電力載波溫室大棚監(jiān)測系統(tǒng)的人機交互研究

晏 涌，張云起，趙釢辛，梁 燦，縱 恒，魏依斌

(北京石油化工學(xué)院信息工程學(xué)院，北京 102617)

0 引言

國內(nèi)很多溫室大棚對溫度、濕度等的監(jiān)控都采用人工管理，導(dǎo)致人力資源浪費、成本增加，且農(nóng)作物的產(chǎn)量不能滿足要求[1-2]。因此，基于現(xiàn)代電子信息技術(shù)，開發(fā)溫室大棚多種數(shù)據(jù)實時監(jiān)控系統(tǒng)非常必要。

電力載波通信(power line carrier，PLC)技術(shù)，以電力線作為傳輸媒介來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和信息交換的通信[3-4]。電力線具有分布廣泛、直達用戶、接入操作簡單、成本投入小等優(yōu)勢。利用它進行數(shù)據(jù)通信，傳遞各種信息，省工、省錢、維護簡單。所以，電力載波通信技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景和極大的發(fā)展?jié)摿?。本文提出了一種利用電力載波技術(shù)進行溫室環(huán)境參數(shù)采集和傳輸，并基于組態(tài)軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的圖形顯示和人機交互，設(shè)計了多種數(shù)據(jù)實時監(jiān)控報警的溫室大棚監(jiān)測系統(tǒng)。

1 電力載波系統(tǒng)總體方案

電力載波系統(tǒng)總體方案的設(shè)計包括：主節(jié)點上位計算機、主節(jié)點和多個子節(jié)點監(jiān)控，以及組態(tài)王模塊組成。其中：主節(jié)點包括電力載波模塊和高級精簡指令集機器(advanced RISC machine,ARM)；子節(jié)點監(jiān)控模塊包括電力載波模塊、ARM、各種溫室環(huán)境監(jiān)測傳感器、執(zhí)行機構(gòu)以及組態(tài)王。溫室數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

各子節(jié)點的采集數(shù)據(jù)通過電力載波模塊，由低壓電力線匯集到主節(jié)點；主節(jié)點通過RS-232串口與計算機進行數(shù)據(jù)通信，完成數(shù)據(jù)的上行。數(shù)據(jù)下行是由計算機將采集信號比較處理后產(chǎn)生的控制信號，經(jīng)主節(jié)點和電力載波模塊，利用電力線送到指定的子節(jié)點，并通過執(zhí)行機構(gòu)對環(huán)境參數(shù)進行調(diào)節(jié)[5]。各子節(jié)點還可以利用組態(tài)王監(jiān)測所處溫室的環(huán)境數(shù)據(jù)，使用Modbus通信協(xié)議傳輸?shù)紸RM，并在TPC觸摸屏上實時顯示采集的數(shù)據(jù)。通過編寫腳本程序，可在觸摸屏中分別調(diào)用所需監(jiān)控的子界面[6]。

2 硬件實現(xiàn)

2.1 監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)介紹

監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)(monitor and control generated system，MCGS)是北京昆侖通態(tài)公司開發(fā)的一款用于快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用Modbus通信協(xié)議，可在Windows平臺上運行，通過采集和處理數(shù)據(jù)，以動畫顯示、報警處理、流程控制和報表輸出等多種輸入、輸出方式，為用戶提供優(yōu)質(zhì)解決方案。因其便于操作、易于上手且易于擴展，MCGS在自動化工業(yè)和教育行業(yè)有著較為廣泛的應(yīng)用[7]。

2.2 子節(jié)點硬件組成

系統(tǒng)模擬了3個不同溫室大棚作為3個子節(jié)點，分別對空氣溫濕度、土壤濕度、CO2濃度、光照強度、人體紅外、門窗震動、雨滴、火源火焰等數(shù)據(jù)進行采集和處理，包括3種開關(guān)量、2種模擬量、單總線和I2C 4種輸出形式。由STM32單片機結(jié)合傳感器群作為下位機返回數(shù)據(jù)，通過Modbus協(xié)議傳輸至TPC觸摸屏(上位機)。在MCGS中，對采集到的數(shù)據(jù)進行比對，對超過限值的數(shù)據(jù)量報警并記錄[8]。子節(jié)點監(jiān)控模塊組成如圖2所示。

圖2 子節(jié)點監(jiān)控模塊組成框圖

子節(jié)點模塊采用的硬件如下?？諝鉁囟葌鞲衅?，測量范圍0～50 ℃，精度±2 ℃，數(shù)字量報警?？諝鉂穸葌鞲衅鳎簻y量范圍20%～90%RH，精度±5%RH，數(shù)字量超限值報警。土壤濕度傳感器：電位器調(diào)控相應(yīng)閾值，低于設(shè)定值輸出為1，數(shù)字量超限值報警。CO2濃度傳感器：測量范圍0～10 000×10-6，TTL低電平有效，數(shù)字量超限值報警。光照強度傳感器：測量范圍0～65 535 Lux，傳感器內(nèi)置16位A/D轉(zhuǎn)換器，數(shù)字量超限值報警。人體紅外傳感器：感應(yīng)式觸發(fā)，高電平有效，開關(guān)量報警。門窗震動傳感器：電位器調(diào)控相應(yīng)閾值，高電平有效，指示燈不亮，開關(guān)量報警。雨滴傳感器：電位器調(diào)控相應(yīng)閾值，低電平有效，開關(guān)量報警?；鹪椿鹧?zhèn)鞲衅鳎簻y量波長在760～1 100 nm范圍內(nèi)的光源，開關(guān)量報警。STM32F103單片機：該型單片機由意法半導(dǎo)體設(shè)計制造，使用高性能的ARM Cortex-M3，32位核心，頻率為72 MHz，內(nèi)置高速ROM，具備豐富的I/O端口；裝載有WIN7 64位系統(tǒng)和MCGSE的計算機終端，用于運行MCGS程序編制項目。MCGS嵌入版TPC7062TX觸摸屏是以Cortex-A8 為核心的、頻率為600 MHz的一體化觸摸屏。產(chǎn)品使用了7英寸(1英寸=25.4 mm)液晶顯示屏，內(nèi)置MCGS嵌入式組態(tài)軟件的相應(yīng)版本，能夠?qū)崿F(xiàn)項目工程的顯示輸出和觸摸控制等功能[9]。

3 軟件的設(shè)計

3.1 串行異步通信協(xié)議設(shè)計

通信協(xié)議包括三部分：總節(jié)點通過串口上傳計算機的數(shù)據(jù)協(xié)議、計算機串口下傳控制指令到總節(jié)點數(shù)據(jù)協(xié)議、計算機對總節(jié)點數(shù)據(jù)請求協(xié)議。總節(jié)點通過串口上傳計算機的數(shù)據(jù)協(xié)議，每一幀數(shù)據(jù)的總長度為25 B。

數(shù)據(jù)協(xié)議如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)協(xié)議表

3.2 實時數(shù)據(jù)庫

MCGS工程界面由主控窗口、用戶窗口、設(shè)備窗口、實時數(shù)據(jù)庫和運行策略組成[10]。用戶窗口組態(tài)主要用于設(shè)置人機交互界面，如系統(tǒng)的主控界面、曲線圖、動畫等。主控窗口組態(tài)是工程的主窗口或主框架，通過對系統(tǒng)菜單和參數(shù)的定義和設(shè)置來調(diào)度、管理用戶窗口的打開或關(guān)閉。實時數(shù)據(jù)庫組態(tài)是工程各個部分?jǐn)?shù)據(jù)交換與處理中心，對系統(tǒng)所創(chuàng)建的數(shù)據(jù)對象的基本屬性、存盤屬性、報警屬性進行定義和設(shè)置。設(shè)備構(gòu)件組態(tài)是連接和驅(qū)動外部設(shè)備的工作環(huán)境。運行策略組態(tài)完成工程運行流程的控制，根據(jù)系統(tǒng)的控制算法及要完成的特定流程和操作處理，對系統(tǒng)的“啟動策略”、“循環(huán)策略”、“存盤策略”等分別進行組態(tài)和設(shè)置。

在通道連接窗口中,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道和實時數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)對象對應(yīng)連結(jié)起來。在基本屬性窗口中，采用重復(fù)采集和對采集數(shù)據(jù)進行最大值、最小值處理的方式，以提高采集的精度和數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。在數(shù)據(jù)處理窗口，設(shè)置數(shù)據(jù)處理方法，即把采集或輸出的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為溫室環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。在組態(tài)環(huán)境中完成上述用戶設(shè)計和應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)造后，用戶組態(tài)生成的結(jié)果是一個數(shù)據(jù)庫文件，即組態(tài)結(jié)果數(shù)據(jù)庫[11]。數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)分為數(shù)值型、開關(guān)型、字符型和組對象四類。

MCGS工程界面如圖3所示。

圖3 MCGS工程界面

根據(jù)該系統(tǒng)的子節(jié)點傳感器選型，設(shè)計了MCGS數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)表。以其中一個溫室大棚的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為例，具體的傳感器數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 傳感器數(shù)據(jù)表

3.3 Modbus通信協(xié)議

Modbus是1979年由莫迪康(現(xiàn)為施耐德公司的子公司)發(fā)布的串行通信協(xié)議，現(xiàn)已成為工業(yè)電子設(shè)備連接的常用協(xié)議。Modbus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器的一種通用語言。通過此協(xié)議，可實現(xiàn)控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)(例如以太網(wǎng))和其他設(shè)備之間的通信。在Modbus系統(tǒng)中有2種傳輸模式可選擇。一種模式是美國信息交換碼(ASCII)，另一種模式是遠(yuǎn)程終端設(shè)備(remeote terminal unit,RTU)[12]。本系統(tǒng)采用RTU模式。當(dāng)控制器在Modbus網(wǎng)絡(luò)上以RTU模式通信時，消息中的每個8 B字節(jié)包含2個4 B的十六進制字符。這種方式的主要優(yōu)點是在同樣的波特率下，比ASCII方式傳送更多的數(shù)據(jù)。Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式如圖4所示。Modbus協(xié)議常用功能碼6為寫單寄存器、功能碼5為寫單線圈，RTU模式采用16位循環(huán)冗余碼校驗(cyclical redundancy check,CRC)校驗碼。

圖4 Modbus 協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式

Modbus串行鏈路協(xié)議能實現(xiàn)客戶端在Modbus鏈路層提供主/從功能，由客戶機作為主站、服務(wù)器作為從站進行數(shù)據(jù)傳輸[13]。Modbus作為一種主/從機應(yīng)用協(xié)議：主站能夠向從站發(fā)送請求；從站分析并處理請求，向主站返回消息。可用裝載了MCGS的TPC觸摸屏作為從站，其他第三方軟件作為主站，通過Modbus協(xié)議實現(xiàn)主從站Modbus協(xié)議數(shù)據(jù)交互。計算機和組態(tài)模塊利用RS-232串口通信，波特率為9 600，數(shù)據(jù)位共計8位，校驗位1位，奇偶校驗。數(shù)據(jù)采集的間隔時間為1 s。

3.4 界面設(shè)計

通過定義數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)表、編寫Modbus協(xié)議，將MCGS程序從主機下載到從機TPC，完成溫室數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)人機交互方案設(shè)計?；贛CGS 組態(tài)軟件的溫室監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖5所示。MCGS組態(tài)包括以數(shù)據(jù)庫為核心的數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理、實時曲線、歷史曲線、報警窗口、報表窗口等幾部分。

溫室數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)主界面窗口集成顯示了系統(tǒng)日常運行所需要的實時信息，包括：當(dāng)前的溫度、濕度、光強、土壤濕度等數(shù)據(jù)，雨滴、火源傳感器的狀態(tài)，以及紅外、震動報警器的設(shè)防、撤防狀態(tài)。系統(tǒng)將這些信息簡潔、直觀地提供給系統(tǒng)管理員巡檢。在相關(guān)的詳細(xì)界面，可以通過點擊相應(yīng)的名稱跳轉(zhuǎn)進入二級窗口。

圖5 基于MCGS 組態(tài)軟件的溫室監(jiān)控系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

二級窗口包含溫度、濕度等5個數(shù)據(jù)檢測、歷史報警窗口，以及紅外、震動等4個歷史報警窗口。以空氣溫度子窗口界面為例，其包含當(dāng)前溫度、溫度設(shè)定值、溫度實時曲線、報警瀏覽窗口等，既完成當(dāng)前溫度的實時顯示、報警，又完成歷史數(shù)據(jù)的顯示，同時實現(xiàn)排風(fēng)扇的動畫顯示。環(huán)境異常報警窗口可瀏覽各傳感器的報警監(jiān)測日志。

4 數(shù)據(jù)去噪算法

由于傳感器受到自身精度與外界干擾的影響，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)的精確度受到影響，產(chǎn)生一定的誤差。為了去除較大的誤差數(shù)據(jù)，利用了兩次求均值去噪算法。該算法簡單、常用，很好地利用了被測點之間的相關(guān)性[14]，適用于傳感器采集的數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)去噪流程如圖6所示。根據(jù)第一次計算的均值和閾值去除奇異點，然后對去除奇異點的數(shù)據(jù)進行第二次求均值。

圖6 數(shù)據(jù)去噪流程圖

求均值公式如下：

(1)

根據(jù)設(shè)定的允許誤差閾值，剔除誤差較大的奇異點數(shù)據(jù)，公式如下：

(2)

通過二次均值，可以得到較為精確的測量數(shù)據(jù)。閾值的選取與傳感器精度相關(guān)。溫濕度傳感器采用DHT11，精度為0.1 ℃，因此選擇的閾值與之相對應(yīng)為0.1 ℃。作均值計算的時間區(qū)間長度，根據(jù)采集數(shù)據(jù)的類型設(shè)定，測量溫度數(shù)據(jù)并每秒計算1次均值。采用去噪算法，提高了傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，降低了數(shù)據(jù)的傳輸成本。

5 結(jié)束語

針對農(nóng)業(yè)溫室大棚環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和控制成本高、效率低、自動化水平低的問題，設(shè)計了一套基于電力載波技術(shù)、MCGS組態(tài)軟件的溫室環(huán)境參數(shù)的采集、傳輸以及人機交互系統(tǒng)的裝置。實時采集溫室環(huán)境參數(shù)、利用輸電線路進行傳輸、圖形化顯示，按照每個溫室的作物所適應(yīng)環(huán)境及時作出調(diào)整，并在出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常時進行實時報警。通過試驗證明，該系統(tǒng)具備操作方便、響應(yīng)速度快、顯示信息完備等特點，具有一定的推廣應(yīng)用價值。