線上控制系統

線上控制系統是指一次採集多個數據, 使用多路開關進行路選通, 再將採集到的如溫度、濕度、壓力、流量、液位、成份、速度等模擬量轉換為數字量, 將轉換後的量輸入單片機系統,進行實際的控制操作或輸出。

基本介紹

• 中文名：線上控制系統
• 外文名：online controlling system
• 定義：將模擬量轉化輸入後進行實際操作
• 研究核心：線上檢測控制、plc、自動控制等
• 主要套用：溫室線上控制、連續加熱器控制等
• 套用學科：控制科學、電器科學、計算機科學

簡介

定義

線上控制一次要採集多個數據， 需要多路開關進行路選通， 再將採集到的如溫度、濕度、壓力、流量、液位、成份、速度等模擬量轉換為數字量， 將轉換後的量輸入單片機系統，進行實際的控制操作或輸出。用於測量的線上控制系統原理圖如圖。

單片機線上控制系統一般模式

系統研製過程

單片機線上控制系統大約分為確定任務、總體設計、硬體設計、軟體設計、系統調試等幾步。在這些過程中， 分別確定了系統的服務方向， 由合適的性能/ 價格比選定使用的機型、晶片、編寫程式， 最後在實際的工作環境中進行程式的設計。

套用系統研製過程

溫室線上控制系統

研究概況

我國對於溫室控制技術的研究較晚，始於20世紀80年代，該技術僅限於溫度、濕度和CO²濃度等單項環境因子的控制。由於我國農業現代化水平較低，溫室的一次性投資大，資金短缺以及對操作人員的素質要求比較高等因素，限制了溫室控制技術在溫室系統的發展。從溫室控制技術的發展狀況來看，大致經歷了手動控制、自動控制、智慧型化控制3個發展階段。

溫室線上控制系統的設計不僅要符合國家相關標準及規定，而且要充分了解不同感測器的工作原理及組合方式，從而選擇合適的感測器及控制器。溫室環境控制系統需要最佳化布置溫室內的感測器位置，使獲得的信息能準確地反映溫室內的狀況，白天使植物獲得最大的光合速率，夜間在滿足植物生長和積溫要求的前提下使溫室在能耗最小的狀態下運行，提高溫室環境的控制效果和減少調控所需的能源消耗。將多種控制算法交叉與融合的混合控制算法套用到現代溫室環境智慧型控制中，探索新型溫室內環境和生物信息的獲取方法，開展溫室內小氣候模擬和實驗研究，建立基於模型的溫室加溫控制目標計算機最佳化系統，為實現溫室內作物生理指標的智慧型控制、智慧型控制系統硬體配置及結構最佳化提供了理論依據。

基於單片機的溫室線上控制

目前，溫室控制器的結構主要是以單片機為主控制系統，採用8位CPU，從數據採樣到算法控制都是由單片機完成的，其拓撲結構為集中式控制方式，典型結構如圖所示。

單片機控制系統結構圖

以單片機為控制器的農業設施環境數位化監控系統可實現相應的軟硬體配套方案，軟體還具有利用市話網進行數據傳輸、遠程監控的功能、自動巡迴檢測溫室的溫度、濕度及光照等參數，可實現溫室多點參數監測且具有報警、控制及數據列印輸出功能和自動控制功能。

基於PLC的溫室線上控制

溫室控制系統中的PLC主要用於動態、實時監測室內外環境因子的變化，根據作物生長的要求對參數進行匹配，同時完成與上位機的通信。但是由於工業控制器價格較高，廣泛用於溫室控制系統還受到限制基於PLC的溫室控制系統是由上位機、PLC、數據採集單元及執行機構組成，其結構如圖所示。

PLC溫室控制系統圖

基於PLC的溫室線上控制通過分析溫室執行機構的相應動作對環境因子的影響，將可程式控制技術、變頻技術、組態監控技術和感測器技術套用於溫室控制系統的設計，並通過程式對採集到的各參數與設定的控制目標進行比較判斷，判斷結果通過可編成控制器的輸出繼電器轉化為對執行設備的控制，從而實現溫室溫度的自動控制，並通過先進的現場匯流排技術實現多台PLC、多個溫室的網路化分散式控制，實現大型連棟溫室集群控制。

基於網路技術的溫室線上控制

近年來，隨著無線通信技術的高速發展，遙感與地理信息系統(GIS)技術也成功地套用於作物長勢、種植面積、產量、災害、水土流失等方面的監測，尤其是從點對點傳輸的紅外技術，到短距離的藍牙技術、小型化、模組化、無線手持式、單點對多點個人區域網路，以及長距離的GPRS、GSM、CDMA等，通過遠程信息採集與監控技術，可以把分散的農業設施連成統一的整體。如何快速、有效採集和更新影響作物生長環境的空間變數信息，成為實現精準農業的重要基礎。

丁為民等人採用網路控制系統結構和模糊控制技術使系統具有擴展容易、魯棒性強的特點，有效地解決了溫室環境參數變化規律隨大氣環境變化這一時變系統的控制問題。SMS(Short Message Service)方式是基於GSM移動通訊網路，把採集到的地塊信息就地存儲為數據交換檔案，然後通過相應數據接口導入到監測更新服務中心。于海業等人詳細闡述了基於Internet溫室環境控制系統軟、硬體組成和工作原理，指出了如網路控制器的模組化、標準化、多種作物生長發育適宜環境參數的溫室生產智慧型管理的軟硬體平台、專家系統的研究開發、通訊技術、遠程精確控制技術的開發研究等需要解決的關鍵技術問題。劉士光等人設計了具有層次發散鏈式結構和主從工作模式的控制系統，還分別介紹了在主從控制結構中以功能強大的新型單片機C8151F005為核心的溫室測控儀表的組成和設計方法以及作為主機的工控機的接口電路和控制軟體的設計方法。

基於CAN匯流排的溫室線上控制

目前CAN匯流排在工業控制中已得到廣泛套用，如工業自動化、環境控制設備、交通工具等領域。由於CAN匯流排具有通信速率高、可靠性高、連線方便和性價比高等諸多特點，但是CAN匯流排在農業環境中的套用還非常少。溫室是一個複雜的控制系統，要完成複雜的集中控制模式有一定的難度，而CAN匯流排的出現恰好解決了這個問題。CAN匯流排是一種有效支持分散式控制和實時控制的串列通信網路的匯流排，基本的CAN匯流排控制系統方案如圖所示。

CAN匯流排控制系統圖

存在問題

隨著控制系統硬體、軟體的不斷改進，對輸入到控制系統的信息的準確性提出了越來越高的要求。輸入到控制系統的信息的準確性主要由感測器的精度、感測器在溫室內的布點位置、數據的處理方法有關。感測器的精度主要由感測器本身決定，數據的處理方法可以借鑑已有的成熟的數學算法，關鍵的問題就在感測器在溫室內的布點位置和複雜的數據信息處理。

發展趨勢

在設施農業中，溫室內的環境調控技術已經有了很好的基礎，一些新型的控制系統的設計和控制算法能滿足基本要求。將計算機和溫室控制網組成有線網路和無線網路系統，使有關人員及時了解溫室內環境參數的情況，及時做出決策，可以組織國內外專家對小氣候環境因子進行遠程精確會診，提出最適宜溫室植物生長的環境。統一匯流排和控制硬體系統標準，只有這樣才能實現溫室環境調控的智慧型化、網路化。研究生物信息獲取方法，充分利用計算機技術的優勢，又充分發揮農業專家在農業生產中的指導作用，使系統的調控非常方便、有效。如何將模糊控制算法、遺傳算法、神經網路控制算法、專家系統控制算法等新技術進行融合，提高控制系統的精度和效率，將是未來溫室線上控制系統的發展方向。

水聲通信線上控制系統

遠程控制系統設計

傳統的水聲通信機設定都是依靠本地設定為主，通過數據線與電腦相連，進行與通信相關的設定。但是這樣的方式從在很多問題，比如水聲通信機在水池安裝，如果要多次進行數據傳輸，則每次需到現場進行配置，造成了人力資源的浪費和配置效率的低下。遠程控制系統主要完成對水聲通信機的遠程配置及通信過程中的數據監測和記錄等功能。控制系統主要由水聲通信機、串口伺服器、無線路由設備、客戶端控制系統四個部分組成。

系統硬體組成

遠程線上控制系統的硬體組成中，水聲通信機和串口伺服器是兩個極為重要的組成部分。為滿足控制系統的實驗需求，選用的通信機具有先進的混合調製方案、信道均衡用於抵制多路徑干擾、高效的誤差糾錯編碼，並且能夠自動速率適配，適應水平和垂直工作環境。串口伺服器是一種連線串口通信設備的連線設備，能夠提供簡單方便的聯網方式，不但可以保證現有的硬體資源，更確保未來網路的擴充可能性。串口伺服器是水聲通信控制系統的關鍵設備，它是連線客戶端和通信機的媒介，完成通信機到客戶端計算機的數據傳輸，並且支持RealCom、TCP Sever、TCP client、UDP等模式，滿足客戶端對於串口通信的模式要求。

如圖所示，當遠程控制系統開始工作時，客戶端計算機通過串口伺服器對通信機傳送命令，串口伺服器通過串口對通信機1及通信機2實現操作。通信機1接受來自客戶端的命令，通信機1立即對客戶端命令做出反應，採集相關數據信息並傳遞給通信機2，通信機2收到來自於通信機1的信息，並通過串口反饋給串口伺服器，串口伺服器將數據直接反饋給客戶端，從而在客戶端上實現對水聲通信機的遠程控制。由於客戶端實現了遠程無線控制，所以極大地拓寬了控制的區域，解決了有線配置帶來的弊端，大大提高了對水聲通信機的配置效率。

水聲通信遠程線上控制系統硬體連線圖

系統軟體設計

水聲通信遠程線上控制系統主要完成對水聲通信機的配置，傳輸過程中的數據監測和記錄。以一台串口伺服器和兩台水聲通信機為硬體平台，綜合設計開發的控制系統軟體進行調試。其主要由連線埠設定模組、數據監測模組、終端控制模組、狀態信息模組4個部分組成。