基于web的远程农业灌溉信息化管理系统研究与应用文档格式.docx
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作者简介:
王永涛(1986-),男,陕西汉中,硕士,主要从事自动控制、信息化应用等研究工作。
图1系统组成框图
Figure1Blockdiagramofthesystem
2.1主要部件选型
2.1.1DTU模块的选型
DTU模块选用灵旗通无线远程测控终端(GPRSRTU)LQ2883,它集成了模拟信号采集、数字信号采集、继电器控制输出和无线数据通信于一体的高性能测控装置。
可以直接接入标准变送器输出的模拟信号、各种电平信号、干触点、脉冲信号等,可作为工业Modbus-RTU协议的主站连接各种Modbus-RTU协议的仪表设备,是小规模过程信号实施无线测控的最佳手段。
图2为DTU模块外形图。
图2DTU模块外形图
Figure2AppearancefigureoftheDTUmodule
2.1.2土壤温湿度传感器的选型
TDR-5土壤温湿度传感器是将土壤水分和土壤温度传感器整合于一体,方便土壤墒情,土壤温度的测量研究,具有携带方便,密封性好,高精度等优点,是土壤墒情,土壤温度测量的理想选择。
土壤水分采用国际先进的频域反射原理设计,土壤温度采用德国Heraeus公司进口A级ST-1-PT1000精密铂电阻,传感器内置信号采样及放大、温度补偿功能,由电源模块、温度传感模块、变送模块、温度补偿模块及数据处理模块等组成。
图3为土壤温湿度外形图。
图3土壤温湿度外形图
Figure3Appearancefigureofthesoiltemperatureandhumidity
2.1.3变频器的选型
根据流体力学相似理论,在转速控制时,流量Q,扬程H,轴功率P,转速N之间的关系如下:
(1)
电机转速与输入频率的关系为:
(2)
式中:
n—电机转速rp/m;
f—频率Hz;
s—滑差率;
P—极对数。
水泵的负载性质是平方递减转矩型,有下列关系:
水泵的流量Q与转速n成正比;
扬程H与转速n的三次方成正比;
电动机的转速n与电源频率F成正比.因此改变电动机电源频率,可改变电机即水泵的转速,从而达到调节给水流量和水泵的扬程的目的.
设定系统为5KW,选择Goodrive200变频器。
它以DSP控制系统为平台,采用矢量化的V/f控制技术,并配合多种保护模式,可应用于异步电机,提供优越的驱动性能。
具有准确的电机参数自学习,良好的电压、电流控制,有效减少变频器的故障和波动护次数[7]。
表2.1为变频器参数表,图4为变频器连接图。
表2.1变频器参数表
Table2.1ParametersoftheInverter
端子种类
数量
特点
开关量输入
8路
最大输入频率:
1kHz,兼容NPN和PNP两种类型输入
高速脉冲输入
1路
50kHz,兼容NPN和PNP两种类型输入
模拟量输入
3路
0~10V,0~20mA,-10V~+10V
开关量输出
最大输出频率:
1kHz
高速脉冲输出
50kHz
模拟量输出
2路
0~10V,0~20mA
继电器输出
3A/250VAC,1A/30VDC,常开+常闭
图4变频器连接示意图
Figure4ConnectiondiagramoftheInverter
2.2灌溉区现场控制级太阳能配置
2.2.1系统典型功耗测量
系统灌溉区现场控制级的用电负载有电磁阀、土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器、雨量传感器、风速传感器、管道流量计、DTU无线模块。
设计时,选取消耗能量相对较高土壤温湿度传感器和空气温湿度传感器部分,具有代表性。
其中脉冲电磁阀采用12V供电、湿度传感器全部采用12V供电,DTU无线模块采用5V供电,表2.2为灌溉区现场控制级的功率消耗,各器件都以最大电流消耗值为标准,综合计算:
一块下位机的能量消耗约为:
电流约为250MA,功率消耗为1.6W。
表2.2现场控制级各器件功耗
Table2.2Powerconsumptionofthedeviceinthefieldcontrollevel
器件名称
工作电压
最大电流消耗
功率消耗
空气温湿度传感器
12V
30MA
360MW
1
土壤温湿度传感器
20MA
240MW
DTU无线模块
5V
200MA
1W
2.2.2供电系统各参数计算
(1)太阳能电池板的选择
1)根据本地气象条件,最长的阴雨天设定为7d,核查光照条件,7个阴雨天后一般是3个晴天。
太阳能年平均日照小时数,取4.5H。
2)太阳能电池板功率的确定
Ps=(P×
H×
N1)/(
×
T2)=66.37W,取70W
(3)
P一太阳能用电负载,取1.6W;
H一负载每天工作小时数,取24小时:
N1一最长连续阴雨天数,取7天。
即系统能在没有太阳的情况下持续工作7天;
一安全系数。
包括充放电效率,电池组件组合损失修正系数,灰尘遮挡系数等的综合系数,取0.9;
T2一太阳能年平均日照小时数,取4.5H。
3)太阳能电池板参数
单晶硅电池具有电池转换效率高,稳定性好,成本相对较高。
结合计算,本系统中选择了单晶硅70W太阳能电池板,将太阳辐射能源直接转换成直流电能,经由控制器存贮于蓄电池内储能备用,供负载使用。
在标准光照(AM1.5,1000W/㎡)辐照度,25℃的环境温度下,参数如表2.3所示,图5为70W太阳能电池板外形图[8]。
表2.3太阳能电池板参数
Table2.3Parametersofthesolarbatteryboard
型号
光合单晶70W
电池元件类型
单晶
峰值功率
70Wp
峰值电压
17.2V
峰值电流
1.17A
短路电流
1.62A
开路电压
21.6V
最大系统电压
750V
重量
2.45kg
尺寸(MM)
300X540X30
图570W太阳能电池板外形图
Figure5Appearancefigureofthe70Wsolarpanel
(2)蓄电池的选择
根据行业通用计算太阳能蓄电池容量的公式:
蓄电池容量:
Bc=AQ×
N1×
D/C=57.75AH,取60AH
(4)
A—安全系数,取1.1~1.5之间;
Q—负载平均耗电量,工作电流乘以日工作小时数,即Q=250MA×
24H=6AH:
N1—最长连续阴雨天数,取7d;
D—修正系数。
一般工作环境在0℃时取1;
10℃以上时取1.1;
-10℃以下时取1.2;
C一蓄电池放电深度,全密闭免维护铅酸蓄电池取为0.8,碱性镍镉蓄电池取为0.85。
考虑到使用太阳能的特点及系统的工作重要性,采用密闭免维护铅酸蓄电池15AH,12V。
图6为60AH全封闭免维护铅酸蓄电池外形图。
图660AH全密闭免维护铅酸蓄电池外形图
Figure6Appearancefigureofthe60AHfullysealedmaintenance-freelead-acidbattery
(3)控制器的参数
CY—B1参数见表2.4,所选的控制器能够满足安要求。
图7为12V5A控制器外形图。
表2.412V5A太阳能充电控制器参数
Table2.4Parametersofthe12V5Asolarchargecontroller
type
CY-B1
workvoltage
ratedloadcurrent
5A
图712V5A控制器外形图
Figure7Appearanceofthe12V5Acontroller
3组态王与GPRSRTU通讯
随着移动推出GPRS无线数据传输以来,GPRS的通信速度快、通信费用低、组网灵活等优点,越来越被广大客户看好。
GPRS数传终端,具有TCP/IP协议转换功能不需要用户提供TCP/IP的支持。
可适用于所有带串口的终端设备,通过GPRS网络平台实现数据信息的无线和透明传输,为不具备TCP/IP协议处理的终端设备提供了GPRS通信的能力。
GPRSRTU通过GPRS无线网络将数据包发往远程电脑上配套的测控中心软件。
测控中心软件将数据包整理成Modbus-RTU协议的格式,通过电脑上的串口(或虚拟串口)发给组态软件(或其他应用软件)使用。
测控中心软件与组态软件的通信采用通过串口的方式。
若要将测控中心软件与组态软件安装在同一台电脑上,则该台电脑上须有两个硬件串口(或两个虚拟串口),以便测控中心软件和组态软件各占用一个串口进行通信。
要在同一台电脑上实现两个虚拟串口,本文采用虚拟串口软件(如VirtualSerialPortDriver6.0),来增加增加一对可以互相通信的虚拟串口COM2和COM3。
本协议遵循Modbus-RTU协议标准,组态软件作为客户机(主站)发送读/写命令帧,测控中心软件作为服务器(从站)发送应答帧。
由于测控中心的软件可以连接多台GPRSRTU终端,而每台GPRSRTU终端的RS485接口也可连接多台外接设备,所以测控中心与GPRSRTU终端是一对多的关系,而GPRSRTU终端与外接设备也是一对多的关系。
通过对地址码(1-247)分段来确定操作的是GPRSRTU终端还是终端外接的设备,本协议将(1-200)的地址码作为终端的地址码,将(201-247)的地址码作为终端RS485口外接设备的地址码。
在对外接设备进行读写指令时须先指定是要操作哪台GPRSRTU终端的外接设备,这个是通过先发送GPRSRTU终端操作指令(地址码在1-200)来确定当前操作的是哪台终端,然后才再发送外接设备的操作指令(地址码在201-247)。
GPRSRTU终端根据型号不同,含有不同路数的模拟量输入,开关量输入,继电器输出和扩展模块(如1个温度传感器)。
测控中心软件可同时与多个终端连接。
基本的通讯字节数据格式是:
1个起始位,8位数据,低位在前,无奇偶校验位,1个停止位。
默认串口设置为:
波特率9600bps,无奇偶校验,8个数据位,1个停止位。
即:
9600,N,8,1。
若要采用其他串口参数可在配套的测控中心软件中设置。
4端口映射与动态域名
4.1端口映射
DTU模块只能于处于公网IP的数据中心服务器相互通信,而用户所在的数据中心服务器,一般是通过路由器与公网IP相连接,处于局域网内,是无法与处于公网的DTU模块直接通信,须利用端口映射技术来实现。
本文主要是通过路由器来实现端口映射的。
路由器所获得的公网IP是60.212.57.124。
数
据监控中心服务器所在局域网IP为:
192.168.3.11。
在路由器的转发规则下,使用虚拟服务器进行端口映射,当在路由器上做好端口映射后,也就定义了广域网服务器端口与局域网网络服务器之间的映射关系,所有对广域网服务端口的访问将会被重新定位给通过IP地址指定的局域网网络服务器。
则GPRS网络所有发向8080端口的数据,都将转发到数据监控中心服务器192.168.3.11上。
同理数据监控中心服务器192.168.3.11也可以将数据发送到公网的计算机60.212.57.124上去。
4.2动态域名与花生壳软件的应用
在一般的应用中,用户很少有固定或专线接入GPRS网络,当数据中心服务器采用ADSL直接拨号上网,获取的是公网的动态IP;
GPRS网络须使用固定IP传输数据。
故此条件下,要实现GPRS与数据中心服务器互联,须采用动态域名解析技术实现。
目前,公网动态IP须大多数是通过“花生壳”软件实现IP地址的固定。
它是完全免费的动态域名解析服务客户端软件。
花生壳动态域名解析体系是全球用户量最多的动态域名服务体系,Oray根据服务使用群体与应用范围进行动态域名服务体系区分,并为不同级别用户提供多种增值服务:
指定登陆花生壳服务器的源端口(SourcePort)、支持多网卡用户指定网卡接入INTERNET、支持多种不同运行商服务线路选择、动态解析服务监控以及保持IP。
当用户下载并成功安装动态域名客户端,然后凭您已注册的Oray护照成功登录,那么护照下所有激活花生壳服务的域名将与机器的公网IP绑定。
您可以利用花生壳动态域名建立主机的远程接入应用,让互联网用户随时随地都可以通过域名找到您的机器的网络地址[1]。
5上位机组态软件开发
系统上位机主要由网络状况良好的PC机组成,PC机需运行测控中心软件、组态王6.55等组成。
组态王6.55是国内主流的监控组态软件,是数据采集与过程控制的专用软件。
它具有丰富的人机界面、可视化的操作界面、丰富的图库、简单实用、强大的网络通讯能力、画面刷新能力和脚本执行性能。
同时它还具备实时数据、历史数据、报警数据、安全用户、变量对象、设备对象、用户对象等配置接口。
具有良好的可维护性和可定制性。
可以支持200个以上的客户端同时访问。
提供了大量的图形元素和图库精灵,用户可根据需要,自己创建图库精灵。
历史曲线、报表和Web发布功能等功能进一步提高,软件的稳定性强[9]。
6组态王ForInternet应用
随着Internet科技日益渗透到生活、生产的各个领域,传统自动化软件的e趋势已发展成为整合IT与工业自动化的关键。
组态王提供了web全新版,web全新版基于ActiveX技术,采用B/S结构,客户可以随时随地通过Internet/Intranet实现远程监控。
客户端有着强大的自主功能,Internet/Intranet网络上的任何一台PC机都可以通过IE浏览器浏览工业现场的实时画面,监控各种工业数据,实现了对客户信息服务的动态性、实时性和交互性。
全新版的web发布可以实现画面发布,数据发布和OCX控件发布,同时保留了组态王web的所有功能:
IE浏览客户端可以获得与组态王运行系统相同的监控画面,IE客户端与web服务器保持高效的数据同步,通过网络您可以在任何地方获得与web服务器上相同的画面和数据显示、报表显示、报警显示等,同时可以方便快捷的向工业现场发布控制命令,实现实时控制的功能[10]。
图8为WEB发布画面的过程图。
图8WEB发布画面
Figure8ImageoftheWEBpublishing
7、系统测试与应用
系统分手动/自动控制两种模式,当选择手动控制模式时,手动点击1#灌溉区绿色开阀门按钮,阀门打开,1#区开始灌溉。
当管理者想要结束对1#灌溉区作物的灌溉时,只需手动点击1#灌溉区红色关闭阀门按钮。
当选择自动灌溉模式时,管理者在自动控制区,设定好作物名称,以及作物湿度的上、下限值后,系统能够按照设定目标灌溉。
2#区域手动、自动灌溉模式操作方式和1#区相同。
无论是自动灌溉还是手动灌溉,系统均能作出1#、2#灌溉区域土壤湿度实时、历史趋势曲线,并可以超限报警。
在web浏览器输入发布的IP地址,下载画面和数据后,可以在web客户端查看和监控灌溉区域情况。
图9为在web客户端查看的系统实时画面。
图9系统实时画面
Figure9Realtimeimageofthesystem
8、结论
8.1该系统应用组态王6.55开发监控组态画面,具有通讯可靠,画面发布功能强大,画面和数据可同时发布,实现了web远程监控,具有开发容易,操作简单,稳定性高等特点。
8.2管理者预先设定好作物需水限值,系统自动完成无人值守的精确灌溉,和趋势图的绘制,超限报警等功能。
并同步显示当前灌溉区域环境参数,方便对作物需水规律的研究。
管理者可方便对数据增加、删除、修改、保存和打印。
8.3系统灌溉区现场控制级采用太阳能供电,具有节能降耗的特点。
同时选用GPRS作为数据传输方式,突破了地域的限制。
克服了通电布线的不便,具有极大的推广价值。
参考文献
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