区域适用的群落式杏鲍菇生长环境远程监控系统开发

　　0 引言

　　杏鲍菇(Pleurotus Eryngii)又名刺芹侧耳,是一种集食用、药用、食疗于一体的珍稀食用菌品种,深受广大消费者的喜爱[1].近年来,我国多个省区引进了大型杏鲍菇周年工厂化项目,如宁夏彭阳县建立了以杏鲍菇、双孢菇为主的食用菌生产基地,杏鲍菇产业已成为当地农民新的经济增长点[2].杏鲍菇对栽培环境中的温度、湿度、光照度以及 CO2浓度等环境因子的敏感性差异很大.目前,虽然有许多关于杏鲍菇栽培的研究,但其针对的目标各不相同,尤其针对西北地区群落式杏鲍菇栽培环境精准调控的研究仍属空白,从而制约了西北地区食用菌工厂化、自动化、周年化生产的完整实现[3].

　　如今,现代无线通信技术被广泛应用于温室远程监测与控制中,解决了传统温室监控系统中布线复杂、维护困难等问题,同时温室的群控技术也得到广泛研究和应用,摆脱了智能温室单棚单控的局限性[4].分析总结先前学者的研究可知:现代无线远程监控系统大多是基于 ZigBee、蓝牙、WiFi 、GPRS 等技术,其工程应用优势明显.ZigBee、蓝牙、WiFi 均属短距离传输,但蓝牙和 WiFi 的成本较高、功耗大、传输效率低[5 - 7].由于 ZigBee 具有节点规模大、功耗小、成本低等优点,因此基于 ZigBee 的无线传感器网络深受研究者的青睐;但其组网技术复杂,容易出现发送冲突、多跳、数据丢包、抗干扰能力差等问题,且对墙壁障碍的穿透力极低,使其应用有了局限性[8].因此,在综合考虑西北冷凉地区的环境特点和杏鲍菇暗室培养的条件下,本文基于 GPRS 技术设计出了区域适用的群落式杏鲍菇生长环境远程监控系统,从而满足杏鲍菇子实体生长发育期对环境的苛刻要求,加快西北地区珍稀食用菌工厂化、周年化生产的实现,取得良好的经济效益.

　　1 系统整体设计

　　杏鲍菇在食用菌中属于环境敏感型菌类,由于中国南北方气候的差异,不同地区栽培杏鲍菇所采取的调控策略也不相同[9].因此,在以前学者对杏鲍菇栽培环境的研究基础之上,结合宁夏彭阳当地的气候条件,探寻到杏鲍菇子实体生长发育期环境因子调控的最佳范围:温度最佳点 16℃,调节范围 15 ~ 17℃;湿度的调节点 90% ,调节范围 75% ~ 95% ;CO2浓度的最佳调节范围 1 200 × 10- 6~ 2 500 × 10- 6;光照度的最佳理论值为 100 lux.

　　群落式杏鲍菇生长环境监控系统主要是在单个菇棚环境监控的基础之上实现四区域环境监控,再以四区域监控为一个控制单元,逐渐拓展单元数量;由上位机接收汇总各个控制单元发送的数据,然后根据调控策略进行调控,达到宁夏彭阳食用菌标准化示范基地出菇区 112 间杏鲍菇菇棚群落式监控的目的.

　　群落式和单栋温室监控系统构架如图 1 所示.（图1略）

　　系统底层利用温湿度传感器、CO2浓度传感器、光照度传感器,将杏鲍菇菇棚内的温度、湿度、CO2浓度、光照度等模拟量环境因子转变为 0 ~ 5V 的标准电压信号;通过 AL - 4AI4DO 数据采集模块将电压信号转变为数字量,由 RS485 串口传送到 GPRS 无线传输模块(DTU);再通过 GPRS 网络将实时采集到的现场数据传递给上位机,在上位机自主开发的组态监控界面中完成数据的动态显示、历史数据存储、超限报警等功能.根据杏鲍菇子实体生长期间环境因子调控的上、下限值,由上位机经过 DTU 无线发送开关量信号给采集模块的继电器输出接口,从而控制现场的 S7 -200 PLC,使其继电器线圈输出状态改变来控制执行器工作,调控各个环境因子在需求范围内.

　　2 系统硬件组成

　　2. 1 传感器模块

　　系统需要采集菇棚内的温度、湿度、CO2浓度、光照度这 4 个环境因子,所以选择 JWSL - 3VB 型温湿度传感器工作量程分别为 0 ~ 50℃、0 ~ 100% RH,精度为 ± 0. 5℃、3% RH; LCO2- V1 型 CO2浓度传感器工作量程为 0 ~ 5 000 × 10- 6,精度为 ± 30℃、10- 6±5%;GZD - V1 型光照度传感器工作量程为 0 ~ 1000lux;传感器的输出均为 0 ~5V 电压信号.

　　2. 2 数据采集模块

　　系统选用 AL - 4AI4DO 经济实用型数据采集模块.其集成了 4 路 0 ~ 5 V/0 ~ 20mA 采集、4 路继电器输出功能.采集接口分辨率 12 位,精度为 ± 0.01V.继电器接口为干接点输出,触点容量为 5A /30VDC、5A /250VAC.模块采用工业级 STM32F10x 单片机作为控制核心,配备两路 RS485 接口,采用标准Modbus RTU 通信协议,完成读取 4 路采集数据、读取或设置 4 路继电器状态等功能.

　　2. 3 无线通讯模块

　　GPRS( 通用分组无线业务的简称 ) 是一种以GSM 为基础的无线数据传输技术,在基于电路交换方式的 GSM 网络上增加了 SGSN 和 GGSN 等功能.

　　GPRS 通讯网络具有通讯速度快、持久在线性强、不受地域限制、延时短、成本低等特点[10 - 11].系统选用COMWAY WG - 8010 GPRS DTU 内置工业级 GPRS 无线模块,其提供标准的 RS485 数据接口,可以方便地连接 AL - 4AI4DO 采集模块,即可与服务器端通过GPRS 无线网络和 Internet 网络建立连接,实现上位机与采集模块间数据的全透明传输.通过 RS485 数据接口,可以控制和协调多台终端数据采集模块与上位机通信.同时,如果需要维持双向通信,必须设置GPRS - DTU 定时发送的心跳数据包,从而保持 NAT端口映射.

　　2. 4 可编程控制器( PLC)

　　可编程控制器简称 PLC(Programmable Logic Con-troller),它是基于微处理器的通用工业控制装置[12].系统选用西门子公司的 S7 - 200 系列 PLC,它具有极高的可靠性、强大的通信能力、较强的抗干扰能力和丰富的扩展模块.CPU 选用的是 S7 -226 CN,它集成了 24 点输入/16 点输出共 40 个数字量 I/O 点,最大可扩展数字量 I/O 点为 128 点输入/128 点输出,充分满足了杏鲍菇温室内多点控制的需求.

　　2. 5 电源模块

　　系统中的各个设备对供电电源的要求不同:采集器使用 12VDC 供电电源,传感器使用 24VDC 供电电源,DTU 使用 5V 的供电电源.

　　2. 6 执行机构

　　执行机构接收上位机发出的控制命令,通过 S7 -200 PLC 输出端继电器输出,控制执行器动作.每间菇棚内主要执行器包括空调机、喷淋装置、换气扇及散光灯.其中,空调机组具备制冷、制热等功能,自动控制程度高,换气扇分进气和排气两种安装方式,杏鲍菇属暗箱培养只需两展散光灯.

　　3 上位机监控软件设计

　　上位机监控软件处于监控层,完成对现场数据采集和执行机构控制.系统的上位机为组态王 King-View6. 55,具有操作简单、功能齐全、丰富的图形化设计资源、数据的动态显示、报警设置以及报表显示等功能,内部提供与多种类型硬件连接的接口[13].系统通过建立 DTU 和 AL -4AI4DO 采集模块连接,组态王和 AL - 4AI4DO 采集模块通讯,完成动态的数据交换,以实现对现场数据的实时采集、处理和对现场设备的实时控制.

　　3. 1 DTU 与采集模块的通讯

　　系统将 DTU 进行初始化配置后,在 DTU 标识的卡槽内插入一张开通 GPRS 流量的 SIM 卡,再通过 RS- 485 线将 DTU 的串口与采集器串口连接,即可实现采集数据向 DTU 的传送.其中,系统采用全双工方式传输模式的串行通讯,两根数据线均可进行数据的发送和接收,发送和接收信息可以同时实现,互不冲突.

　　3. 2 组态王与采集模块的通讯

　　组态王通过虚拟串口与远程设备进行数据通讯.AL - 4AI4DO 采 集 模 块 在 组 态 王 中 支 持 modbus(RTU)设备.首先,在组态王工程的 COM 口建立莫迪康 PLC 设备,设备地址必须与 AL - 4AI4DO 采集模块设置的地址保持一致,并设定 COM 口通讯参数.

　　然后,在组态王软件内部将 DTU 虚拟接入上位机的串口,配置运行 DTU 无线串口服务软件,从而实现采集模块与组态王之间的无线数据交换.

　　3. 3 数据采集功能设计

　　系统通过 DTU 无线通讯模块经 GPRS 网络实现菇棚内传感器数据的无线远传,上位机接收、处理、储存现场数据.系统处于运行状态时,在上位机上必须事先运行无线串口服务软件,确保 DTU 处于 online 状态.当无线串口服务软件的虚拟串口有数据收发时,软件窗口中即能显示数据收发的字节数.

　　系统在单个菇棚监控的基础上将 4 个菇棚的数据采集模块(AL - 4DI4DO)采取并联的方式,通过地址的不同选择实现多对一的传输模式,利用上位机监控软件接收显示所有的实时数据,从而实现四区域环境监控,并以拓扑的方式将其扩展到整栋温室,达到群落式远程监控的目的.每一个采集模块对应每个菇棚内的 3 类传感器,采集到的多路数据只用一个DTU 无线串口进行传输.4 个数据采集模块并联同一个无线串口,需要用软件编程实现串口共享的方法,以 12s 为 1 个周期,将其划分成 4 个时间段,每 3s 采集 1 次数据.采集模块分时发送数据流程图如图 2所示.（图2略）

　　3. 4 PLC 控制程序设计

　　结合宁夏南部山区的气候特性和杏鲍菇子实体生长期的最佳调控策略,需要对菇棚内进行降温、升温、增加湿度、通风换气、补充光照的调节.系统上位机的组态王软件通过设定的程序对采集到的实时数据与环境因子的上下限值进行比较,然后发出控制命令经 DTU 无线传给数据采集模块的继电器端口,控制现场的 S7 -200 PLC 工作,使相应的执行器动作.菇棚内的温度过高时,控制空调制冷机工作;温度过低时,控制空调加热器工作;湿度过低时,控制喷淋装置工作.由于杏鲍菇在生长过程中释放 CO2,使 CO2浓度不断升高,因此需控制 CO2不超过规定的上限值.

　　当 CO2超过上限时,通过控制换气扇工作降低棚内CO2浓度.同时,通过控制散光灯的开关进行光照补充.控制程序流程图如图 3 所示.（图3略）

　　3. 5 组态王的监控界面设计

　　基于组态王丰富的设备驱动程序、灵活的组态方式以及动态数据交换的功能,设计了群落式杏鲍菇生长环境远程监控系统,满足了多间菇棚的实时数据采集、动态显示、参数调整、超限报警等设备调控的要求,提高了杏鲍菇生产过程的自动化程度.系统部分监控界面如图 4、图 5、图 6 所示.（图4、5、6略）

　　4 系统运行

　　系统在宁夏彭阳食用菌标准化生产示范基地进行示范性推广应用.该示范基地占地 33. 3hm2,对其中生产杏鲍菇的 112 间菇棚进行群落式无线远程监控系统的应用试验.实践证明,该系统是可行的,性能稳定可靠,监测精度高,能够实时与上位机进行无线通讯,实现了菇棚内环境参数的实时监测,且设备调控平稳准确,达到了群落式无线远程监控的目的.

　　如图7 所示,选取2013 年9 月正处在出菇期的某间杏鲍菇菇棚 8:00 - 16:00 的监测数据,采集频率30min.从数据曲线可以直观地看到,系统运行正常且稳定,能够依据调控策略调节环境参数保持在杏鲍菇子实体发育期需求的范围内,综合应用效果良好.（图7略）

　　5 结论

　　在充分考虑宁夏南部山区资源承载力和气候变化特征的基础上,结合宁夏彭阳县杏鲍菇产业的生产规模,集成应用多传感器技术、GPRS 传输技术、PLC及软件组态技术,设计完成群落式杏鲍菇生长环境远程监控系统.现场的试验验证表明,该系统运行稳定、安全可靠、可操作性高,能够对菇棚环境中的温度、湿度、CO2浓度、光照度等环境因子进行实时、精准监测及相关调节设备的远程自动控制.群落式杏鲍菇生长环境远程监控的实现,不仅为当地食用菌工厂化、周年化生产提供了良好的条件,也为后续研究环境参数对杏鲍菇性状的影响以及建立杏鲍菇出菇生育期的控制模型提供了必要条件.

　　参考文献:

　　[1] 田景花,李明,李守勉. 我国杏鲍菇生产研究进展[J]. 北方园艺,2013(4):179 -181.

　　[2] 杨叶,张晓磊,朱学军. 宁夏南部山区杏鲍菇生产过程监控系统设计[J]. 农业科技与装备,2010(8):35 -38.

　　[3] 韩清华,李树君,张云川. 食用菌工厂化栽培环境的远程监测系统[J]. 农业机械学报,2008,39(8):123 -127.

　　[4] 李芳,张孟杰,纪建伟,等. 北方日光温室群智能化环境控制系统的研究[J]. 农机化研究,2013,35(8):76 -79.

　　[5] 韩华峰,杜克明,孙忠富,等. 基于 ZigBee 网络的温室环境远程监控系统设计与应用[J]. 农业工程学报,2009,25(7):158 -163.

　　[6] 马增炜,马锦儒,李亚敏. 基于 WIFI 的智能温室监控系统设计[J]. 农机化研究,2011,33(2):154 -162.

　　[7] 张猛,房俊龙,韩雨. 基于 ZigBee 和 Internet 的温室群环境远程监控系统设计[J]. 农业工 程学报,2013,29(25):171- 176.

　　[8] 李莉,李海霞,刘卉. 基于无线传感器网络的温室环境监测系统[J]. 农业机械学报,2009,40(S1):228 -231.

　　[9] 李辉平,宋金俤,林金盛,等. 主要环境因子对杏鲍菇工厂化生产影响的研究[J]. 江西农业学报,2011,23(11):28- 30.

　　[10] 孙忠富,曹洪太,李洪亮,等. 基于 GPRS 和 WEB 的温室环境信息采集系统的实现[J]. 农业工程学报,2006,22(6):131 - 134.

　　[11] 林永君,杨春来,常喜茂,等. 基于 GPRS 的远程监控系统的研究与实现[J]. 化工自动化及仪表,2011,38(11):1367 - 1370.

　　[12] 姜茂仁,刘国栋,杨国为,等. 基于 PLC 和组态王的电源控制系统的设计与实现[J]. 计算机与现代化,2013(1):130 - 133.

　　[13] 张晓磊,薛永风,苏杰,等. 基于组态王的杏鲍菇菇棚物候监控系统设计[J]. 中国农机化,2012(1):176 -179.