基于电力载波技术的新型农业大棚系统设计

王继昕 刘志东 王浩名 赵禹皓 马剑客

摘要：PLC-IoT（电力线载波通讯技术）作为一种物联网的电力信息采集系统通信方式，电力线通信技术与其他相比具有无可比拟的方便，经济性，可靠性，免维护，即插即用等优点。总线技术在通信节点少的情况下具有较高的稳定性和实用性，但在通信节点多的情况下却难以发挥作用，存在成本高、布线难等问题。因此，该文主要介绍了电力线载波通信技术在智能农业大棚领域应用的相关原理及在智能农业大棚系统中的典型应用，并分析了如何将电力线载波通信技术恰当地应用到现代农业实践中，利用现有的配电电路作为数据传输介质，解决总线技术带来的复杂布线问题和成本问题。这将对我国智慧农业的发展起到决定性作用。

关键词：电力线载波通讯技术;信息采集;智慧农业大棚系统

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）06-0114-02

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

1 概述

1.1 研究背景及意义

我国是世界第一人口大国，积累了上下五千年的农耕文化，已然成为世界第一农业大国。在智慧农业大棚系统中不断完善创新，大胆开拓新型实用型项目，是人们追求的目标。目前我国智慧农业大棚系统是将各种先进技术手段和工具巧妙地结合，充分体现了植物种植过程的智能化、全方位工业化、精度和自动化，是各学科技术的高度融合的生产方式，也是推动我国未来农业发展的重要方式[1]。

智慧农业大棚系统在我国范围内基本上是一些以LED为光源的植物光控栽培系统、温控系统、育种系统等[2]。而一些大型的农业大棚系统则是高度集成化的智能生态系统，其中运用了大量的信息采集设施和其相应的控制设施，如：土壤温湿度、空气温湿度、光照强度、二氧化碳浓度、营养液浓度以及Ph值等。

当然，各种类型的农业大棚都离不开一个用来连接所有设备的可靠的通讯网络。通讯网络也作为农业大鹏的一个核心要素，必须能够满足系统中大量设备与控制器的接入和多个设备间的高效通讯，尤其是需要立即响应的控制设备，其信息之间的相互传输也需要保证绝对严格的时延要求[3]。

1.2 电力线载波通讯技术研究现状

电力线载波技术被学术领域不断开发使用，现已在诸如高速宽带电力线网络、智能家居、大型自动化控制网络和电力系统以及智能电网等一系列学术研究领域中创造着重要成就[4]。

电力线载波通讯技术分为宽带PLC和窄带PLC。宽带PLC正在向超高速、大容量发展，家庭用户只要安装电力线适配器，就可以利用电力线进行电话、互联网等服务。窄带PLC可以提供几Kbps的传输速度和一公里的最远传输距离。窄带PLC主要应用于电网管理、远程抄表、自动化控制等领域。

1.3 电力线载波通讯技术优势

（1） 无线技术和电力线载波通讯技术对比

目前的无线技术主要涵盖了诸如：802.11b、HomeRF、ZIGBEE、蓝牙等。电力线载波通讯技术与无线技术相比，同样需要布线，但实际在大型智慧大棚农业系统应用中，大棚内的钢筋混凝土，空气的温湿度都会对无线信号形成严重的干涉，特别是节点分布密度较高时，互相干涉性也是一个严重的问题。

（2） 现场总线技术和电力线载波通讯技术对比

现场总线技术作为工业技术，经历了十几年的高速成长。在工厂、建筑、汽车等应用领域发挥着强大的生命力。那么电力线载波通信技术与现场总线技术相比，需要考虑到的布线问题相比之下较为烦琐，这是一个关键问题，尤其是应用于大规模领域。而传统的通电网络是电力线载波通信技术所使用的，并且不需要布线。不仅解决了工业总线技术的复杂布线问题，而且大幅降低了网络成本[5]。

2 智慧农业大棚系统的研究

2.1 系统总体设计

本项目涉及智能农业大棚系统可以对农业大棚中的室内温度、室内湿度、室内光照强度等数据进行采集处理。信号发送模块直接向电力线发送信号，接收模块检测电力线上的信号并进行处理，将处理得到的正确信号串联发送到上位机，数据通过实时检测软件保存。图1为系统的总体设计结构。

2.2 电力线载波通讯技术设计

C语言操作简便，灵活，紧凑，数据处理能力强，可移植，因此所有软件程序都采用C语言编写。设计软件流程图后，分析该系统的功能。在keil c51开发环境下，实现程序编写和解码、实现向单芯片系统接收数据、收集和处理信号、电力线载波通信接收和发送等一系列功能。

2.3 电力线载波系统模块设计

本项目涉及的电力线载波系统完全采用了模块化设计原理。以提高开发效率，减少开发难度。这样不仅有利于后期开发的移植，还减轻了系统更新和优化的困难。电力线载波系统主要由单片机最小系统、信号收集及处理模块、led模块、电力载波通信模块等组成。

系统从单片机最小系统经过信号处理与采集后得到的信号数据，数据过滤处理后，led模块来进行控制，对载波收发电路以主要节点数据传送，主要通过节点的通信模块。

3 结论

该研究通过对无线技术、系统总线技术与电力线载波通讯技术的优劣势分析得出最优通讯技术，电力线载波技术避免了复杂走线问题并大大降低了使用成本。合理利用PLC-IOT传输稳定、传输距离远、即插即用、高效传输数据等鲜明技术优势。电力线载波通讯必然成为地区网、省区网乃至网居网等应用区域中最广泛的通讯方式，从理论研究到实际运行都取得了惊人的成就。

运用了诸如：电子信息，微机原理及系统，电力线载波技术，温湿度传感器采纳技术等诸多实用新型科学技术。完成了基于PLC-IOT的智慧农業大棚系统的研究。本项目由通讯模块、显示模块、电力载波系统模块以及单片机最小系统组成，而其中最为重要的就是单片机最小系统，它是数据处理模块和控制及信号处理的一系列功能模块，可以实现光照强度收集、室内的温度湿度以及处理数据等。实现载波模块的数据接收和发送功能，led模块实时显示数据，通信模块和上层计算机共同实现串行通信。

参考文献：

[1] 刘峥，渠海鹏，魏志明，等.基于PLC和组态技术现代农业温室控制系统设计[J].农家参谋，2018（9）：45.

[2] 高尚，陈景波.智能温室控制系统的研究与开发[J].中国高新技术企业，2015（4）：13-14.

[3] 狄敬国，李秀美.基于PLC、变频器和触摸屏技术的温室大棚控制系统设计[J].农业装备技术，2012，38（5）：39-41.

[4] 林益宏，赖亦环.基于PLC的温室环境控制系统的研究应用[J].电子世界，2018（13）：161，163.

[5] 王婷.基于PLC的智能农业现场监控系统设计分析[J].南方农业，2020，14（27）：198-199.

【通联编辑：梁书】