物聯網和PLC技術在魚菜共生系統中的應用

鄭廣智，張 珊，郭海濤，仕文鳳，陸啟升，王 魏

（大連海洋大學，遼寧大連 116023）

0 引言

中國物聯網市場規模逐年增大。發展物聯網所需的自動控制、信息傳感、射頻識別等技術和產業都已基本成熟。“中國制造2025”作為工業4.0的中國版，更體現著中國對物聯網的重視[1]。“創新驅動，綠色發展”，對于農業發展而言，不僅要在傳統生產模式上的基礎上進行創新，而且要讓農產品越來越來“綠色”。預計到2022年，中國將成為全球最大的物聯網連接市場，完善的公共網絡也有利于物聯網的應用拓展[2]。在農業方面，物聯網技術涵蓋了農業的方方面面，包括資源利用、環境監測和生產經營等等，都積累了一定的經驗，實現“智慧農業”的發展[3]。中國作為農業大國，農業及其產業鏈非常龐大[4]。2019年，全國糧食總產量達到6638.5億kg，創歷史新高[5]。隨著人口的增加，糧食的需求也在逐漸增大，傳統的農業模式已無法滿足當前社會的需要，建立新型高效低耗的農業生產模式、發展現代化智慧農業一直是中國的重要戰略方針。目前，魚菜共生的發展模式由魚菜直接接觸共存開始，到開環、閉環控制，逐漸引入各種技術模式，不斷完善魚菜共生系統[6]，使其適應我們生活的各個領域。互聯網與智慧農業結合在一起，建設“農業互聯網”。把自動控制理論與生產工藝過程知識有機結合起來，應用計算機技術，運用轉換思想，通過構成某種數學關系來推斷和估計較難測量的變量，以軟件來代替硬件功能。在理論研究上，軟測量建模仍是將來技術的關鍵如何將智能控制的成果移植到軟測量的建模方面并加以發展是我們今后要研究的重點。因此，本文選擇結合桑基魚塘[7]這一生態平衡模式，將物聯網技術與PLC控制技術結合，利用軟測量建模方法，將其在魚菜共生系統中得以運用，使系統變得更加智能化、高效化。物聯網技術與農業系統結合在一起，是智能農業的重要標志。利用物聯網觀測各項指標，可以實現農作物的生長環境智能化控制，提升產能，節約不必要的投入。

1 總體設計方案

基于物聯網技術和PLC技術的魚菜共生系統主要由硬件系統和物聯網云平臺兩部分組成，總體架構圖如圖1所示。

圖1 總體架構圖

硬件結構的設計主要由控制中心、信號采集系統、被控器件和水箱組成。電源電路轉換成匹配的電壓為各單元模塊供電，系統的控制中心模塊(PLC)接收外來的AI信號，傳出DO信號控制采光裝置、加熱裝置、電磁閥和抽水泵的動作。信號采集系統采集現場的信號，轉換為標準信號傳送到控制器，將采集的數據實時反饋給PLC。

物聯網云平臺主要負責信息的采集、存儲、計算、及展示給用戶等，是新型魚菜共生系統的重中之重。物聯網云平臺的搭建主要由CentOS操作系統、MQTT平臺通信協議、IOT通信模塊組成。MQTT協議是一種消息發布與訂閱傳輸協議，廣泛用于系統傳感器和各級制動器（泵、閥門）之間，使設備與設備、云端與設備之間能夠互相進行通信[8-9]；IOT通信模塊支持遠程參數設置，幫助用戶實現遠程實時監測。

物聯網云平臺的搭建可以幫助用戶實時遠程監測系統，通過物聯網收集到的數據超出我們的預設值時則第一時間報警，我們可以在遠程立即操作解決問題。

2 基于物聯網云平臺的魚菜共生系統設計

物聯網云平臺部分由數據采集、控制處理、網絡通訊、公有云、用戶控制五部分組成，流程圖如圖2所示。通過使用傳感器識別，經過數據采集部分，將數據傳輸到控制單元，發送和接收終端的控制信息。公有云平臺與網絡通訊模塊與控制端建立通訊，實時監測當前的數據，控制數據的采集過程。

圖2 物聯網平臺的搭建

2.1 數據采集模塊

本系統的信號采集傳輸模塊采用WTW儀器，使用傳感器探頭，將從傳感器采集到的信號經過相應的轉換，傳送至儀器中心，再由儀器中心將信號轉換為標準電流信號，即4～20 mA電流信號，最后傳送至控制終端PLC。

2.2 控制處理模塊

本系統使用可編程邏輯控制器(PLC)作為控制器，其型號為S7-1500。實際工作時，因為PLC需要持續穩定的24 V直流供電，因此需要將220 V交流電壓需要經過轉換電路，變成穩定的24 V直流電壓，對PLC進行供電。

系統需要保證供電安全，利用空氣開關裝置實現對線路供電分配。PLC輸出的DO信號無法直接控制采光裝置、加熱裝置、電磁閥和抽水泵，采用電磁繼電器進行控制，由PLC輸出的DO信號對電磁閥的線圈進行控制，進而實現對采光、加熱裝置、電磁閥和抽水泵的控制。

2.3 系統軟件模塊設計

2.3.1 PLC軟件組態 組態使用TIA Portal V14軟件，安裝SIMATIC_WinCC_Professional_V14 SP1組件后，對系統進行組態。PLC硬件使用“SIMATIC S7-1500”，控制器使用“6ES7 511-1AK00-0AB0”，PC系統選擇“PC station”。在PC station中需要添加通信功能，與PLC進行通訊，本設計選擇以太網通訊方式，將常規IE添加到PC系統中，將PC系統與上位機連接。

2.3.2 Node-RED軟件編程 通過智能網關，可實現對系統信息的采集、雙向信息傳輸、遠程控制等功能。Node-RED是一種廣泛使用的物聯網編程工具，它有一個可視化編輯界面，允許開發者將節點連接在一起創建流[10-11]。作為一種編程簡單易懂的物聯網應用開發工具，Node-RED強大又靈活。

2.4 通訊服務

使用MQTT服務，可以把所有聯網物品和外部連接起來，并提供一對多的消息分發，被用于傳感器和制動器。它基于客戶端—服務器進行消息傳輸，首先在服務器上建立傳輸功能，然后用戶可以在服務器上獲取數據，傳感器接收到的數據也可以通過服務器發布給用戶，進行實時監控，結構圖如圖3所示。

圖3 MQTT服務

借助Paho可以測試MQTT是否使服務器訂閱到現場發布的信息。通過結構體Network中的一些成員函數作為接口，從底層網絡讀取數據，向用戶接收端發送數據[12]。

2.5 物聯網平臺處理和接收數據

物聯網平臺的搭建既是系統的創新之處，也是系統組成的重中之重。物聯網云平臺的搭建，可以代替人工起到實時監測的作用，且其具有報警功能，可以進行允許多臺設備同時接入，智能處理數據。流程圖如圖4所示。

圖4 物聯網平臺處理和接收數據

物聯網平臺搭建的核心是智能網關IOT的使用[13]，智能網關通過無線方式，與用戶的手機電腦等終端進行數據的傳輸和交互，因為魚菜共生系統的環境限制，多數情況下是在半封閉狀態下進行的，故系統采用西門子IOT2040型號的網關，可保證傳輸距離，且無線信號的穿透力較好，解決了室內通信的信號強度問題[14]。

3 傳感器信號及數據測定

3.1 信號走線的屏蔽

分析傳感器輸出的信號類型，通過信號發生器測試PLC的AI模塊，檢驗PLC模塊。通過查閱資料得知220 V電信號會對傳輸信號產生干擾，布線時220 V線路與信號線路相鄰，對信號線有很大干擾，PLC讀取的信號有很大偏差。分別對220 V線路和信號線路外部接上屏蔽套，屏蔽220 V信號的干擾[15-16]。

3.2 主要水質指標測定

水中雜質的具體衡量尺度稱水質指標，可以分為物理、化學和微生物學指標三類[17]。在實驗中，主要測定的指標有pH、電導率、溶氧量、溫度、化學需氧量、總堿度、可溶性活性磷、水中氨態氮、亞硝酸氮，其中pH、電導率、溶氧量、溫度指標采用機器測定，總堿度的測定可以使用酸堿滴定法[18]，水中化學需氧量可以用特定體積KMnO4消耗Na2S2O3溶液體積進行測定，實驗于2019年5—8月份進行。

3.2.1 水中可溶性活性磷的測定 配制活性磷標準使用溶液(3.00μg/mL)：移取1.00 mL活性磷標準貯備溶液于100 mL容量瓶中，稀釋至刻度，然后制作標準曲線并計算測定水樣中活性磷含量，如圖5所示。將水樣的A（磷）代入標準曲線的回歸方程，計算水樣中活性磷濃度。

圖5 水樣中活性磷含量標準曲線

3.2.2 磷水中氨態氮的測定 使用溶液ρ(NH3-N)=10.0 μg/mL配制氨氮標準：移取1.00 mL氨氮標準貯備溶液于100 mL容量瓶中，稀釋至刻度，然后制作標準曲線并計算測定水樣中氨氮含量，如圖6所示。將水樣的A（氨氮）代入標準曲線的回歸方程，計算水樣中氨氮濃度。

圖6 水樣中氨氮含量標準曲線

3.2.3 水中亞硝酸氮的測定 使用溶液(1.00μg/mL)配制亞硝酸氮標準：移取1.00 mL亞硝酸氮標準貯備溶液于100 mL容量瓶中，稀釋至刻度，然后制作標準曲線并計算測定水樣中亞硝酸氮含量，如圖7所示。將水樣的A（亞硝酸氮）代入標準曲線的回歸方程，計算水樣中亞硝酸氮濃度。

圖7 水樣中亞硝酸氮含量標準曲線

4 傳感器測量結果

使用已經建立好的模型進行魚菜共生系統的水質監測，在不同氨氮濃度、亞硝酸鹽濃度下，測量水質的溶解氧、pH、電導率。由傳感器測量得到的數值如圖8～10所示。

圖8 溫度監測曲線

圖9 氨氮、亞硝酸鹽濃度監測曲線

圖10 溶解氧、pH、電導率指標監測曲線

5 討論

物理網云平臺和PLC技術的發展已經日趨成熟[19]，新型智慧農業作為一個重要發展方向，影響著我們生活的方方面面，土地資源減少和受保護使得人們逐漸將目標轉移到無土栽培和共生系統上面，基于物聯網技術和PLC技術的魚菜共生系統為農業發展提供了一個較好的選擇，隨著科技水平的進步，尤其是物聯網和傳感器技術，都得到很大的發展。人們可在此基礎上實現更多農產品共生模式、培育方式的選擇。遠程控制、實時監測、具有觀賞價值、適合室內培養等優點將會成為人們選擇魚菜共生系統的決定性原因。隨著科技的發展，人們逐漸追求更加智能的生活，物聯網技術的發展幫助人們實現萬物可聯網的想法，未來物聯網技術將會應用至家居、交通、乃至軍事領域。

隨著科技的不斷發展，魚菜共生系統也會越來越智能化，魚菜共生還有很大的發展空間[20-21]。本次論文所做的工作主要為了農業的信息化、現代化、智能化即將的到來做了一次必要的嘗試。通過對以前的陳舊的循環水溫度系統進行改造，將以前的循環水溫度系統改造成具有現代化特色的魚菜共生系統。本系統以組態作為上位機，與下位機PLC集合，進行相互通信，結合遠程模塊實現系統上線，可遠程化操作，極大的降低了操作人員的專業知識要求，使得系統更加的大眾化、普及化。PLC作為控制器，擁有著很大的性價比、穩定性、擴展性，適應比較復雜的環境。系統采用分布式，不僅僅適用于魚菜共生這個領域，同時也適用于其他自動控制方向的場合[22-23]。本系統只是針對魚菜共生采取了控制良好的控制，其他變量的控制效果還不夠完善。所以希望以后對魚菜系統內的變量能夠做到每項都較好的控制，整體執行設備做到合理調配，來使得溫室內的變量之間得到較好的控制。

用化學方法測量出比較重要的指標后，可根據已有物理可測數據對難以用傳感器測出的數據進行建模，達到軟測量的效果，實現對物理方法無法測量指標的測量[24]。同時智能調控也避免人24 h監管與沒有及時測量所帶來的損失。對數據的測量可數據化，實現變數據為價值的目的。搭建CentOS系統和制作數據顯示頁面后能夠實現數據共享與實時調控。借助node-red技術使用戶及時獲取系統信息。

魚菜共生系統結合了自動控制技術與設施化栽培養殖技術，配備了水質檢測與溫度、pH、溶解氧等因子的有效控制手段，與歐洲等其他模式相比[25]，這個系統效果比工廠化養殖好了很多，可以實現資源的循環利用，由此可見研究課題的選擇為未來大型規模工廠化魚菜共生系統提供借鑒意義，也為國家發展現代化智能農業模式提供了一種可行的方案[26-27]。

6 結論

通過使用物聯網技術、PLC技術和node-red技術，設計完善的硬件系統，由傳感器得出的數據可知，水溫在22℃最為適宜，氨氮濃度維持在0.1 mol/L，亞硝酸鹽濃度在0.1 mol/L左右浮動。通過改善水中可溶性活性磷、氨態氮和亞硝酸氮的方式解決水中氨氮濃度過高的問題，實現魚和蔬菜的完美共生。通過搭建云服務平臺，實現魚菜共生系統數據的無線通訊、無線監控、實時控制。通過軟測量建模，實現對氨氮濃度、亞硝酸鹽濃度的測量、監控，對水產類養殖具有重大意義。物聯網的使用，使對植物生長環境的溫度與濕度等因素進行監控更加智能化。