗(yàn)）。支持的數(shù)據(jù)位是8位，停止位是1位。

（5）如果設(shè)置的串口參數(shù)為115 200，E，8，1。則在DTU未連上中心服務(wù)器前還是會(huì)保持9 600，N，8，1的參數(shù)，只在登錄中心軟件后才會(huì)看到到設(shè)置的串口參數(shù)。設(shè)置成功后，最后點(diǎn)擊“退出設(shè)置”圖標(biāo)，DTU將重新啟動(dòng)，根據(jù)設(shè)置好的參數(shù)開(kāi)始連接中心服務(wù)器。

4 遠(yuǎn)程監(jiān)控層

管理中心由網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備和工作計(jì)算機(jī)等組成，用以完成基地現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)信息的采集、存儲(chǔ)和顯示，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)基地視頻遠(yuǎn)程手動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)基地環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程控制。本系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)的界面如圖4所示：

（1）設(shè)置了歷史報(bào)表、報(bào)警設(shè)置、歷史曲線等選項(xiàng)，點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的按鈕，就會(huì)彈出對(duì)應(yīng)的界面。用戶可以參照相關(guān)的界面顯示，作出合理的判斷。每個(gè)界面都可以打印輸出，便于整理歸檔。

（2）對(duì)各基地的空氣溫濕度、氨氣濃度、土壤溫濕度、光照度等參數(shù)實(shí)時(shí)顯示。同時(shí)配置了施肥器、通風(fēng)機(jī)、水泵等虛擬裝置，用戶只需點(diǎn)擊虛擬裝置，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程裝置的開(kāi)關(guān)操作。

（3）信息管理中心可以根據(jù)2個(gè)傳感器傳送的環(huán)境參數(shù)，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)基地環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)控制。

5 結(jié)論

本研究所設(shè)計(jì)的基于MCGS與DTU的農(nóng)業(yè)蔬菜基地遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)已在徐州市的某個(gè)蔬菜生產(chǎn)基地應(yīng)用，使用效果表明系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，提高了基地的生產(chǎn)監(jiān)控管理水平和經(jīng)濟(jì)效益。目前DTU和組態(tài)軟件在國(guó)內(nèi)迅速發(fā)展，利用這兩者開(kāi)發(fā)的農(nóng)業(yè)基地監(jiān)控系統(tǒng)，可以顯著提高各個(gè)基地的自動(dòng)化控制和管理水平，以比較小的投入獲得了一個(gè)比較好監(jiān)控與維護(hù)的農(nóng)業(yè)基地遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有良好的通用性，通過(guò)選用不同的傳感器，更改一些參數(shù)設(shè)置，就可以應(yīng)用到不同的應(yīng)用場(chǎng)合，如智能家居、車(chē)聯(lián)網(wǎng)等。

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