基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

趙冬梅

(湖南生物機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410127)

1 系統(tǒng)總體框圖

在物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)框架之下設(shè)計了以PLC為核心的溫室智能控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)溫室的智能化控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)和可靠地監(jiān)測溫室環(huán)境信息等功能。圖1為溫室智能控制系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)圖。

該系統(tǒng)以PLC作為控制核心，包括由系統(tǒng)的電源、啟停按鈕、觸摸屏等組成的電氣控制柜；PLC的輸入設(shè)備包括溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、卷簾及遮陰簾的限位傳感裝置；PLC的輸出設(shè)備包括水泵、加熱器、卷簾及遮陰簾的控制接觸器及報警模塊等組成；GM10-DTU模塊作為智能終端按照Modbus通信協(xié)議與觸摸屏進(jìn)行實時的數(shù)據(jù)讀寫、實現(xiàn)云端平臺及手機(jī)APP上的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖1 溫室智能控制系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)圖

用戶通過手機(jī)或者電腦可以訪問環(huán)境監(jiān)測的實時或者歷史數(shù)據(jù)，也可以遠(yuǎn)程控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運行，極大地減少了人在整個系統(tǒng)中的參與。

2 現(xiàn)場控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

通過分析溫室智能控制系統(tǒng)的功能，得到該系統(tǒng)需要6個輸入點，9個輸出點。本著經(jīng)濟(jì)型的原則，選用西門子公司生產(chǎn)的Smart 200PLC。

SR30 AC/DC/RLY作為本系統(tǒng)的控制核心，選擇EM AM06為模擬量擴(kuò)展模塊。該型號的 PLC基本單元集成 18個開關(guān)量輸入點，12個開關(guān)量輸出點，RS485和以太網(wǎng)口各一個通信接口。AM06模塊包括4路模擬量輸入及2路模擬量輸出。滿足該控制系統(tǒng)的設(shè)計要求。PLC的I/O分配如表1所示。

表1 PLCI/O分配

2.2 PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

溫室環(huán)境主要從空氣溫度、濕度以及土壤濕度3個方面進(jìn)行調(diào)節(jié)。PLC控制系統(tǒng)采集溫濕度傳感器和限位開關(guān)的狀態(tài)，智能控制遮陰簾電機(jī)、卷簾電機(jī)、水泵及加熱器的啟動、停止。最終維持溫濕度、土壤濕度等指標(biāo)保持在設(shè)定的范圍內(nèi)。程序控制流程如圖2所示。

圖2 程序控制流程

PLC將土壤濕度傳感器輸出的最小及最大的模擬量信號轉(zhuǎn)換為0～100之間的實數(shù)保存在VD108中，來反映當(dāng)前土壤濕度的大小。將VD108與特定大小的數(shù)值做比較，PLC控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)如卷簾及水泵的接通與斷開[3]。

圖3 土壤濕度模擬量的處理程序

2.3 MCGS人機(jī)界面設(shè)計

觸摸屏具有簡單易用、靈活性高、價格較低等特點，是當(dāng)今社會進(jìn)行人機(jī)界面交換的主要設(shè)備。本文采用MCGS的TPC7062系列觸摸屏，并以此設(shè)備為基礎(chǔ)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。觸摸屏的組態(tài)設(shè)計包括：遠(yuǎn)程監(jiān)控界面、報表的生成界面、溫濕度趨勢界面、報警界面及遠(yuǎn)程控制界面[3]。系統(tǒng)的主要運行界面如圖4所示。

圖4 觸摸屏主界面

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計將MCGS的TPC7062系列觸摸屏連接到EMCP物聯(lián)網(wǎng)云平臺，實現(xiàn)電腦Web頁面、手機(jī)APP對MCGS觸摸屏的遠(yuǎn)程監(jiān)控[4]。所需設(shè)備包括：MCGS TPC7062KT觸摸屏1臺、藍(lán)蜂科技GM10-DTU模塊1臺及有4G流量的SIM卡。MCGS與DTU模塊的通信連接如圖5所示。

圖5 MCGS與DTU模塊的通信連接

3.1 MCGS從站創(chuàng)建

Modbus協(xié)議，是由 Modicon公司開發(fā)設(shè)計的一種通訊協(xié)議，目前已經(jīng)作為一種標(biāo)準(zhǔn)，在工業(yè)領(lǐng)域被廣為應(yīng)用。許多PLC、DCS、智能儀表等工業(yè)設(shè)備都使用Modbus協(xié)議作為其通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。MCGS軟件及TPC觸摸屏支持標(biāo)準(zhǔn)ModbusRTU、ASCII、TCP協(xié)議，并以此作為與其它軟件及設(shè)備互通標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議。本項目通過對MCGS進(jìn)行Modbus串口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)作為EMCP平臺定時采集觸摸屏的數(shù)據(jù)和EMCP平臺對觸摸屏進(jìn)行讀寫操作的數(shù)據(jù)。配置過程如圖6所示[5]。

3.2 EMCP平臺設(shè)置

用管理員賬號登錄EMCP平臺www.lfemcp.com，對EMCP云平臺進(jìn)行設(shè)置。主要步驟如下：

遠(yuǎn)程配置DTU，一是與MCGS觸摸屏通訊的串口參數(shù)，二是設(shè)置DTU定時采集觸摸屏數(shù)據(jù)的MODBUS通道參數(shù)。

圖6 MCGS的Modbus通信參數(shù)配置

新建數(shù)據(jù)規(guī)則，選擇列表或組態(tài)展示，按Modbus配置新增實時數(shù)據(jù)。

云攝像頭接入，從而實現(xiàn)web、APP等終端對現(xiàn)場視頻監(jiān)控的功能。

4 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)

在手機(jī)上安裝《云聯(lián)物通》APP，進(jìn)入設(shè)備列表后點擊MCGS觸摸屏設(shè)備，直接進(jìn)入的是實時數(shù)據(jù)列表頁面或組態(tài)畫面，點擊右上角菜單欄，彈出功能菜單，在菜單中點擊讀寫數(shù)據(jù)，對讀寫數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫操作，點擊歷史報表查看設(shè)備的歷史存儲數(shù)據(jù)報表，點擊歷史曲線可查看各數(shù)據(jù)的歷史趨勢圖，點擊報警信息查看該設(shè)備的報警記錄，點擊設(shè)備詳情，查看設(shè)備的詳細(xì)信息或視頻畫面。手機(jī)APP操作畫面如圖7所示。

圖7 手機(jī)APP操作畫面

5 結(jié)語

用西門子S7-200 Smart系列小型化PLC CPU SR30為本系統(tǒng)的控制核心，以MCGS的TPC7062系列觸摸屏及EMCP云平臺為監(jiān)控軟件，設(shè)計一套溫室智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)溫室溫度、濕度等環(huán)境因素的自動調(diào)節(jié)和遠(yuǎn)程監(jiān)控。給出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖、程序流程圖及MCGS監(jiān)控界面設(shè)計和通信的配置過程。該智能控制系統(tǒng)人機(jī)界面良好，自動化程度高，實現(xiàn)了溫室大棚的智能化、遠(yuǎn)程化管理，可以節(jié)約人工成本，提高種植效益。