基于電力載波技術(shù)的新型農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)設(shè)計

王繼昕 劉志東 王浩名 趙禹皓 馬劍客

摘要：PLC-IoT（電力線載波通訊技術(shù)）作為一種物聯(lián)網(wǎng)的電力信息采集系統(tǒng)通信方式，電力線通信技術(shù)與其他相比具有無可比擬的方便，經(jīng)濟性，可靠性，免維護，即插即用等優(yōu)點。總線技術(shù)在通信節(jié)點少的情況下具有較高的穩(wěn)定性和實用性，但在通信節(jié)點多的情況下卻難以發(fā)揮作用，存在成本高、布線難等問題。因此，該文主要介紹了電力線載波通信技術(shù)在智能農(nóng)業(yè)大棚領(lǐng)域應用的相關(guān)原理及在智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)中的典型應用，并分析了如何將電力線載波通信技術(shù)恰當?shù)貞玫浆F(xiàn)代農(nóng)業(yè)實踐中，利用現(xiàn)有的配電電路作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，解決總線技術(shù)帶來的復雜布線問題和成本問題。這將對我國智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展起到?jīng)Q定性作用。

關(guān)鍵詞：電力線載波通訊技術(shù);信息采集;智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)

中圖分類號：TP311? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）06-0114-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 概述

1.1 研究背景及意義

我國是世界第一人口大國，積累了上下五千年的農(nóng)耕文化，已然成為世界第一農(nóng)業(yè)大國。在智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)中不斷完善創(chuàng)新，大膽開拓新型實用型項目，是人們追求的目標。目前我國智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)是將各種先進技術(shù)手段和工具巧妙地結(jié)合，充分體現(xiàn)了植物種植過程的智能化、全方位工業(yè)化、精度和自動化，是各學科技術(shù)的高度融合的生產(chǎn)方式，也是推動我國未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要方式[1]。

智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)在我國范圍內(nèi)基本上是一些以LED為光源的植物光控栽培系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、育種系統(tǒng)等[2]。而一些大型的農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)則是高度集成化的智能生態(tài)系統(tǒng)，其中運用了大量的信息采集設(shè)施和其相應的控制設(shè)施，如：土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度、營養(yǎng)液濃度以及Ph值等。

當然，各種類型的農(nóng)業(yè)大棚都離不開一個用來連接所有設(shè)備的可靠的通訊網(wǎng)絡(luò)。通訊網(wǎng)絡(luò)也作為農(nóng)業(yè)大鵬的一個核心要素，必須能夠滿足系統(tǒng)中大量設(shè)備與控制器的接入和多個設(shè)備間的高效通訊，尤其是需要立即響應的控制設(shè)備，其信息之間的相互傳輸也需要保證絕對嚴格的時延要求[3]。

1.2 電力線載波通訊技術(shù)研究現(xiàn)狀

電力線載波技術(shù)被學術(shù)領(lǐng)域不斷開發(fā)使用，現(xiàn)已在諸如高速寬帶電力線網(wǎng)絡(luò)、智能家居、大型自動化控制網(wǎng)絡(luò)和電力系統(tǒng)以及智能電網(wǎng)等一系列學術(shù)研究領(lǐng)域中創(chuàng)造著重要成就[4]。

電力線載波通訊技術(shù)分為寬帶PLC和窄帶PLC。寬帶PLC正在向超高速、大容量發(fā)展，家庭用戶只要安裝電力線適配器，就可以利用電力線進行電話、互聯(lián)網(wǎng)等服務。窄帶PLC可以提供幾Kbps的傳輸速度和一公里的最遠傳輸距離。窄帶PLC主要應用于電網(wǎng)管理、遠程抄表、自動化控制等領(lǐng)域。

1.3 電力線載波通訊技術(shù)優(yōu)勢

（1） 無線技術(shù)和電力線載波通訊技術(shù)對比

目前的無線技術(shù)主要涵蓋了諸如：802.11b、HomeRF、ZIGBEE、藍牙等。電力線載波通訊技術(shù)與無線技術(shù)相比，同樣需要布線，但實際在大型智慧大棚農(nóng)業(yè)系統(tǒng)應用中，大棚內(nèi)的鋼筋混凝土，空氣的溫濕度都會對無線信號形成嚴重的干涉，特別是節(jié)點分布密度較高時，互相干涉性也是一個嚴重的問題。

（2） 現(xiàn)場總線技術(shù)和電力線載波通訊技術(shù)對比

現(xiàn)場總線技術(shù)作為工業(yè)技術(shù)，經(jīng)歷了十幾年的高速成長。在工廠、建筑、汽車等應用領(lǐng)域發(fā)揮著強大的生命力。那么電力線載波通信技術(shù)與現(xiàn)場總線技術(shù)相比，需要考慮到的布線問題相比之下較為煩瑣，這是一個關(guān)鍵問題，尤其是應用于大規(guī)模領(lǐng)域。而傳統(tǒng)的通電網(wǎng)絡(luò)是電力線載波通信技術(shù)所使用的，并且不需要布線。不僅解決了工業(yè)總線技術(shù)的復雜布線問題，而且大幅降低了網(wǎng)絡(luò)成本[5]。

2 智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)的研究

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本項目涉及智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)可以對農(nóng)業(yè)大棚中的室內(nèi)溫度、室內(nèi)濕度、室內(nèi)光照強度等數(shù)據(jù)進行采集處理。信號發(fā)送模塊直接向電力線發(fā)送信號，接收模塊檢測電力線上的信號并進行處理，將處理得到的正確信號串聯(lián)發(fā)送到上位機，數(shù)據(jù)通過實時檢測軟件保存。圖1為系統(tǒng)的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)。

2.2 電力線載波通訊技術(shù)設(shè)計

C語言操作簡便，靈活，緊湊，數(shù)據(jù)處理能力強，可移植，因此所有軟件程序都采用C語言編寫。設(shè)計軟件流程圖后，分析該系統(tǒng)的功能。在keil c51開發(fā)環(huán)境下，實現(xiàn)程序編寫和解碼、實現(xiàn)向單芯片系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)、收集和處理信號、電力線載波通信接收和發(fā)送等一系列功能。

2.3 電力線載波系統(tǒng)模塊設(shè)計

本項目涉及的電力線載波系統(tǒng)完全采用了模塊化設(shè)計原理。以提高開發(fā)效率，減少開發(fā)難度。這樣不僅有利于后期開發(fā)的移植，還減輕了系統(tǒng)更新和優(yōu)化的困難。電力線載波系統(tǒng)主要由單片機最小系統(tǒng)、信號收集及處理模塊、led模塊、電力載波通信模塊等組成。

系統(tǒng)從單片機最小系統(tǒng)經(jīng)過信號處理與采集后得到的信號數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)過濾處理后，led模塊來進行控制，對載波收發(fā)電路以主要節(jié)點數(shù)據(jù)傳送，主要通過節(jié)點的通信模塊。

3 結(jié)論

該研究通過對無線技術(shù)、系統(tǒng)總線技術(shù)與電力線載波通訊技術(shù)的優(yōu)劣勢分析得出最優(yōu)通訊技術(shù)，電力線載波技術(shù)避免了復雜走線問題并大大降低了使用成本。合理利用PLC-IOT傳輸穩(wěn)定、傳輸距離遠、即插即用、高效傳輸數(shù)據(jù)等鮮明技術(shù)優(yōu)勢。電力線載波通訊必然成為地區(qū)網(wǎng)、省區(qū)網(wǎng)乃至網(wǎng)居網(wǎng)等應用區(qū)域中最廣泛的通訊方式，從理論研究到實際運行都取得了驚人的成就。

運用了諸如：電子信息，微機原理及系統(tǒng)，電力線載波技術(shù)，溫濕度傳感器采納技術(shù)等諸多實用新型科學技術(shù)。完成了基于PLC-IOT的智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)的研究。本項目由通訊模塊、顯示模塊、電力載波系統(tǒng)模塊以及單片機最小系統(tǒng)組成，而其中最為重要的就是單片機最小系統(tǒng)，它是數(shù)據(jù)處理模塊和控制及信號處理的一系列功能模塊，可以實現(xiàn)光照強度收集、室內(nèi)的溫度濕度以及處理數(shù)據(jù)等。實現(xiàn)載波模塊的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送功能，led模塊實時顯示數(shù)據(jù)，通信模塊和上層計算機共同實現(xiàn)串行通信。

參考文獻：

[1] 劉崢，渠海鵬，魏志明，等.基于PLC和組態(tài)技術(shù)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室控制系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)家參謀，2018（9）：45.

[2] 高尚，陳景波.智能溫室控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2015（4）：13-14.

[3] 狄敬國，李秀美.基于PLC、變頻器和觸摸屏技術(shù)的溫室大棚控制系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)，2012，38（5）：39-41.

[4] 林益宏，賴亦環(huán).基于PLC的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的研究應用[J].電子世界，2018（13）：161，163.

[5] 王婷.基于PLC的智能農(nóng)業(yè)現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計分析[J].南方農(nóng)業(yè)，2020，14（27）：198-199.

【通聯(lián)編輯：梁書】