农业温室分布式测控系统中的实时数据处理

摘要： 本文介绍了在某课题中采用RS485构成的总线型农业温室分布式测控系统中，利用上位计算机实现对温室中多个智能仪表组成的现场节点的集成控制和管理，重点阐述了在windows2000或windowsXP操作平台下，利用可视化通用编程语言Visual Basic6.0设计的农业温室分布式测控系统中如何对实时数据进行处理的问题。 关键词 设施农业；智能温室；分布式；RS485总线；智能仪表 1 问题的提出 近年随着设施农业[1]的迅猛发展，尤其是温室大棚，无土栽培，节水灌溉，工厂化养殖等在生产上得到前所未有的大发展，实现了农业工厂化生产，企业化运作，但美中不足是智能化程度与智能化普及率过低。虽然也有不少单位或个人引进了一些国外的计算机智能控制系统，如温室环境控制系统，施肥灌溉控制系统，工厂化育苗智能系统等。也真正实现了数字化、智能化、自动化，但投资过大，系统故障维护不便，而且经济效益过低，许多农业高科技园区多存在这个制约瓶颈。实现农业智能化对于大部份农民来说还是可望而不可及。开发低价位实用型的农业智能计算机系统已迫在眉睫，对于推进我国农业智能化进程具有极为重要的意义，同时也具有很大的市场商机。 智能化温室研究[2]是当今兴起的一门横跨生物学、计算机科学、电子科学、机械设计和环境控制等几大学科的综合了多种高新技术的边缘学科，而智能化温室种植业则被誉为“快速发展的工业”。 智能化温室是集农业科技上的高、精、尖技术和计算机自动控制技术于一体的最先进的农业生产设施，是现代农业科技向产业转化的物质基础。它能营造相对独立的作物生长环境，彻底摆脱传统农业对自然环境的高度依赖。 2 分布式测控系统的应用现状及发展 目前采用PC机与多台以单片机系统为核心的智能仪表组成分布式测控系统[3]在当今的许多生产自动化领域已得到广泛应用，这种系统利用了单片机系统价格低、功能强、抗干扰能力好的特点组建适用于分布式现场的下位机，即智能仪表[4]，同时也结合了PC丰富的软硬件资源，实现管理、控制功能强大，非常友好的用户界面。 在这种类型的应用系统中，稳定可靠、方便快捷的数据通讯是实现系统功能和控制的基础和保障，因此，根据系统的实际应用环境和特点，选择合适的通讯接口和通讯协议就显得十分重要了。 RS485是工业界使用最为广泛的双向、平衡传输线标准接口[5]，以半双工方式通讯，支持多点连接，允许创建多达32个节点的网络，利用某些驱动器模块可使节点增至128个，传输距离远，最大传输距离为1200m，传输更远的距离可加中继器，传输速度快，1200m时，传输速度为100kbit/s，实际上，利用RS485接口构成的网络是只有物理层协议的现场总线网络，上层协议可自定义，比较灵活。最主要的是RS485总线型网络的组建费用相对于FF、PROFIBUS、CAN等真正的现场总线网络来说，不管从硬件成本还是软件成本都低得多，这也是RS485总线型网络在当今很多领域流行的主要原因之一。 结合本课题的成本和功能的实际需要，我们采用了RS485通讯接口来组建此农业温室分布式测控系统。 3 温室分布式系统结构组成 温室计算机分布式测控系统由两级组成：一级是位于控制室中的上位机系统：二级是位于各个温室中的现场控制器系统。上位机系统主要有控制计算机、数据采集卡、通信转换卡、和交流参数稳压源组成，主要完成参数设定、数据统一显示、数据保存和数据查询等功能。二级系统有现场智能仪表、手动控制器、执行机构和温度、湿度、光照度、土壤湿度，二氧化碳，PH值，EC值传感器组成，主要完成控制功能的执行和数据采集等功能。 其中，智能仪表的主要功能是实现现场传感器信号的采集，以及在内部存储的设定优化控制算法的基础上实施对执行机构的智能控制。系统结构基本框图如图1所示： 图1 系统结构图 4 农业温室测控系统中的数据采集和管理 温室分布式测控系统的软件包括两部分，位于现场的以单片机为核心的智能仪表监控管理程序，利用汇编语言编制，主要侧重于现场过程或对象的控制；上位计算机利用可视化语言Visual Basic 6.0编制，重点放在对各下位智能仪表的节点管理和控制的协调上，一般情况下，并不直接参与控制。这两部分软件有些功能相似，某些参数既可以在智能仪表的面板上设置，也可在上位计算机的集成管理软件上设置，如温湿度设定值，上下限报警值等。两种可各自独立操作和运行，并不依赖于对方，这样才能作到整个测控系统功能的真正分布，也增强了系统的冗余性和容错性。 设置上位计算机的必要性是： ①自动保存历史数据，以供科学研究。 ②提供友好的用户观测界面，操作方便。 ③对于下一步连栋温室大棚自动控制提供接口。 上位机系统管理软件，是必备的用于生产操作和监视的控制软件包，其主要功能为： 图2 数据显示界面 （1）实时数据采集。采集现场的实时数据送入上位计算机，并以数值和实时曲线的形式显示数据，并置入实时数据库中保存。 （2）报警监视。根据生产过程的测量值变化，对信号越限进行相应的报警处理，如声光报警等。 （3）运行参数的画面显示。带有实时数据的流程图、棒图，历史趋势显示等。 （4）报表输出。完成生产报表的打印输出。 （5）参数的修改。实现操作人员对生产过程的人工干预，如修改给定值、控制参数和报警限等。 （6）历史数据库查询和历史曲线的绘制。 本测控软件的开发平台采用的是windows2000或windowsXP操作系统，开发环境采用的是可视化语言Visual Basic6.0。此测控系统中，实时数据的采集采用了Visual Basic6.0自带的一个ActiveX控件—MSComm控件，通过此控件实现串行通讯。因为是与时间有关的测控系统，所以还用到一个标准控件—Timer，本系统对实时数据主要实现了采集、显示和存储的功能，其中显示有两种形式：数值显示和实时曲线的绘制。如图2所示。数据存储是使用Microsoft jet 4.0引擎方式将数据存入Microsoft Access ss = "@" & "01" & "RD" crc = xordata(ss2) MSComm1.Output = ss2 & crc & Chr(13) Sleep (1000) 接受全部实时数据 jieshou: ss = MSComm1.Input ss是ACSII码形式的字符串，数据的PV测量值、SV设定值和PID控制输出值可以从此字符串中通过相应的子程序转换模块分离出来并转换成十进制形式，用于在文本框中显示，存入数组中绘制实时曲线，并存入实时数据库中。最后结果运行界面显示如图2所示。 5 结束语 从以上构建的系统可以看出，利用RS485总线在windows2000或windowsXP操作系统下组建的农业温室分布式测控系统，实现了上位主控PC机与下位智能仪表的数据通讯，实现了对各仪表的计算机集成智能控制。目前，这种基于PC的小型分布式网络监控系统，对于规模不太大的项目非常适合，性能价格比较高，在某些领域中已经取得了非常好的经济价值。有利于推进我国的农业现代化和工业现代化的进程。 参考文献： [1] 方瑞华. 我国设施农业的现状和发展方向 [J]. 江苏理工大学学报,1998(4):53-57 [2] 龙庆华. 智能温室计算机自动监控系统 [J].华南师范大学学报,2002(1):5-8 [3] 王常力,罗安. 集散型控制系统的选型与应用 [M].北京：清华大学出版社，1996.6. [4] 徐爱均. 智能化测量控制仪表原理与设计 [M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2002.6 [5] 曹保根. 一主从式RS485应用系统的设计与调试 [J]. 电子技术, 2000(2): 44-46 Real-time data processing reaserch on distributed control system of agricultural greenhouse YANG Su-mei1，YANG Peng2，SUN Ying2 （1．School of Computer Science and Software Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，china; 2．School of Electrical Engineering and automation ，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，china） Abstract：A distributed control system based on RS485 bus is mainly introduced that applys in agriculture greenhouse, it can integratedly control and mange field nodes that are intelligent instruments . In this paper, the problem on how to process real-time data of the distributed control system in agriculture greenhouse by visual universal computer language Visual Basic6.0 in windows2000 and windowsXP operating system is stressly expatiated. Key words：installation agriculture; intelligent greenhouse; distributed system; RS485 bus; intelligent instrument