林德穎，官 飛

（福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 南平 353000）

植物的照明是LED在農(nóng)業(yè)應(yīng)用上最廣闊的領(lǐng)域之一，在溫室大棚、植物組培、植物工廠等多種場合均可淘汰傳統(tǒng)光源而使用更優(yōu)質(zhì)光源——LED來替代。

根據(jù)長期實驗研究表明，植物的光合作用在可見光光譜范圍內(nèi)吸收的光能占其生理輻射光能的60%～65%，其中主要以波長為610～720nm的紅光、橙光以及波長為400～510nm的藍(lán)光、紫光為吸收峰值。

本設(shè)計將PLC技術(shù)引入到農(nóng)業(yè)溫室照明控制系統(tǒng)的設(shè)計當(dāng)中，采用LED這一新型照明光源，設(shè)計出基于PLC的農(nóng)業(yè)溫室LED控制系統(tǒng)，為植物提供合適的光照顏色及光照強(qiáng)度。

1 農(nóng)業(yè)溫室LED燈光系統(tǒng)PWM驅(qū)動電路

PWM即脈沖寬度調(diào)制，是一種應(yīng)用處理器數(shù)字輸出的信號來對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的控制技術(shù)。PWM技術(shù)常用于測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。脈沖寬度調(diào)制調(diào)光可分為正調(diào)光和負(fù)調(diào)光，正調(diào)光即當(dāng)占空比的值為100%時最亮，負(fù)調(diào)光就是0%最亮。以正調(diào)光的方式為例，當(dāng)PWM為高電平時，LED燈發(fā)光；低電平時，不發(fā)光。由于頻率變化比較快，因此感受不到它間接性的發(fā)光和不發(fā)光的狀態(tài)。這樣，經(jīng)過調(diào)節(jié)PWM的占空比就可以調(diào)節(jié)亮度能夠做到很好的對比度。本次的設(shè)計采用的是正調(diào)光方式當(dāng)PWM占空比達(dá)到百分百時候最亮。

該燈光系統(tǒng)的PWM控制模塊單路電路如圖1所示，以單色LED燈為例，從PLC送出PWM信號，經(jīng)過MOS管，由MOS管的通斷來控制占空比，最后點亮LED燈。不同顏色的LED燈有不同的PWM信號控制，每一個PWM信號單獨設(shè)置，區(qū)別控制不同顏色的LED燈。通過設(shè)置不同的PWM輸出信號的占空比與最大值進(jìn)行比較可以對LED燈的光照強(qiáng)度進(jìn)行控制，從而可以達(dá)到即可控制光照波長又可以控制光照強(qiáng)度的目的。

2 溫室LED燈控制系統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)計

2.1 基于以太網(wǎng)口的HMI對PLC的控制

HMI作為一種人機(jī)交互設(shè)備，能夠讓我們更加直觀的進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)顯示。傳統(tǒng)的現(xiàn)場按鈕控制的面板已經(jīng)慢慢的被人機(jī)界面所取代，因為人機(jī)界面不僅能夠編寫形象的按鈕，使得操作更加生動，而且人機(jī)界面可以做到即時將傳感器的數(shù)據(jù)反饋至觸摸屏中顯示，實現(xiàn)信息的輸入、顯示和監(jiān)控的作用，這樣能夠更加直觀的反應(yīng)數(shù)據(jù)信息。

當(dāng)系統(tǒng)上電工作時，通過手指來觸碰觸摸屏幕上的操作組件，被觸碰的開關(guān)按鈕或是修改的設(shè)置數(shù)據(jù)，都能通過串口傳送給PLC，然后寫入PLC的數(shù)據(jù)存儲器里面。PLC會根據(jù)設(shè)計好的程序控制相應(yīng)寄存器與輸出動作，進(jìn)而可對LED燈光進(jìn)行調(diào)控。

2.2 觸摸屏與下位機(jī)的通訊實現(xiàn)

觸摸屏的型號是維控PI8102，其具有兩個COM端口可以與PLC進(jìn)行RS-422、RS-485的串行通信，本次采用了RS-422通信協(xié)議與PLC進(jìn)行通訊，即將在PIStudio軟件上編寫的組態(tài)畫面通過RS-422數(shù)據(jù)線下載到觸摸屏內(nèi)。正確的配置通訊口才能夠?qū)崿F(xiàn)組態(tài)軟件與觸摸屏的通訊。

2.3 人機(jī)界面的畫面控制編輯

設(shè)計包含四個人機(jī)界面：主畫面、實驗柜選擇界面、3色燈選擇界面LED燈光強(qiáng)與光照時間設(shè)置界面。主畫面顯示了本研究的題目、當(dāng)前時間、進(jìn)入實驗柜選擇界面按鈕等；實驗柜選擇界面顯示了可以選擇的三色燈的界面按鈕，方便實驗員分別進(jìn)行燈光設(shè)置，其中淺色的按鈕為三色燈；3色燈選擇界面是對分別裝有不同波長的LED燈進(jìn)行選擇以便進(jìn)入設(shè)置；LED燈光強(qiáng)度與光照時間設(shè)置界面是對光照強(qiáng)度以及光照時間進(jìn)行設(shè)置的一個界面，并且設(shè)計有開關(guān)按鈕，左邊一列是四段可設(shè)置時間的輸入端口，右邊一列與左邊相對應(yīng)用于設(shè)置左邊每一行所對應(yīng)的光照強(qiáng)度，設(shè)置參數(shù)結(jié)束后可直接開啟燈光。

3 基于云平臺的遠(yuǎn)程控制

3.1 基于云平臺的手機(jī)APP同步HMI的遠(yuǎn)程控制

目前以太網(wǎng)卡在自動化控制上得到廣泛的應(yīng)用，通過以太網(wǎng)的控制可以將現(xiàn)場連接到辦公室，使得操作人員可以輕松的在距離現(xiàn)場比較遙遠(yuǎn)的地方進(jìn)行控制操作。在沒有硬件出現(xiàn)錯誤的情況下，操作人員就不必到現(xiàn)場實際操作。研究采用維控公司開發(fā)云端與帶以太網(wǎng)端口的HMI網(wǎng)絡(luò)通信連接，利用維控公司出品的軟件PIBOX可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程同步人機(jī)界面對PLC擴(kuò)展模塊產(chǎn)生的PWM的占空比的監(jiān)控。

3.2 PIBoxClient與HMI的穿透連接

維控PI系列的觸摸屏都會有一個特有的機(jī)器碼，也就是用于識別每一臺不同機(jī)器的獨立ID碼，利用這個獨立ID碼在維控的云平臺上建立一個單獨的設(shè)備用于管理。登上賬號后將機(jī)器碼輸入選擇添加設(shè)備之后進(jìn)入下一步設(shè)置，完成后可用PiBox－Client進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

PIBoxClient軟件可以通過維控的云平臺對電腦進(jìn)行訪問。當(dāng)電腦登錄PIBoxClient軟件，并且將觸摸屏的網(wǎng)線連接上，此時云平臺將訪問檢測到該觸摸屏設(shè)備。

在登錄之后顯示的主界面上可觀察到可以管理的幾項設(shè)備，其中就包括之前添加的觸摸屏設(shè)備。

之后選擇左邊的設(shè)備（事先得先更新成穿透的鏡像，并且接上網(wǎng)線）選擇屏的COM口，設(shè)置串口波特率、停止位、數(shù)據(jù)位、校驗位。將串口波特率設(shè)置為9600，停止位設(shè)置為1，校驗位，使用RS232串口設(shè)備。數(shù)據(jù)設(shè)置完成之后點擊開始穿透，穿透過程中，點擊穿透后觸摸屏?xí)M(jìn)行響應(yīng)，此時觸摸屏?xí)M(jìn)行重啟并且界面上就出現(xiàn)穿透的進(jìn)度以及提示。

穿透成功之后，就建立了一個虛擬的串口。該虛擬串口就是方便操作人員利用這個虛擬串口進(jìn)行程序下載和調(diào)試。編寫程序的時無法保證其全部正確，雖然有模擬調(diào)試功能在，但不免也得進(jìn)行現(xiàn)場實際調(diào)試，而現(xiàn)在可通過建立的虛擬串口利用以太網(wǎng)連接云平臺遠(yuǎn)程進(jìn)行程序的下載和調(diào)試。

4 結(jié)語

本研究是針對農(nóng)業(yè)人造光源的問題進(jìn)行的，從改善植物光合作用的光譜吸收率出發(fā)，調(diào)控農(nóng)作物光源的光照強(qiáng)度與光照波長，從而得到溫室農(nóng)業(yè)種植中最適合植物生長的光照條件，并且可以達(dá)到自動化遠(yuǎn)程控制人造光照條件的目的。立足于以上兩點，完成了基于PLC的農(nóng)業(yè)溫室LED控制系統(tǒng)的上位機(jī)設(shè)計。首先利用PLC產(chǎn)生PWM信號驅(qū)動LED燈光電路，利用PWM占空比來控制光照強(qiáng)度，因此對PWM控制電路進(jìn)行了較為詳細(xì)的介紹；其次介紹了本設(shè)計的人機(jī)界面部分，包括組態(tài)軟件的使用、觸摸屏的選型以及最終使用的人機(jī)界面的畫面概述與使用方法簡介，通過設(shè)置界面的設(shè)置配合下位機(jī)程序調(diào)節(jié)PWM占空比從而達(dá)到控制光照強(qiáng)度的目的；最后，介紹了基于PIBoxClient軟件的遠(yuǎn)程控制的實現(xiàn)，重點使實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的操作過程：鏡像下載、鏡像穿透等，并且簡要說明了使用安卓手機(jī)實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作的過程。

在整個研究完成的過程中，將PLC應(yīng)用技術(shù)、組態(tài)軟件編寫、以太網(wǎng)通訊技術(shù)以及串行通訊技術(shù)應(yīng)用于溫室LED控制系統(tǒng)的上位機(jī)設(shè)計，并取得了一定的實際成果，但是在設(shè)計過程中仍存在不夠完善的地方有待改進(jìn)。