区域适用的群落式杏鲍菇生长环境远程监控系统开发,农业工程论文

区域适用的群落式杏鲍菇生长环境远程监控系统开发,农业工程论文0引言杏鲍菇(PleurotusEryngii)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欢[1].近年来,我们国家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.当前,固然有很多关于杏鲍菇栽培的研究,但其针对的目的各不一样,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,进而制约了西北地区食用菌工厂化、自动化、周年化生产的完好实现[3].如今,当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:当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,因而基于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].因而,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,进而知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,获得良好的经济效益.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一样[9].因而,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120010-6~250010-6;光照度的最佳理论值为100lux.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,逐步拓展单元数量;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,到达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此图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,进而控制现场的S7-200PLC,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0~500010-6,精度为30℃、10-65%;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0~5V/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ModbusRTU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COMWAYWG-8010GPRSDTU内置工业级GPRS无线模块,其提供标准的RS485数据接口,能够方便地连接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,能够控制和协调多台终端数据采集模块与上位机通信.同时,假如需要维持双向通信,必须设置GPRS-DTU定时发送的心跳数据包,进而保持NAT端口映射.2.4可编程控制器(PLC)可编程控制器简称PLC(ProgrammableLogicCon-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S7-226CN,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,充分知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S7-200PLC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.华而不实,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.3.1DTU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.华而不实,系统采用全双工方式传输形式的串行通讯,两根数据线均可进行数据的发送和接收,发送和接收信息能够同时实现,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,进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形式,利用上位机监控软件接收显示所有的实时数据,进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,到达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分享的方式方法,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此图2所示.〔图2略〕3.4PLC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拟,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S7-200PLC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.由于杏鲍菇在生长经过中释放CO2,使CO2浓度不断升高,因而需控制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.控制程序流程图如此图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、灵敏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,知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,提高了杏鲍菇生产经过的自动化程度.系统部分监控界面如此图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,对华而不实生产杏鲍菇的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,到达了群落式无线远程监控的目的.如此图7所示,选取2020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.从数据曲线能够直观地看到,系统运行正常且稳定,能够根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.现场的试验验证表示清楚,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.以下为参考文献:[1]田景花,李明,李守勉.我们国家杏鲍菇生产研究进展[J].北方园艺,2020(4):179-181.[2]杨叶,张晓磊,朱学军.宁夏南部山区杏鲍菇生产经过监控系统设计[J].农业科技与装备,2018(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,2020,35(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,2018,25(7):158-163.[6]马增炜,马锦儒,李亚敏.基于WIFI的智能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