文/陳青峰 史文斌(浙江中控自動(dòng)化儀表有限公司)

某參種植基地自動(dòng)化控制技術(shù)方案(II)

文/陳青峰 史文斌(浙江中控自動(dòng)化儀表有限公司)

五、控制器及通訊網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

●系統(tǒng)整體架構(gòu)

系統(tǒng)整體構(gòu)成

◎傳感終端

智能大棚環(huán)境信息感知單元由無線采集終端和各種環(huán)境信息傳感器組成。環(huán)境信息傳感器監(jiān)測空氣溫濕度、土壤水分溫度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等多點(diǎn)環(huán)境參數(shù)，通過無線采集終端集中上傳。

◎通信終端及傳感網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

智能大棚無線傳感通信網(wǎng)絡(luò)主要由以下兩部分組成：智能大棚內(nèi)部感知節(jié)點(diǎn)間的自組織網(wǎng)絡(luò)建設(shè)；智能大棚間及智能大棚與園區(qū)監(jiān)控中心的通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。前者主要實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集及傳感器與執(zhí)行控制器間的數(shù)據(jù)交互。智能大棚環(huán)境信息通過內(nèi)部自組織網(wǎng)絡(luò)在中繼節(jié)點(diǎn)匯聚后，通過控制器CPU模塊及輔助網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)與上層網(wǎng)絡(luò)的對接。

◎控制終端

智能大棚環(huán)境智能控制單元由測控模塊、電磁閥、配電控制柜及安裝附件組成，控制器根據(jù)智能大棚內(nèi)空氣溫濕度、土壤溫度水分、光照強(qiáng)度及二氧化碳濃度等參數(shù)，對環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備進(jìn)行控制，包括內(nèi)遮陽、外遮陽、風(fēng)機(jī)、濕簾水泵、頂部通風(fēng)、電磁閥等設(shè)備。

◎視頻監(jiān)控系統(tǒng)

作為數(shù)據(jù)信息的有效補(bǔ)充，基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和視頻信號(hào)傳輸技術(shù)，對智能大棚內(nèi)部作物生長狀況進(jìn)行全天候視頻監(jiān)控。該系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)型視頻服務(wù)器、高分辨率攝像頭組成，網(wǎng)絡(luò)型視頻服務(wù)器主要用以提供視頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換和傳輸，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)。在已有Internet上，只要能夠上網(wǎng)就可以根據(jù)用戶權(quán)限進(jìn)行遠(yuǎn)程的圖像訪問，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、在線、便捷的監(jiān)測方式。

◎監(jiān)控中心

監(jiān)控中心由服務(wù)器、多業(yè)務(wù)綜合光端機(jī)、大屏幕顯示系統(tǒng)、UPS及配套網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。建設(shè)管理監(jiān)控中心的目的是對整個(gè)示范園區(qū)進(jìn)行信息化管理并進(jìn)行成果展示。

◎應(yīng)用軟件平臺(tái)

通過應(yīng)用軟件平臺(tái)可將土壤信息感知設(shè)備、空氣環(huán)境監(jiān)測感知設(shè)備、外部氣象感知設(shè)備、視頻信息感知設(shè)備等各種感知設(shè)備的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)、處理和挖掘，通過中心監(jiān)控軟件的智能決策，形成有效指令，通過聲光電報(bào)警指導(dǎo)管理人員或以直接控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的方式調(diào)節(jié)設(shè)施內(nèi)的小氣候環(huán)境，為作物生長提供優(yōu)良的生長環(huán)境。

●可編程邏輯控制器

中控分體式可編程控制器

CANopen通訊總線

該控制器通過Modbus/TCP與監(jiān)控層進(jìn)行通信，內(nèi)部模塊間使用CANopen總線，實(shí)現(xiàn)主CPU與IO模塊間的通信，CANopen總線通信距離最長為800m，因此，對于大棚比較密集的區(qū)域，可通過光纖通信的方式，將以太網(wǎng)部署至若干接入點(diǎn)，主CPU模塊通過以太網(wǎng)口直接接入以太網(wǎng)。各個(gè)大棚使用IO擴(kuò)展模塊進(jìn)行控制，主CPU與IO擴(kuò)展模塊間通過CANopen通訊總線進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定高效的通信，保證控制質(zhì)量與控制安全。

農(nóng)業(yè)溫室智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

●控制器部署及通信方案

◎在園區(qū)每個(gè)智能大棚內(nèi)，部署一塊CPU模塊，該CPU模塊擁有1個(gè)RS-232、1個(gè)RS-485、1個(gè)以太網(wǎng)口，可擴(kuò)展32個(gè)I/O模塊，支持IEC61131-3國際編程，支持自由組態(tài)編程。

◎?qū)⑾到y(tǒng)控制所需的I/O模塊，通過CANOpen總線+導(dǎo)軌安裝方式，進(jìn)行靈活安裝，以此可保證系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

◎?qū)τ诓糠謧鞲衅鞯臄?shù)據(jù)，直接通過模擬量輸入模塊，進(jìn)行采集并進(jìn)入控制器。

◎?qū)τ诟黝愄镩g傳感器，采用物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)（無線方式），提高監(jiān)測點(diǎn)部署和設(shè)置的靈活性，使其不受布線困擾。

◎基于物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)（無線方式）的采集傳感器，通過RS-485接口直接進(jìn)入大棚內(nèi)的控制器CPU模塊，從而在確保CPU模塊與上層監(jiān)控系統(tǒng)斷網(wǎng)的情況下，大棚控制設(shè)備的單機(jī)運(yùn)行和控制。

◎各大棚的CPU模塊，可通過有線或無線（WiFi）的方式，與監(jiān)控服務(wù)器建立通信聯(lián)系，從而上傳監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及接收控制指令。

◎部署在智能大棚內(nèi)的觸摸屏，通過以太網(wǎng)接口與CPU模塊進(jìn)行通信交互。

控制器組網(wǎng)示意圖

棚內(nèi)操控觸摸屏

●控制模塊擴(kuò)展

后續(xù)隨業(yè)務(wù)發(fā)展需要，可增加補(bǔ)光控制、供熱控制等。當(dāng)控制模塊IO點(diǎn)數(shù)已無法滿足控制需求時(shí)，可在每個(gè)大棚內(nèi)非常方便地增加新的IO模塊，可增加的模塊包括（獨(dú)立的AI、AO、DI、DO模塊或者混合IO模塊），模塊采用導(dǎo)軌式安裝，可非常方便地實(shí)現(xiàn)控制功能擴(kuò)展需求。

模塊安裝導(dǎo)軌

物聯(lián)網(wǎng)模塊

●控制器觸摸屏

為保證智能大棚內(nèi)的控制質(zhì)量，建議使用本觸摸屏，觸摸屏是以Cortex-A8 CPU為核心（主頻600MHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏；采用了26cm（10.2英寸）高亮度TFT液晶顯示屏（分辨率1024×600），四線電阻式觸摸屏（分辨率4096×4096）。

可支持支持自定義組態(tài)設(shè)置及監(jiān)控流程圖繪制功能。

●傳感器物聯(lián)網(wǎng)

對于田間傳感器，將采用物聯(lián)網(wǎng)通信方式，實(shí)現(xiàn)傳感器的組網(wǎng)，構(gòu)成的設(shè)備包括無線物聯(lián)網(wǎng)和無線集中網(wǎng)關(guān)，相互間采用433MHz的WiFi頻段進(jìn)行無線通信，而后，通過無線網(wǎng)關(guān)的通信轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)至通信網(wǎng)絡(luò)之間的連接。

●整體組網(wǎng)示意圖

通過以上介紹，可將系統(tǒng)整體運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)，歸納為以下架構(gòu)圖：

系統(tǒng)整體組網(wǎng)圖

●相關(guān)控制功能示意

卷簾的控制與狀態(tài)反饋

土壤監(jiān)測與灌溉控制

六、系統(tǒng)軟件應(yīng)用

數(shù)采、監(jiān)控、分析、溯源、巡檢管理、移動(dòng)端應(yīng)用，是浙大中控著重為貴公司構(gòu)建的智慧農(nóng)業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的軟件功能。

●系統(tǒng)軟件架構(gòu)圖

系統(tǒng)軟件構(gòu)成

●監(jiān)控流程圖

設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控流程圖

基于計(jì)算機(jī)端的監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測與遠(yuǎn)程控制；同時(shí)，可通過控制邏輯的組態(tài)，實(shí)現(xiàn)各種具體控制需求。

風(fēng)機(jī)運(yùn)行監(jiān)控流程圖

水肥一體化監(jiān)控流程圖

●移動(dòng)端遠(yuǎn)程操控

手機(jī)和平板將成為內(nèi)部本系統(tǒng)主體的UI界面，隨時(shí)隨地通過手機(jī)或平板，即可了解現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)，必要時(shí)可通過一定權(quán)限，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制?；谝苿?dòng)端App+Web監(jiān)控頁面的方式，實(shí)現(xiàn)在手機(jī)和平板電腦（支持安卓和iOS系統(tǒng)）上的展示和遠(yuǎn)程操控，是本系統(tǒng)的一大特色。甚至在各個(gè)大棚無需部署監(jiān)控屏，拿著平板即可完成所有監(jiān)控和巡視工作。

●內(nèi)部巡檢管理系統(tǒng)

貴公司整個(gè)園區(qū)占地較大，且存在未來逐步拓展成為擁有多個(gè)園區(qū)的農(nóng)業(yè)集團(tuán)，如何保證人員巡檢、維護(hù)及設(shè)備管理，是擺在管理者面前的一項(xiàng)重點(diǎn)工作。浙大中控可為貴公司提供基于數(shù)據(jù)監(jiān)控和移動(dòng)端應(yīng)用的巡檢管理一體化解決方案。

借助于巡檢管理功能，通過設(shè)備臺(tái)賬管理、設(shè)備信息管理等功能，實(shí)現(xiàn)管轄區(qū)域內(nèi)所有設(shè)備的電子化管理；同時(shí)，可為每一臺(tái)設(shè)備生成屬于該設(shè)備獨(dú)有的二維碼并粘貼或懸掛于該設(shè)備處。而巡檢人員在按計(jì)劃路線進(jìn)行例行巡檢，通過掃描設(shè)備上的二維碼，可獲知設(shè)備基礎(chǔ)配置信息、檢修要求和待處理問題；同時(shí)，遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)可記錄巡檢人員在什么時(shí)間點(diǎn)巡檢過某臺(tái)設(shè)備或者每個(gè)智能大棚。對于巡檢過程中發(fā)現(xiàn)的問題，巡檢人員可通過手機(jī)APP，及時(shí)提交故障描述，基于故障描述信息以及實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的對比，監(jiān)控平臺(tái)管理人員做出是否派遣維修人員前往現(xiàn)場處理的決定。

巡檢管理流程

設(shè)備巡檢應(yīng)用

●微信應(yīng)用

公司可申請一個(gè)微信公眾號(hào)，浙大中控可為公司實(shí)現(xiàn)通過微信向?qū)?yīng)控制器下發(fā)命令、通過微信查詢現(xiàn)場數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)溯源等功能（微信功能將按實(shí)際需求進(jìn)行開發(fā)）。具體可實(shí)現(xiàn)的功能包括：

◎監(jiān)控報(bào)警信息的微信實(shí)時(shí)推送；

◎微信服務(wù)與監(jiān)控系統(tǒng)間的詢問互動(dòng)（如獲取當(dāng)前實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等）。

●系統(tǒng)軟件分析功能

數(shù)據(jù)展示——曲線、餅圖、柱狀圖

數(shù)據(jù)綜合展示方式

數(shù)據(jù)報(bào)表對比

大棚數(shù)據(jù)綜合展示

七、中控產(chǎn)品優(yōu)勢

●自動(dòng)化領(lǐng)域的領(lǐng)軍者

中控集團(tuán)始創(chuàng)于1993年3月，是中國領(lǐng)先的自動(dòng)化與信息化技術(shù)、產(chǎn)品與解決方案供應(yīng)商，業(yè)務(wù)涉及流程工業(yè)自動(dòng)化、智慧城市、智能建筑、科教儀器、機(jī)器人、油氣、裝備、新能源與節(jié)能等領(lǐng)域。

自成立以來，中控集團(tuán)保持著快速穩(wěn)健的發(fā)展節(jié)奏，現(xiàn)服務(wù)于全球上萬家客戶，遍及國內(nèi)30個(gè)省市、自治區(qū)，以及亞洲、歐洲、非洲、南美洲等區(qū)域。作為一家涉及自動(dòng)化、信息化等多領(lǐng)域的綜合性集團(tuán)公司，“中控”與“SUPCON”已成為業(yè)內(nèi)國際知名品牌。

“推進(jìn)節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展”“以信息化帶動(dòng)工業(yè)化，用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)”，是浙大中控堅(jiān)持不懈的追求。憑著自身的核心技術(shù)優(yōu)勢，中控集團(tuán)出色完成多項(xiàng)國家“863”和科技攻關(guān)重大研究課題，主持制定了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的EPA國際標(biāo)準(zhǔn)，參與制定多項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)。

目前，中控正全面進(jìn)入農(nóng)業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，希望通過在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的技術(shù)積累，助力農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展。

●成熟可靠的控制器產(chǎn)品

基于為超過1萬套中大型工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)提供“控制大腦”（DCS控制系統(tǒng)）的技術(shù)，浙大中控?fù)碛凶顕?yán)苛的質(zhì)量管控，從而使得中控控制器產(chǎn)品擁有極高的品質(zhì)，并始終保持產(chǎn)品質(zhì)量領(lǐng)先于國外競爭對手。

農(nóng)業(yè)智能大棚的自動(dòng)化控制，控制質(zhì)量仍然是關(guān)鍵，我們選用的中控CCR6000彩虹系列可編程控制系統(tǒng)，是一套高品質(zhì)、高可靠性的控制器產(chǎn)品。該產(chǎn)品在中國最大的控制系統(tǒng)生產(chǎn)基地（中控軟件園）生產(chǎn)，與中控DCS控制系統(tǒng)來自同一產(chǎn)線，接受與DCS控制系統(tǒng)一致的嚴(yán)格質(zhì)量檢測，并在上千套智能建筑、智慧城市、自動(dòng)化大棚項(xiàng)目上取得應(yīng)用。

●中控在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的其他業(yè)績

由中控承接的智能糧庫項(xiàng)目，通過控制器、通信網(wǎng)絡(luò)和信息化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)備糧倉庫的自動(dòng)化監(jiān)控，減少因?yàn)榇鎯?chǔ)不當(dāng)而引起的糧食損耗。

基于巡檢機(jī)器人+無線溫度變送器的蘆葦堆場智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)堆場內(nèi)各蘆葦堆內(nèi)部溫度的有效監(jiān)控，避免因?yàn)閮?nèi)部發(fā)酵造成堆體內(nèi)部溫度上升，從而杜絕堆體自燃事件的發(fā)生。

蘆葦堆場現(xiàn)場照片

中控巡檢機(jī)器人

八、總結(jié)

構(gòu)建“某參種植基地自動(dòng)化控制系統(tǒng)”的成果，可總結(jié)為以下四個(gè)方面，包括：

●自控：實(shí)現(xiàn)園區(qū)內(nèi)絕大部分設(shè)備的自動(dòng)化控制，減少人員工作量，提升操控的精準(zhǔn)度；

●管控：設(shè)備管控、人員管控、生長過程管控、差異化管控；

●積累：通過構(gòu)建存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫，完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查閱、對比、反饋，為后續(xù)的分析、優(yōu)化和溯源提供支撐；

●優(yōu)化：歷史最佳狀態(tài)的捕獲和優(yōu)化，氣象條件、時(shí)間等因數(shù)的聯(lián)動(dòng)優(yōu)化控制，參數(shù)調(diào)整，通過管理帶來優(yōu)化；

希望通過“某參種植基地自動(dòng)化控制系統(tǒng)”的構(gòu)建，為貴公司現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的精細(xì)化、集約化管理帶來實(shí)實(shí)在在的幫助。