基于wecon云平台和HMI对农业温室LED灯控制系统研究

林德颖，官 飞

（福建林业职业技术学院，福建 南平 353000）

植物的照明是LED在农业应用上最广阔的领域之一，在温室大棚、植物组培、植物工厂等多种场合均可淘汰传统光源而使用更优质光源——LED来替代。

根据长期实验研究表明，植物的光合作用在可见光光谱范围内吸收的光能占其生理辐射光能的60%～65%，其中主要以波长为610～720nm的红光、橙光以及波长为400～510nm的蓝光、紫光为吸收峰值。

本设计将PLC技术引入到农业温室照明控制系统的设计当中，采用LED这一新型照明光源，设计出基于PLC的农业温室LED控制系统，为植物提供合适的光照颜色及光照强度。

1 农业温室LED灯光系统PWM驱动电路

PWM即脉冲宽度调制，是一种应用处理器数字输出的信号来对模拟电路进行控制的一种非常有效的控制技术。PWM技术常用于测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。脉冲宽度调制调光可分为正调光和负调光，正调光即当占空比的值为100%时最亮，负调光就是0%最亮。以正调光的方式为例，当PWM为高电平时，LED灯发光；低电平时，不发光。由于频率变化比较快，因此感受不到它间接性的发光和不发光的状态。这样，经过调节PWM的占空比就可以调节亮度能够做到很好的对比度。本次的设计采用的是正调光方式当PWM占空比达到百分百时候最亮。

该灯光系统的PWM控制模块单路电路如图1所示，以单色LED灯为例，从PLC送出PWM信号，经过MOS管，由MOS管的通断来控制占空比，最后点亮LED灯。不同颜色的LED灯有不同的PWM信号控制，每一个PWM信号单独设置，区别控制不同颜色的LED灯。通过设置不同的PWM输出信号的占空比与最大值进行比较可以对LED灯的光照强度进行控制，从而可以达到即可控制光照波长又可以控制光照强度的目的。

2 温室LED灯控制系统的人机界面设计

2.1 基于以太网口的HMI对PLC的控制

HMI作为一种人机交互设备，能够让我们更加直观的进行参数设置和数据显示。传统的现场按钮控制的面板已经慢慢的被人机界面所取代，因为人机界面不仅能够编写形象的按钮，使得操作更加生动，而且人机界面可以做到即时将传感器的数据反馈至触摸屏中显示，实现信息的输入、显示和监控的作用，这样能够更加直观的反应数据信息。

当系统上电工作时，通过手指来触碰触摸屏幕上的操作组件，被触碰的开关按钮或是修改的设置数据，都能通过串口传送给PLC，然后写入PLC的数据存储器里面。PLC会根据设计好的程序控制相应寄存器与输出动作，进而可对LED灯光进行调控。

2.2 触摸屏与下位机的通讯实现

触摸屏的型号是维控PI8102，其具有两个COM端口可以与PLC进行RS-422、RS-485的串行通信，本次采用了RS-422通信协议与PLC进行通讯，即将在PIStudio软件上编写的组态画面通过RS-422数据线下载到触摸屏内。正确的配置通讯口才能够实现组态软件与触摸屏的通讯。

2.3 人机界面的画面控制编辑

设计包含四个人机界面：主画面、实验柜选择界面、3色灯选择界面LED灯光强与光照时间设置界面。主画面显示了本研究的题目、当前时间、进入实验柜选择界面按钮等；实验柜选择界面显示了可以选择的三色灯的界面按钮，方便实验员分别进行灯光设置，其中浅色的按钮为三色灯；3色灯选择界面是对分别装有不同波长的LED灯进行选择以便进入设置；LED灯光强度与光照时间设置界面是对光照强度以及光照时间进行设置的一个界面，并且设计有开关按钮，左边一列是四段可设置时间的输入端口，右边一列与左边相对应用于设置左边每一行所对应的光照强度，设置参数结束后可直接开启灯光。

3 基于云平台的远程控制

3.1 基于云平台的手机APP同步HMI的远程控制

目前以太网卡在自动化控制上得到广泛的应用，通过以太网的控制可以将现场连接到办公室，使得操作人员可以轻松的在距离现场比较遥远的地方进行控制操作。在没有硬件出现错误的情况下，操作人员就不必到现场实际操作。研究采用维控公司开发云端与带以太网端口的HMI网络通信连接，利用维控公司出品的软件PIBOX可以实现远程同步人机界面对PLC扩展模块产生的PWM的占空比的监控。

3.2 PIBoxClient与HMI的穿透连接

维控PI系列的触摸屏都会有一个特有的机器码，也就是用于识别每一台不同机器的独立ID码，利用这个独立ID码在维控的云平台上建立一个单独的设备用于管理。登上账号后将机器码输入选择添加设备之后进入下一步设置，完成后可用PiBox－Client进行远程操作。

PIBoxClient软件可以通过维控的云平台对电脑进行访问。当电脑登录PIBoxClient软件，并且将触摸屏的网线连接上，此时云平台将访问检测到该触摸屏设备。

在登录之后显示的主界面上可观察到可以管理的几项设备，其中就包括之前添加的触摸屏设备。

之后选择左边的设备（事先得先更新成穿透的镜像，并且接上网线）选择屏的COM口，设置串口波特率、停止位、数据位、校验位。将串口波特率设置为9600，停止位设置为1，校验位，使用RS232串口设备。数据设置完成之后点击开始穿透，穿透过程中，点击穿透后触摸屏会进行响应，此时触摸屏会进行重启并且界面上就出现穿透的进度以及提示。

穿透成功之后，就建立了一个虚拟的串口。该虚拟串口就是方便操作人员利用这个虚拟串口进行程序下载和调试。编写程序的时无法保证其全部正确，虽然有模拟调试功能在，但不免也得进行现场实际调试，而现在可通过建立的虚拟串口利用以太网连接云平台远程进行程序的下载和调试。

4 结语

本研究是针对农业人造光源的问题进行的，从改善植物光合作用的光谱吸收率出发，调控农作物光源的光照强度与光照波长，从而得到温室农业种植中最适合植物生长的光照条件，并且可以达到自动化远程控制人造光照条件的目的。立足于以上两点，完成了基于PLC的农业温室LED控制系统的上位机设计。首先利用PLC产生PWM信号驱动LED灯光电路，利用PWM占空比来控制光照强度，因此对PWM控制电路进行了较为详细的介绍；其次介绍了本设计的人机界面部分，包括组态软件的使用、触摸屏的选型以及最终使用的人机界面的画面概述与使用方法简介，通过设置界面的设置配合下位机程序调节PWM占空比从而达到控制光照强度的目的；最后，介绍了基于PIBoxClient软件的远程控制的实现，重点使实现远程控制的操作过程：镜像下载、镜像穿透等，并且简要说明了使用安卓手机实现远程操作的过程。

在整个研究完成的过程中，将PLC应用技术、组态软件编写、以太网通讯技术以及串行通讯技术应用于温室LED控制系统的上位机设计，并取得了一定的实际成果，但是在设计过程中仍存在不够完善的地方有待改进。