基于B/S的远程监控系统在温室中的应用

骆东松，张学丰

（兰州理工大学 电气工程与信息工程学院，兰州 730050）

我国是农业大国，温室种植虽然能够极大地提高作物产量，但西北地区干旱少雨，由于种植环境要求较高，控制准确性得不到保障，而老旧的人力控制技术无法实现科学管理，成本较高。因此，如何减少成本、增值创收，成为当前农户亟待解决的问题[1]。在干旱地区利用现代科技打造生态农业，是农业信息化和智能化中必不可少的一环[2]。

文中运用现代控制理论和信息科学研究开发温室智能生产和运维系统，以三菱PLC为主控制器，基于MC协议开发WinForm窗体应用程序用以现场监控，用ASP.NET技术开发基于互联网的温室远程监控系统，使用户可以随时随地在有网络的计算机或者移动端查看温室环境及设备运行情况，极大地提高生产效率，节约生产运营成本，在实际应用中切实可行，具有广泛的应用前景[3-4]。

1 系统整体方案设计

1.1 系统设计思路和目标

温室远程监控系统主要由以三菱Qn系列PLC为控制核心的现场设备层、基于C/S模式的现场监控层和基于B/S模式的远程监控层组成。其中，数据库系统采用SQL Server 2012数据库，通过C#的API接口函数完成数据库连接和操作，响应速度快。该系统整体架构如图1所示。

图1 温室监控系统整体架构Fig.1 Overall framework of greenhouse monitoring system

由图可见，现场设备层主要由PLC，温、湿度传感器以及气体浓度变送器组成。将现场环境参数和设备运行参数采集并变换成电信号，传输给现场监控层的工控机，通讯协议是三菱MC协议和串口通讯方式，上位系统软件将采集到的数据进行数据解析后显示在上位并存储到SQL Server数据库中。

远程监控层主要有数据库服务器和Web服务器。为了方便数据操作，将Web服务器和数据库服务器配置在1台计算机上，远程端基于B/S架构，用户只要使用可连接互联网的计算机，便可通过浏览器登陆监控系统，实时查看和控制设备参数以及温室环境参数；利用Ajax异步刷新技术实现网页数据的实时刷新；通过算法实现环境温度的自动控制；设备的操作记录等数据可通过数据库查询，报表打印，方便用户数据分析和设备管理。

温室远程监控系统的主要目标，是将温室现场的设备和环境参数通过互联网实时传送给用户管理，用户及时掌控温室环境和设备运行状态。用户要求能够实时采集现场数据，采集数据误差不能超过±0.5%，并且能够通过互联网随时控制系统，系统实时性应保证在1 s之内。软件系统应具有可扩张性，要有一定的健壮性。应对采集的数据进行保存和处理。

1.2 远程监控服务器设计

远程监控系统是在现场监控计算机的基础上架设的网站服务器。该系统主要运用ASP.NET网站开发技术，逻辑层使用C#语言编写，兼容性好，具有较强的可扩展性。Web端远程监控系统实现曲线绘制、远程控制、设备故障、数据报表、参数设定和智能控制等功能。操作员和管理者依据不同的权限通过浏览器登录账户后可远程监控现场设备，并完成生产管理工作，操作简单，可靠性高，实时性好[5]。Web端监控系统功能架构如图2所示。

图2 Web端监控系统功能架构Fig.2 Web-side monitoring system functional architecture

用户通过浏览器登录系统在线监测界面，如图3所示。该界面主要显示当前监控温室的环境参数和设备的运行状态，方便温室运维管理，灵活性好，安全性高。在自动模式下，系统能够通过用户设定环境参数自动控制设备启停，从而实现设备智能控制。

图3 远程在线监测界面Fig.3 Remote online monitoring interface

1.3 现场监控系统设计

中控室监控系统主要由现场监控计算机组成。计算机与三菱PLC采用以太网的方式通信，通信协议为三菱MC协议。

利用C#语言在监控计算机上编写窗体应用程序，该软件可以显示PLC及仪表的回传数据并下发控制指令，形成闭环控制系统。温室监控系统用C#语言开发，实现通过MC协议与三菱Q系列PLC通信，多个PLC按照网络句柄响应计算机的命令文件，设备收到合法指令后返回响应文件[6-7]。

监控软件主要功能是显示环境参数，控制卷帘电机、喷淋电机、滴灌电机和通风电机的启停，实现环境参数控制，并将采集的数据和设备操作记录以时间戳的格式存储到数据库，通过共享内存的方式与远程监控服务器完成数据交互，可随时启停设备进行合理的生产调度，节约时间成本，安全可靠。温室监控界面如图4所示。

图4 中控室温室监控界面Fig.4 Central control room greenhouse monitoring interface

1.4 现场设备层设计

现场设备硬件主要有PLC、智能仪表、记录仪和传感器等。检测参数主要包括温室内和棚外的温湿度、CO2浓度、光照强度，以及棚外环境如风速等[8]。传感器通过RS-485串行总线把数据传输给智能仪表和PLC，PLC与PLC用同轴电缆连接，以CC_Link通信方式传输数据。最终，PLC，仪表和监控计算机通过集线器连接组网，数据传给上位机后经验证解析最后入库。

控制器选取三菱Q06UDEH CPU PLC。该型号PLC自带以太网口，方便与计算机进行以太网通信，模块选型按照20%可扩展余量的原则，选取智能温度输入模块Q68ADI。PLC的I/O分配如图5所示。

图5 PLC的I/O分配Fig.5 PLC I/O allocation

系统选用传感器为两线制电流传感器，故设置输入范围为4～20 mA，有温度补偿，运行模式为偏置-增益设置模式，模块的初始化参数设定如图6所示。

图6 温度模块参数设定Fig.6 Temperature module parameter setting

2 数据库设计

2.1 数据表单设计

根据对温室大棚所做的需求分析和系统设计，采用SQL Server 2012数据库创建数据表，主要包括用户管理表单、控制指令储存表单、现场参数变量采集表单和数据实时刷新缓存表单，分别命名为 User，Control，ai，ParaMTemp。 其中，Control数据表接收现场控制站的数据参数，实时更新，起着连接B/S与C/S系统的作用；ai表的作用是数据参数定时入库存储；ParaMTemp表中只存放1条记录，控制下位设备动作。数据库的E-R关系如图7[9]所示。

图7 数据库E-R关系Fig.7 Database E-R relationship

2.2 ODBC数据库访问

监控软件和Web服务器通过ODBC数据源的形式完成数据交互，并实时监测和控制温湿度等环境参数。ODBC即开放数据库连接[10]，其最大特点是方便管理。它避免了不同用户每次连接都要配置数据库的情况，使数据库密码的管理和应用程序代码实现更加容易，不需要更改应用程序配置，同时开发人员也无需知道数据库密码。C#桌面应用程序和数据源连接代码如下：

远程监控端通过网页服务器和数据源连接时，需要在Web.config文件中添加connectionString连接字符串，字符串中指定了连接数据源的路径等属性。经系统测试，通过ODBC数据源访问数据库，数据库多用户并发访问性能优越，系统稳定，避免了数据库重复连接造成的内存占用，节省了内存，提高了计算机系统性能。

3 数据通信设计与实现

3.1 三菱PLC MC通信协议

三菱MC通信协议，是其他设备用串口和以太网的方式对三菱PLC进行数据读写时所用的协议总称。其特点是可通过计算机侧进行PLC设备的远程管理和监视，并将数据读出/写入PLC CPU操作，此外可利用PLC远程口令方式避免非法的不安全访问，可靠性较好。在此，主要讨论三菱Q系列CPU内置以太网端口和上位计算机的通信。设备间使用MC协议的通信流程如图8所示。

图8 MC协议通信流程Fig.8 MC protocol communication flow chart

MC协议规定的外部设备与以太网模块通信时的数据格式，主要有2种：ASCII码传输格式和二进制码传输格式。两者的不同只是数据的表示形式有所差别而已。本系统采用ASCII码形式，协议帧格式如图9所示。图中，报头为TCP/IP数据报报头；消息类型显示数据传输方向；Q协议头指定PLC的位置；命令代码是指数据的传输类型，主要有批量读取、写入和随机读取；数据域是传输的数据信息[11]。详细协议帧命令代码见表1。

图9 MC协议帧数据格式Fig 9 MC protocol frame data format

表1 MC协议帧的命令代码Tab.1 Command code for MC protocol frames

采用的MC协议通信为半双工通信方式，因此在响应文件接收尚未完成之前不能进行下一个命令文件的发送。MC协议通信的传输格式和控制顺序如图10所示（以ASCII代码为例读取内部继电器M100—M107的8点位软元件存储器）。

图10 MC通信的传输格式和控制顺序Fig.10 Transmission format and control sequence of MC communication

3.2 以太网MC通信编程实现

现场监控系统采用MC协议的TCP方式和三菱PLC通信，直接访问PLC内存，能够快速响应，建立动态管理的多独立线程连接，支持外部应用的多线程结构调用。首先，PC端作为客户端，向PLC发送连接请求，其关键代码如下：

PLC和现场监控机连接之后，通过定时器周期读取指定软元件的值并入库，读取指定软元件的数据格式按照MC协议，其方法如下：

写入PLC的数据分为DI，DQ，MR，DR变量，不同的软元件类型对应不同的寄存器。以DQ为例写入PLC数据的程序如下：

其中，WD为要写入PLC的数据。进行以太网通信时，在监控计算机内部使用TCP套接字函数（socket函数）。该函数没有边界范围，发送数据时可以只调一次send函数，但是接收函数可能会因通信网络状况而需要几次才能完全解析数据。整个数据通讯流程如图11所示。

图11 MC通信数据处理流程Fig.11 MC communication data processing flow chart

4 结果分析

1）数据采集节点与上位机通信成功，采集精度在±0.42%，符合用户要求；所需控制参数均能显示在上位监控软件中，便于用户实时监测。

2）成功解析三菱PLC MC协议数据，减少了三菱系列配套硬件设备的附加成本，定制化软件更具有灵活性、可扩展性，便于系统后续升级改造。

3）经过远程控制功能测试，通过计算机、平板、智能手机控制现场设备的延时分别为0.49，0.62，0.78 s，性能符合用户要求；现场设备能够及时响应远程端控制；模块间通信正常；设备能够正常启停。

4）远程监控端功能包括远控系统用户管理权限、自动报警、无人值守自动模式监控、参数预定、数据查询与打印、数据图表分析等，均能满足客户要求。

温室远程监控系统基于互联网将温室设备和环境参数实时传输给远程数据库服务器，性能良好，满足所有用户监控要求，避免了依靠人力巡检的生产方式，在种植区域较大的地区具有很强的实用性。同时，系统降低了成本，提高了控制精度，方便管理。经计算，生产效率较系统改造前提高了28%，彻底颠覆了以往的生产模式，借助互联网的“快车”实现了智能生产和管理，获得了用户的高度认可。远控端的部分测试结果显示如图12和图13所示。

图12 远程监控端实时数据曲线显示界面Fig.12 Remote monitoring terminal real-time data curve display interface

图13 远程监控端历史数据报表显示界面Fig.13 Remote monitoring end historical data report display interface

5 结语

温室远程监控系统的本地监控，基于三菱MC协议获取三菱PLC数据并存放到数据库，运用ASP.NET开发基于Web的温室远控系统，不仅可以给用户提供简单的系统运行流程图，使用户能够随时通过浏览器便能直观地查看设备运行情况、温室环境参数，还可以通过简单操作控制设备启停、修改设备参数。设备故障时可及时报警，使得操作人员和企业管理者不受时空限制，随时随地对生产管理进行监测与控制，不仅减轻了设备管理人员的操作负荷，提升了操作安全性，同时降低了经济成本，提高了生产效率，具有广泛的应用前景。

参考文献：

[1] 卢文景.基于物联网技术的智能种植系统设计与实现[D].青岛：中国海洋大学，2015.

[2] 赵焱.农业节水灌溉远程监控系统的设计与实现[J].计算机测量与控制，2017，25（4）：80-83.

[3] 杨佐龙.基于B/S模式的温室环境监测系统设计与研究 [D].广州：广东工业大学，2015.

[4] 曾凯华.智能温室远程登录服务系统的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2013.

[5] 吴丽娜，卢会国，牛永红，等.基于Web的智能农业大棚监控系统的设计[J].气象水文海洋仪器，2014，27（2）：74-77.

[6] 唐红雨，黄海峰，王翠军.基于CC-Link总线的沥青搅拌站控制系统设计[J].计算机测量与控制，2014，22（6）.

[7] 郭力子.基于软PLC和Web的现场总线远程监控[J].计算机应用与软件，2010，27（8）：209-211.

[8] 骆东松，石磊.基于Modbus协议的水厂泵房自动控制系统设计[J].仪表技术与传感器，2016，46（11）：70-72.

[9] 姚志伟.基于C/S模式的使用权限管理系统的设计与实现[D].成都：电子科技大学，2011.

[10] 徐晓琳.基于无线的省级自动土壤水分监测系统的设计和实现[D].济南：山东大学，2015.