基于单片机与PLC协作的大棚智能监控

龚志远，甘伟欣，龙 铭，吴权立

（华东交通大学，南昌 330013）

0 引言

农业自古以来一直是社会发展的重要基石，提高农业生产效率和农民的生活水平是国家农业发展的必然趋势。大棚可以给作物提供合适的生长环境，不受季节和天气的影响。随着科学技术的发展，传感器替代人体感知，智能测控大棚作物的生长环境，可更加有效地利用资源，缩短作物的生长周期，使作物增产增收，提高经济效益[1]。国外大棚的监测和管理发展较早，我国作物大棚环境参数的自动调节和控制的研究还处于初步阶段，作物大棚环境靠人工根据经验进行管理，劳动强度大、监控实效性差、成本高、精度低等问题，严重影响设施农业的发展[2]。采用传感技术、控制技术、计算机技术等先进技术来构建作物大棚监控系统变得尤为重要[3]。

1 模型系统总体结构

大棚环境监测模型系统总体结构主要包括单片机数据采集、无线通信、PLC监控、触摸屏终端模块；触摸屏包括照明、遮光、喷滴灌、排风等执行模块[4]。系统结构如图1所示。

系统实施过程为：传感器和单片机将大棚的温度、湿度、光照等环境参数采集后，经无线通信到PLC，实现触摸屏人机交互，以观测大棚的环境变化，并根据作物种类、天气情况设置预设参数，手动控制通风、遮阳、加湿等执行模块，或按控制策略程序自动控制，以达到改善作物生长环境的需求[5]。

图1 模型系统总体结构框图

2 系统硬件

信息采集选用STC89C51单片机；RS485无线通信选用WSN-02模块；控制核心选用HW-PLC；传感器选用温度、光照、CO2、湿度等；执行机构包括照明、遮光、喷滴灌、排风、空调等。

2.1 无线发送模块

传感器采集的环境信息由单片机通过无线RS485模块通信到PLC，以实时监控大棚环境。硬件连接如图2所示。

图2 信号采集硬件连接图

2.2 PLC接口

PLC的工作模式有两种：手动控制与自动控制。手动控制是根据输入控制相应的输出，自动控制是按策略程序自动控制相应的输出。手动控制的PLC接口如图3所示，I/O定义如表1所示。

图3 PLC接口图

表1 PLC I/O定义

2.3 实物模型

模型包括三部分：1）遮阴、排风、喷雾、滴灌、照明等装置；2）控制箱；3）传感器部件。作物大棚模型如图4所示。

图4 作物大棚模型

3 系统软件

3.1 无线通信关键程序

RS485通信遵守MODBUS协议。PLC中内置了协议，而单片机需要编写与PLC匹配的协议[6]。MODBUS协议是一种常用协议，应用在机电控制等领域。在该协议的作用下，同类设备、不同设备间可以实现通信功能。协议具有ASCII和RTU两种串行传输模式，采用的是LRC和CRC校验。模块通过单片机将传感器采集的信息以无线传输方式发送至PLC端。

3.1.1 单片机通信程序要点

1）配置通信格式：波特率、数据位、停止位；

2）串口监控；

3）取CRC检验码；

4）读串口接收数据（主机发送数据）；

5）串口写入（响应主机）；

6）功能代码函数。

3.1.2 PLC通信程序

PLC通过设定寄存器来配置通信格式，并通过指令MODRD来与从机通信。涉及的寄存器如表2所示。PLC通信程序如图5所示。

表2 RS485通信相关寄存器

表2 （续）

图5 PLC通信梯形图程序

3.2 PLC控制程序策略

利用传感器实时采集大棚环境参数，处理后发送，PLC接收的信息的AD值存储到D2460～D2475，PLC按照自动控制的策略，调取数据存储器的数据，与触摸屏预设的阈值作比较，自动控制大棚环境的执行机构，以实现大棚环境参数的综合管理，软件流程如图6所示。

图6 系统软件流程图

3.3 触摸屏界面

为了实现人机对话，应用触摸屏可监测作物大棚内的环境参数，可进行控制模式视情转换。触摸屏界面主要有3屏，分别是：主页面、自动控制页面、手动控制页面，通过相应的参数设置和实时数据的反馈，实现大棚系统的一体化。界面如图7所示。

图7 触摸屏界面

3.4 数据处理

信息通信到PLC的是环境参数的数字量，这些数字量与实际物理量存在着相关性，需要找到数字量与实际物理量的关系。借助软件可进行曲线拟合。环境参数的拟合过程都是一校，仅以光强曲线拟合为例。

通过串口调试助手或D2460～D2475记录传输的传感器模拟量的AD值，利用照度计TES-1330A测量光照强度，测量的数据如表3所示。

表3 照度计测量数据

借助MATLAB软件，数字量作为X输入，光照度作为Y输出，线性拟合后，可得方程Y=185-X，PLC计算后，将环境信息的AD值还原成实际的物理量值。

4 结论

实现了一种基于单片机和PLC协作的大棚监测系统构建，搭建的作物大棚模型实现了棚内环境的智能监控。影响作物生长的因素很多，模型只涉土壤湿度、空气湿度、大棚温度、光照强度，CO2浓度五个参数的监测，PLC制定相应的策略，接受人机界面的指令，控制通风、照明、加湿、滴灌等执行元件动作。利用传感器和单片机采集数据，并通过无线传感技术将数据传到控制端，可减少配线、远距离传输、安装灵活，功耗低、优化作业环境等；利用PLC和触摸屏控制，满足大棚作物生长环境的可视化，可控化、智能化。搭建的大棚模型采集了相关的数据，实现了对大棚环境的可视化决策和控制，实验验证结果表明，系统具有较好的可控性和可行性。