基于物聯(lián)網(wǎng)的集散控制系統(tǒng)在溫室群環(huán)境監(jiān)測控制中的應(yīng)用

張 冰， 余艷偉， 魯紹坤， 李正風(fēng)， 張 銘， 紀(jì) 霖， 張?zhí)祉?/p>

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)，云南昆明 650201； 2.河南機(jī)電職業(yè)學(xué)院，河南鄭州 451191； 3.云南中煙工業(yè)責(zé)任有限公司，云南昆明 650231)

隨著現(xiàn)代化種植朝著產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；较虻陌l(fā)展，現(xiàn)代化溫室越來越多，而現(xiàn)階段我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以家庭為主，且各溫室控制系統(tǒng)相互獨(dú)立，這就使得對各個(gè)溫室的管理變得費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并存在對溫室監(jiān)管不到位的問題，進(jìn)而影響規(guī)?；N植；此外，種植對象朝著多樣性、多變性的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)對不同作物生長環(huán)境的差異化監(jiān)測與控制對保證其產(chǎn)量與質(zhì)量具有顯著影響，為此提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的集散控制系統(tǒng)[1-2]。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息通信技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展，集散控制系統(tǒng)以其控制分散、管理集中、系統(tǒng)規(guī)?？纱罂尚?、配置靈活、組態(tài)方便等優(yōu)點(diǎn)在不同學(xué)科領(lǐng)域得到廣泛的發(fā)展應(yīng)用。在應(yīng)用研究中，比較典型的有基于個(gè)人計(jì)算機(jī)(PC)的集散控制系統(tǒng)[3-5]、基于可編程邏輯控制器(PLC)的工業(yè)集散控制系統(tǒng)[6-7]、基于總線技術(shù)的集散控制系統(tǒng)[8-10]，而農(nóng)業(yè)應(yīng)用低成本、易操作的要求阻礙了上述系統(tǒng)在溫室群中的廣泛應(yīng)用與推廣；并且由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境具有高溫高濕且變化復(fù)雜的特點(diǎn)，這就要求所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要有很高的穩(wěn)定性與可靠性[11-12]。鑒于普通的單機(jī)系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障整個(gè)系統(tǒng)都將癱瘓，而多機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與控制是由各個(gè)終端設(shè)備來完成的，1個(gè)終端設(shè)備出現(xiàn)故障，其余設(shè)備依舊能夠正常工作，這是系統(tǒng)可靠性明顯較高的原因，設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的多機(jī)集散控制系統(tǒng)，利用單片機(jī)代替PC具有操作簡單、經(jīng)濟(jì)高效的優(yōu)點(diǎn)；采用多終端的硬件系統(tǒng)，構(gòu)建任務(wù)分級控制系統(tǒng)，降低終端故障對系統(tǒng)總體的影響；同時(shí)借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[13-14]，通過GPRS無線通信[15]方式搭建多級管理平臺，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與管理，以提高溫室的智能化、信息化管理水平。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體由集散控制系統(tǒng)、GPRS無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)、服務(wù)器系統(tǒng)3個(gè)部分組成。利用單片機(jī)多機(jī)通信技術(shù)[16]構(gòu)建1主2從的集散控制系統(tǒng)，完成對各個(gè)溫室環(huán)境的監(jiān)測與控制并將采集到的數(shù)據(jù)傳送到主機(jī)集中顯示，方便主機(jī)對從機(jī)的控制與參數(shù)的設(shè)置，同時(shí)主機(jī)通過SIM900A模塊建立GPRS無線數(shù)據(jù)通信，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性與穩(wěn)定性，通過TCP/IP協(xié)議建立與服務(wù)器的連接，利用HTTP文件傳輸協(xié)議[17]將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器，搭建1個(gè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)作為環(huán)境數(shù)據(jù)的終端展示平臺。遠(yuǎn)程客戶端可以通過PC或者手機(jī)端瀏覽器查看實(shí)時(shí)的環(huán)境數(shù)據(jù)信息并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。其系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

集散控制系統(tǒng)包括主機(jī)系統(tǒng)與從機(jī)系統(tǒng)等2個(gè)部分，其硬件系統(tǒng)如圖2所示。其中，主機(jī)、從機(jī)的控制芯片采用宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期單片機(jī)STC12C5A60S2，其片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲區(qū)為 1 280 字節(jié)，應(yīng)用程序空間達(dá)到60 kB，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍，并且具有低功耗、超強(qiáng)抗干擾的優(yōu)點(diǎn)，能夠完成復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)的要求；傳感器模塊為DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器，具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠、功耗低、不受電源噪音及電壓波動(dòng)等干擾影響的優(yōu)點(diǎn)；執(zhí)行元器件通過單片機(jī)控制繼電器模塊來實(shí)現(xiàn)對風(fēng)機(jī)水泵等的控制；由于RS485[18]總線具有抗干擾性強(qiáng)、通信距離遠(yuǎn)、安裝操作方便的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)各溫室間的穩(wěn)定通信，所以各系統(tǒng)之間通過RS485總線進(jìn)行連接。

1.3 集散控制平臺的設(shè)計(jì)

集散控制系統(tǒng)各模塊單元的核心為單片機(jī)系統(tǒng)，通過多機(jī)通信技術(shù)利用2根數(shù)據(jù)線、1根地線即可將各個(gè)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至主機(jī)， 具有布線簡單、費(fèi)用低、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)采用1主2從的模式，利用STC12C5A60S2單片機(jī)的串口1進(jìn)行多機(jī)通信，主從機(jī)串行口操作模式均設(shè)置為模式3，即1位起始位，1位停止位，1位校驗(yàn)位，8位數(shù)據(jù)位，多機(jī)通信控制位SM2都為1，允許接收位REN都為1，串行口中斷允許位、中斷總允許位都為1，波特率均設(shè)置為 9 600 B/s。主機(jī)、從機(jī)電路如圖3、圖4所示。

運(yùn)行時(shí)，主機(jī)通過讀取時(shí)鐘芯片DS1302的時(shí)間值，每隔2 min與從機(jī)建立1次通信。通信時(shí)主機(jī)串行控制寄存器TB8置位1，將從機(jī)1的地址傳送至串行數(shù)據(jù)緩沖器(SBUF)，此時(shí)從機(jī)處于多機(jī)通信模式，且接收到的第9位數(shù)據(jù)RB8為1，置位中斷標(biāo)志位RI，這樣每臺從機(jī)都檢查一下所接收到的地址是否與本機(jī)相符，若為本機(jī)地址則清除SM2位，而其余從機(jī)則保持SM2位為1的狀態(tài)，接著主機(jī)清除TB8位并發(fā)送設(shè)定的參數(shù)給從機(jī)，由于各從機(jī)接收到的第9位數(shù)據(jù)RB8為0，只有SM2位為0的從機(jī)即從機(jī)1才會(huì)置中斷標(biāo)志RI為1，接收主機(jī)的數(shù)據(jù)。

當(dāng)主機(jī)給從機(jī)1發(fā)送完數(shù)據(jù)之后，置位從機(jī)1的數(shù)據(jù)上傳標(biāo)志位(程序里定義)，從機(jī)1在主函數(shù)中判斷數(shù)據(jù)上傳標(biāo)志位是否為1，一旦數(shù)據(jù)上傳標(biāo)志位為1，則進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳發(fā)送函數(shù)，從機(jī)1將發(fā)送的第9位數(shù)據(jù)TB8置為1，將主機(jī)的地址送入SBUF，由于主機(jī)接收到的第9位數(shù)據(jù)RB8為1，且地址與本機(jī)相符，則主機(jī)清除SM2位，此時(shí)從機(jī)1清除TB8位并發(fā)送數(shù)據(jù)給主機(jī)，實(shí)現(xiàn)主機(jī)、從機(jī)之間數(shù)據(jù)的雙向傳遞，數(shù)據(jù)發(fā)送完之后將主機(jī)、從機(jī)的SM2都置為1，為下一次數(shù)據(jù)收發(fā)作準(zhǔn)備。主機(jī)與從機(jī)2的通信和主機(jī)與從機(jī)1的通信類似，區(qū)別在于從機(jī)2的地址與從機(jī)1不同。

1.4 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)通過GPRS無線通信方式進(jìn)行傳輸，其中GPRS模塊采用SIMCOM公司的工業(yè)級雙頻GPRS模塊SIM900A[19]，工作雙頻頻段為900/1 800 MHz，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語音、手機(jī)短信服務(wù)以及數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸，并且通過晶體管-晶體管邏輯電平(TTL)方式無需電平轉(zhuǎn)換便可與STC12C5A60S2單片機(jī)的串口2進(jìn)行通信。通信波特率設(shè)置為9 600 B/s，8位數(shù)據(jù)位，1位起始位，1位停止位。電路如圖5所示。

1.4.1 利用TCP/IP建立與服務(wù)器的連接 傳輸控制協(xié)議(TCP)是一個(gè)面向連接的可靠協(xié)議，能夠保證一臺主機(jī)上的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤地傳輸?shù)搅硪慌_主機(jī)上，通過GPRS模塊調(diào)用TCP/IP協(xié)議建立與服務(wù)器的連接，必須按照特定的格式要求發(fā)送AT指令[20]。AT指令必須以“AT”或“at”開頭，以回車()結(jié)尾。模塊的響應(yīng)通常緊隨其后，格式為<回車><換行><響應(yīng)內(nèi)容><回車><換行>，如果發(fā)送給模塊的指令執(zhí)行成功，則會(huì)返回對應(yīng)信息和“OK”，如果執(zhí)行失敗則指令無效并且會(huì)返回“ERROR”。

利用GPRS模塊建立與服務(wù)器的連接，其過程步驟：

(1)發(fā)送指令“AT+CPIN?”查詢SIM900A模塊是否正常工作；

(2)發(fā)送指令“AT+CSQ”查詢SIM卡信號質(zhì)量；

(3)發(fā)送分別表示請求承載、設(shè)置承載參數(shù)為因特網(wǎng)類型GPRS連接、設(shè)置接入點(diǎn)為中國移動(dòng)GPRS網(wǎng)絡(luò)、打開GPRS分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)等的指令“AT+SAPBR=2，1”“AT+SAPBR=3，1”“Contype”“GPRS”“AT+SAPBR=3，1”“APN”“CMNET”“AT+SAPBR=1，1”；

(4)發(fā)送指令“AT+CIPSTART=“mode”“IP address”“port””，其中“mode”設(shè)置為TCP連接，“IP address”為對應(yīng)的服務(wù)器IP地址、“port”為服務(wù)器端口號，當(dāng)與服務(wù)器連接成功后返回“connect ok”；

(5)發(fā)送指令“AT+CIPSEND”進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送請求；當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送成功時(shí)，返回“send ok”；

(6)按照HTTP協(xié)議發(fā)送“POST”“GET”請求，數(shù)據(jù)輸入完成后，輸入十六進(jìn)制的“0X1A”，啟動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，模塊返回“send ok”。

1.4.2 利用HTTP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù) HTTP協(xié)議是一種應(yīng)用層協(xié)議，在可靠網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議——TCP/IP的基礎(chǔ)上提供客戶端與服務(wù)器之間進(jìn)行信息傳輸?shù)囊环N機(jī)制，并規(guī)定了客戶端與服務(wù)器之間交互的各種消息。通過TCP/IP協(xié)議建立客戶機(jī)與服務(wù)器的連接后，發(fā)送HTTP請求給服務(wù)器，請求的內(nèi)容包括請求方法、統(tǒng)一資源標(biāo)識符、協(xié)議版本號、MIME格式的信息等。其中，MIME信息又包括請求修飾符、客戶機(jī)信息和可能的內(nèi)容等。服務(wù)器接到請求后，給予相應(yīng)的響應(yīng)信息，其格式為1個(gè)狀態(tài)行和MIME格式信息。狀態(tài)行包括信息的協(xié)議版本號、1個(gè)成功或錯(cuò)誤的代碼；MIME信息包括服務(wù)器信息、實(shí)體信息和可能的內(nèi)容。

發(fā)送POST請求進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸過程：

(1)請求行利用POST方法向指定的資源提交處理請求，指定請求的HTTP協(xié)議版本與服務(wù)器的域名和端口號；

(2)發(fā)送“Accept：*/* ”指定客戶端能夠接收的內(nèi)容類型；

(3)發(fā)送“U-ApiKey：xxxx-ffff-zzzz ”提供數(shù)據(jù)操作的權(quán)限；

(4)發(fā)送“Content-Length：size ”指定請求的內(nèi)容長度；

(5)發(fā)送“Content-Type：application/x-www-form-urlencoded ”請求與實(shí)體對應(yīng)的MIME信息；

(6)發(fā)送“Connection：close ”指定是否須要持久連接；

(7)發(fā)送HTTP內(nèi)容。

由于終端設(shè)備采用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，請求頭域“Accept”設(shè)置為“*/*”，只負(fù)責(zé)接收，不管文件格式?！癈ontent-Type”設(shè)置為“application/x-www-form-urlencoded”，為標(biāo)準(zhǔn)的編碼格式?！癈ontent-length”以Form中數(shù)據(jù)經(jīng)編碼后的長度而定，HTTP請求消息的頭域必須攜帶api-key字段， 服務(wù)器依據(jù)api-key字段判別該用戶是否具有對應(yīng)操作權(quán)限。HTTP內(nèi)容中包含需要上傳的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采用Key-Value格式，其中Key值由設(shè)備id、數(shù)據(jù)流id、時(shí)間等信息組成，Value部分是JSON[21]類型數(shù)據(jù)。其中 是2個(gè)字符，表示ASCII碼里面的回車換行，請求行和標(biāo)題必須以回車換行作為結(jié)尾，空行內(nèi)必須只有回車換行而無其他空格。當(dāng)返回“HTTP/1.1 200 ok”，則表示數(shù)據(jù)上傳成功。

1.5 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

通過頁面實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，其過程與發(fā)送POST請求實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳過程類似，先建立與服務(wù)器的連接，接著采用GET方法向指定的資源提交處理請求，實(shí)現(xiàn)頁面的下載，利用strstr(char *s，char *sub)函數(shù)對頁面數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)抽取[22-23]，判斷是否含有代表控制信息的字符串，如果含有則發(fā)送控制信息給從機(jī)，從機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的控制動(dòng)作。

1.6 服務(wù)器系統(tǒng)

服務(wù)器系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器(B/S)模式，支持通過PC端或者手機(jī)端瀏覽器進(jìn)行數(shù)據(jù)查看；支持通過POST、PUT、GET、DELETE等方法發(fā)送HTTP請求，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的創(chuàng)建、編輯、查詢、刪除等操作；采用統(tǒng)一資源定位符(URL)方式將不同傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分，數(shù)據(jù)以JSON的格式進(jìn)行傳輸，支持1次發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)流，也支持多傳感器數(shù)據(jù)的上傳，并能夠?qū)崿F(xiàn)對各現(xiàn)場數(shù)據(jù)分類實(shí)時(shí)顯示與可視化展示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

下位機(jī)程序利用C語言進(jìn)行編程，從機(jī)程序主要包括顯示屏、串口的初始化，傳感器數(shù)據(jù)的讀取與執(zhí)行元器件的控制，主從機(jī)之間的通信等，主函數(shù)不斷讀取傳感器的數(shù)據(jù)并與設(shè)定的參數(shù)值進(jìn)行對比判斷，當(dāng)現(xiàn)場環(huán)境值不在設(shè)定范圍內(nèi)時(shí)執(zhí)行相應(yīng)控制動(dòng)作，其工作流程如圖6所示。

主機(jī)程序主要包括顯示屏、時(shí)鐘芯片、串口、從機(jī)參數(shù)的初始化，按鍵程序、GPRS通信、主從機(jī)通信等，在主函數(shù)里不斷掃描按鍵電路，當(dāng)設(shè)置鍵按下時(shí)進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置界面，若要對其中某個(gè)從機(jī)的參數(shù)進(jìn)行修改，則須主機(jī)將修改過的參數(shù)通過串口1發(fā)送給從機(jī)，設(shè)置鍵被按下4次時(shí)退出參數(shù)設(shè)置界面；循環(huán)讀取時(shí)鐘芯片的時(shí)間值，進(jìn)行判斷，每隔2 min讀取從機(jī)采集的數(shù)據(jù)[24-25]并上傳到服務(wù)器。其程序流程如圖7所示。

3 系統(tǒng)測試結(jié)果與應(yīng)用

在溫室群現(xiàn)場搭建1主2從集散控制系統(tǒng)，通過主機(jī)實(shí)現(xiàn)對2個(gè)溫室的集中管理與分散控制，并將數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器，從而實(shí)現(xiàn)對溫室的遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)如圖8所示。

4 結(jié)論

農(nóng)田環(huán)境的監(jiān)控是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)高效可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)性工作，而如何實(shí)現(xiàn)對農(nóng)田的高效便捷管理制約著農(nóng)業(yè)的產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；l(fā)展。本研究開發(fā)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的集散控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對溫室群的集中管理與差異化控制。與獨(dú)立的溫室控制系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)降低了維護(hù)、管理溫室系統(tǒng)的時(shí)間與勞動(dòng)強(qiáng)度，增強(qiáng)了對溫室環(huán)境的掌控與管理水平，對農(nóng)田的信息化、智能化管理具有一定推廣應(yīng)用價(jià)值。