物联网和PLC技术相结合的温室环控系统

李 鹏，马亚勤*，方云强，赖名浪

（1.广西农业职业技术大学，广西南宁 530007；2.广西建汇汽车销售服务有限公司，广西南宁 530007）

0 引言

通过温室大棚技术，人们可以一年四季享用到新鲜的果蔬和漂亮的花卉，但是这些温室作物的生长发育依旧受到多种环境因素的影响。众所周知，温室环境系统是一个较为复杂的系统，本身有着非线性、时变、滞后复杂等特征[1]。这些特征对温室环境监控系统的精准性、及时性提出了更高的要求。笔者将物联网技术和PLC技术相结合，设计了一种温室环境监控系统，该系统可通过手机APP、电脑浏览器等对温室环境进行全天候实时监控、数据云端分析、参数设置、历史数据查询等，经过系统综合数据分析，可通过物联网远程自动控制电机、水泵、风机、补光灯等环境控制设备，调控大棚内环境保持适宜作物生长的范围。同时，系统辅助配置手动控制功能，在特殊情况或紧急情况时可以手动控制环控设备的启停。

1 环控系统总体架构

该温室环控系统将物联网技术和PLC技术相结合，系统总体构架如图1所示。物联网平台作为主站，通过带有物联卡的DTU（Data Transfer unit）无线终端模块接收PLC控制器、环境数据采集传感器等子站的实时数据，对数据进行存储计算，实时展示给手机APP、PC浏览器、微信小程序等客户终端设备。同时用户也可以通过终端设备将数据和命令发送给物联网平台，物联网平台再通过DTU模块将命令下发给PLC控制器，控制电机、水泵、风扇、补光灯等环控设备的动作。

图1 温室环控系统总体架构图

2 环控系统关键技术

2.1 物联网技术

物联网诞生于互联网基础之上，是对互联网的扩展，它将计算机网络扩展为物-物相联的更大的通信网络[2]。物联网技术将无处不在的末端设备和设施，通过无线或有线的通讯网络实现互联互通，具有在线检测、定位追溯、远程控制、远程维保、在线升级等管理和服务功能。系统通过带有物联卡的DTU模块和物联网平台云端服务器构建完成无线通讯网络，现实了手机、电脑、传感器、PLC控制器、环控执行器等设备的互联互通。

2.2 PLC技术

PLC即可编程序控制器，它具有高可靠性、高稳定性以及操作灵活方面等特点，使得其可以在恶劣的环境下，长时间的进行运转工作，并且该控制器编程以及后期维护均较为简单方便[3]。系统中PLC作为子站，接收主站发送来的命令，控制环控设备的运行，同时将环控设备的启停状态、工作电流、开启角度、设备温度等数据实时反馈给主站。并且PLC是特殊情况下手动控制功能的关键元器件，置于现场的手动开关将通过PLC向执行器发送命令。除此之外，PLC还承担大量的计算工作，根据空气温湿度传感器、光照度传感器、二氧化碳浓度传感器等环境感知传感器采集的数据，使用PID算法完成闭环控制，比如根据光照度传感器的数据，当光照度不足时，及时打开补光灯，并且根据亮度控制补光灯打开的数量；当光照度过强时，实时控制遮阳电机启停和转向。

3 环控系统硬件设计

环控系统硬件构架图如图2所示，DTU模块，环境数据采集传感器和PLC模块之间采用一条RS485总线进行连接，通过MODBUS-RUT协议进行通讯，现场手动控制开关通过数字量输入DI发布命令给PLC，PLC通过数字量输出DO控制各执行器的接触器动作。

图2 温室环控系统硬件架构图

3.1 PLC模块

设计选用西门子S7-200 SMART作为PLC控制模块，具体型号为CPU SR20 AC/DC/RLY，自带12点输入、8点继电器输出、1个以太网端口和1个RS485串行端口，可根据实际情况扩展6个数字量/模拟量模块和1个RS232/RS485可选的串行端口。该款PLC模块I/O点数丰富，单体模块点数可达60点，可满足大部分中小型自动化系统的控制要求。此外，其不仅售价便宜，可降低造价成本，而且内存充足，响应迅速，控制精度较高。

3.2 环境数据采集传感器

系统环境数据采集均选用具有RS485通讯功能的传感器，其优势在于可以通过一条RS485总线将多个传感器构建成通讯网络，再通过MODBUS-RUT协议将采集的数据传输给物联网平台和PLC控制器。这样设计不仅可以去除传统PLC控制系统中所需的模拟量控制模块，较大程度降低系统造价成本，而且可以减少现场安装布线，提高通讯传输速率和抗干扰能力。

3.3 DTU模块

DTU（Data Transfer unit），是专门用于将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为串口数据通过无线通信网络进行传送的无线终端设备[4]。设计选用拓普瑞TP 301系列4G DTU，内置SIM物联卡，可支持移动、联通、电信三大运行商APN，只要有手机信号的地方均可以使用，无需另外构建互联网网络，每月2元的GPRS流量费用即可以满足都多数中小型温室环控系统的数据交换。其优点是稳定可靠，组网灵活简单，数据传输延时较小，系统使用的RS485通讯功能，可以方便快捷的接入TLINK免费物联网平台。

4 环控系统软件设计

本系统涉及软件较多，包括有西门子S7-200 SMART可编程序控制器所需的编程软件STEP 7-Micro/WIN SMART；具有RS485通讯功能的环境数据采集传感器所需的串口调试软件；DTU模块所需的TP调试助手；以及作为主站的TLINK物联网控制台。

4.1 系统通讯连接设置

在软件设计里最基础也是最关键的一步是实现主站和各从站之间的通讯连接，使感知层各传感器采集的数据可以快速的传送给控制层的物联网控制台，物联网控制台可以将监控数据和操作命令传达给PLC从而控制应用层的各种执行器。要实现正常通讯，在线路连接正确的基础上，首先使用各设备的调试软件为它们分配不同的通讯地址，相同的串口波特率、串口校验位、串口数据位和串口停止位，如表1所示。

表1 子站设备通讯参数列表

其次在TLINK物联网平台注册账号后登录控制台，在设备管理项目中创建新的设备组，选择通讯协议为MODBUS-RUT，创建完成后则会显示该设备的服务器地址，服务器端口号和序列号。然后打开DTU模块配套的TP调试助手，设置各项参数，如表2所示。配置完成后即可以实现各设备之间的数据交换。

表2 DTU模块主要通讯参数配置列表

4.2 物联网控制台设计

通讯设置完成后则可以在物联网控制台创建的项目中进行数据连接和设备组态。首先，需要添加用户需要了解的各种环境参数、报警信息和需要发布的控制命令，然后进行数据连接设置，包括从站通讯地址，功能码，映射地址偏置位以及数据格式等（表3）。其次，可利用系统自带的素材库对各设备进行云组态，使用户的使用界面更加直观明了。组态完成后即可发布创建的组态项目。最后，用户可以通过TLINK手机APP或者微信小程序随时随地的对温室进行监控。

表3 物联网控制台主要数据设置列表

4.3 PLC控制系统设计

使用STEP 7-Micro/WIN SMART进行程序编写，该软件支持模块化程序编写。PLC控制流程如图3所示，PLC将读取的传感器数值和参数设定值进行比较，当超出设定值范围时，启动对应的执行设备对温室环境进行调节。从图中可以看出，不同的传感器和执行器其实控制逻辑一致，编写完成该控制逻辑的子程序，使用时直接调用即可，这样可以极大的提高编程速度，减少程序轮询时间。

图3 PLC控制流程图

5 系统试验

在15 m*20 m的蝴蝶兰花卉温室实训基地，依据物联网和PLC技术相结合的温室环控系统设计构架进行试验。正确安装系统所需的环境数据采集传感器、执行器、控制器等硬件设备，在确保各设备之间连接线正确的基础上，测试软件通讯是否正常，数据显示是否缺失，执行命令是否响应等，一切正常后对各类数据进行记录和分析。

5.1 参数采集精度分析

在物联网平台记录的数据库中，选取10组关键传感器采集的数据，求取其平均值和实测平均值进行比较，分析传感器的测量误差（见表4）。光照度传感器采集值与实测值相对误差为1.48%，CO2浓度传感器采集值与实测值相对误差为2.23%，空气温度传感器采集值与实测值相对误差为1.86%，空气湿度传感器采集值与实测值相对误差为2.10%，土壤温度传感器采集值与实测值相对误差为1.31%，土壤湿度传感器采集值与实测值相对误差为1.84%，系统采集的主要参数均在可接受的误差范围内，传感器测量精度合格。

表4 关键传感器采集数据和实测数据误差分析

5.2 控制精度分析

在环境控制系统中，上位控制器将命令发送给现场执行器，执行器工作进行环境调整，现场传感器再将采集的数据反馈给上位控制器，这个过程中存在一定的响应延迟，反馈误差，数据干扰等问题。系统设计采用了PID智能区间控制方法[5]，进一步提高了控制精度。温室实训基地培养的花卉蝴蝶兰，喜湿热气候，最适生长温度为白天25～28℃，晚间18～20℃，35℃以上高温或15℃以下低温时停止生长，低于5℃持续低温易死亡。设定温度区间为[m，n]，空气温度传感器检测值为y，控制量为u，其数学模型为：

其中，e1=m-y，e2=n-y，KP1、KP2为比例系数，TI1、TI2为积分时间常数，TD1、TD2为微分时间常数。由表5比较可知，区间控制方法精度明显高于传统的单输入单输出控制方法。

表5 控制精度比较

5.3 系统优势分析

5.3.1 系统造价低廉。国内外现在的温室大棚监控系统，多是为连栋温室群，造价十分昂贵，不适合小型的温室农户。该系统基于现在成熟的物联网基础上，利用物联网云平台，再结合价格低廉但功能齐全，稳定性高的PLC控制技术进行设计研发，可以大大的减少监控系统的造价。

5.3.2 系统节能减耗。系统对采集的数据进行处理分析后，采用PID智能区间控制方法进行闭环控制，该控制方式可以有效的避免电能、水资源的的浪费。

5.3.3 系统数据精准。国内外现在的温室大棚监控系统，多采用无线传输模块传输数据，容易受到通讯干扰发生错误传输，导致系统紊乱。该环控系统采用传感器冗余设计，有线数据传输，可以确保数据采集的精准性和数据传输的稳定性。

5.3.4 系统扩展性好。该环控系统结合了PLC技术，PLC具备稳定性高，拓展性好等特点，不但可以兼容不同的设备、传感器等，而且即使温室技术进一步发展，也可以在该系统的基础上进行升级改造，不需要重新设计安装。

5.3.5 系统操作容易，维护简单。该环控系统可通过手机APP或小程序进行监控操作，操作界面简明直观，对操作人员要求低。且可以通过物联网技术，由技术人员使用远程移动通讯设备对该系统进行定期检查和维护，减少农户后期维护的难度和费用。

6 结语

结合物联网技术和PLC技术设计的温室环控系统，不仅可以使用户通过手机24小时监控温室环境，实现温室环境的自动控制，促进作物优质发育，而且该系统所选硬件设备成本较低，控制精度高，通讯稳定，抗干扰能力强。文章介绍的控制系统更适用于中小型温室，用于大型温室时，为提高性价比则需更换硬件选型。因大型温室需要的环境监测点和执行器会增加很多，所以需选择大型PLC控制器，可选用带有无线通讯功能的传感器减少大量布线，可架设WIFI网络替代物联卡，减少因数据量增多产生的流量费用。