基于MCGS与DTU的农业蔬菜基地远程监控系统的设计

袁小平+唐琳琳+冯丽平+吕中侠

摘要：提出了利用MCGS与DTU进行农业蔬菜基地远程监控系统的设计，该方案通过传感器采集各个农业基地现场环境的温度、湿度、光照、气体浓度等参数，传输给基地现场的数据采集与显示终端，该终端的显示界面是基于MCGS组态软件的二次开发。该系统提出了利用DTU 进行远程通信、GPRS网络作为传输通道，实现PC机与昆仑通态MCGS的通信，远程监控各个农业基地的环境参数，实现设备和基地之间的远程信息的交换。主要介绍了该系统的整体结构，详细描述了上位机MCGS的设计思路与DTU的通信原理及设计过程。

关键词：MCGS；DTU GPRS；远程监控；农业蔬菜基地

中图分类号： TP277.2；S126 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）09-0368-03

当前我国的农业正由小规模种植的个体方式向集约化的大规模基地种植方式转变，随之而来的各种问题也越发显现，比如灌溉问题、通风问题、光照问题等。为解决这一问题，必须开发一个依靠计算机，以现代通信技术为基础的农业安全监控系统，实现高效率、信息化的管理模式[1]。

本研究介绍的远程监控系统主要完成了对蔬菜基地的监控，实现了对现场环境参数的实时采集、报警、数据的存档等现代化管理。本系统将最先进的DTU/GPRS无线网络技术，应用到PC机与昆仑通态MCGS的通信里，使远程监控对象的环境参数（温湿度、光照度、气体浓度等数据以及报警信号）通过GPRS无线方式实时传输给信息管理中心，实现在控制中心的计算机上同时对几个不同地点的大棚进行远程监控。同时信息管理中心的计算机通过DTU进行无线通信，DTU再通过串口跟昆仑通态触摸屏相连，管理中心根据相应的报警信息，发送控制命令给基地现场数据采集与显示终端，执行相应的控制操作[2]。

1 系统设计

整个远程监控系统主要分为蔬菜基地现场环境数据的采集、基地现场数据采集与显示终端的监控与通信、信息管理中心的监控设计。数据采集层主要负责各个基地环境参数的采集和传送，由RS-485总线构成现场的底层网络。系统结构如图1所示。

基地现场数据采集与显示终端使用的软件是工控组态软件MCGS 7.7嵌入式版本， 设计好的工程下载到基地现场数据

[FK（W15][TPYXP11.tif]

采集与显示终端触摸屏（昆仑通态TPC7062KX），然后通过跟传感器连接，可以实现对环境参数的采集，用户可以根据作物生长需求，设置各项环境参数的上限和下限，并进行智能控制。而且比较采用VC或VB自行编写上位机监控程序来说，开发周期比较短，可快速生成监控界面。MCGS的主要特性为：（1）网络功能强大。支持以太网TCP/IP通信、串口通信、Modem串口通信，可以方便快捷地实现远程数据传输。（2）实时数据库，是整个系统的核心。每个部件都跟实时数据库进行数据之间的输入和输出，并有效检测出存在于数据中的错误。（3）可以同时支持多个硬件设备。以实时数据库为中心，每个设备对应的构件都与之建立相互独立的联系，不会因为其中一个改变而影响这个系统[3]。

远程监控层主要基于TCP/IP协议，采用B/S模式完成远程监控功能。远端客户可以登录浏览器，进入设计好的远端界面，通过获取摄像头的视频图像直观地观察各个大棚的植物的生长状况，也可以通过相关环境参数的显示客观分析实时状况，还可以根据历史数据进行相关的分析，执行相关的操作。

2 上位机监控软件系统的设计

2.1 MCGS组态软件的系统构成

MCGS组态软件由2个系统组成：组态环境和运行环境。两者相互独立，相互联系。在组态环境中用户根据自己的需求设计组态工程，主要包括动画的设计以及相关程序的编写。生成的组态数据库，也就是扩展名为 .mcg的工程文件，它与MCGS运行环境一起构成了用户应用系统。其中实时数据库是整个系统的核心，主要指实时读取和对象的封装，就是一个对象的多个属性或者动作都集成在数据库里，它将MCGS工程的各个部分连接成一个整体。整个工程里的变量都是定义在该窗口，这些不同类型和名称的变量，是数据在进行采集、处理、控制输出以及驱动设备时的对象[4]。MCGS软件系统构成如图2所示。

2.2 设备通道的连接设置

在本系统中，上位监控层主要连接的外部硬件就是2个传感器，即土壤温湿度变送器，温湿度二氧化碳光照度变送器，根据传感器的说明书在设备窗口里设置相关的属性，按照设置向导正确设置设备连接通道、对应数据对象等参数，建立与系统的连接。这样当主机即上位机发送查询指令，从机即变送器就会作出应答，通过RS-485接口将数据传递给上位机，系统就可以获取变送器采集的环境参数，根据相关设定实现对基地现场的控制。使用MCGS编写上位机可以不用编写驱动程序，本项目使用的是Modbus RTU驱动，因此通道连接只需配置正确即可。

MCGS提供了国内外常用的工控产品的设备驱动，设备窗口是MCGS与外部设备联系的枢纽，在该窗口通过构件把外部硬件设备的环境参数采集进来，送入到实时数据库，或者把实时数据库里的数据输出到外部设备[5]。使用时只需从设备工具箱中找到所要用的硬件设备，按照外部硬件设备的类型正确设置设备连接通道、对应数据对象等参数，使系统能够从外部硬件设备读取数据进行处理分析从而对基地现场进行控制[6]。本项目中通过土壤温湿度变送器、温湿度二氧化碳光照度变送器进行现场数据的采集，然后通过RS-485口进入上位机。由于MCGS 提供了Modbus RTU的驱动，所以无需再编写相关的驱动程序。在本项目的监控系统中首先MCGS的设备管理菜单中设置通用串口父设备，然后从设备工具箱中找到莫迪康Modbus RTU并将其挂接在通用串口父设备上，再按系统的要求进行定义和设置设备的组态，即可将现场的环境参数传到组态软件中进行处理。

2.3 监控界面的设计

MCGS组态软件设计的农业大棚监控界面主要包括4个：实时数据、报警设置、手动设备控制、报警记录显示，如图3所示。可根据不同大棚和植物生长对环境参数设置合理的上下限，实时数据超出设定范围指示灯就会产生报警提示。根据报警，不仅可以通过手动对水泵、通风机、升温设备、卷帘、喷雾设备、日光灯等设备进行开关操作，而且可以自动控制相关设备的开启和闭合，使其生长环境达到最佳状态。

3 农业基地数据的远程传输

当基地大棚数量达到一定的规模后，如何将众多分散的大棚里面的信息传至管理中心，是本项目研究的又一个核心问题。本研究提出利用DTU GPRS进行远程通信，将基地现场的环境参数、控制状态传递给管理中心，以便对数据进行分析，并及时有效地进行远程控制。

3.1 GPRS技术简介

GPRS是通用分组无线业务的简称，是封包交换数据的标准技术。GPRS技术是GSM技术的一个升级，投资相对较少，但是能够实现全网覆盖。GPRS在GSM的基础之上采用了新的编码方式，在核心网部分采用了分组交换的方式，使GPRS的传输速率最高可提升至114 kb/s，突破了电路网只能64 kb/s的传输速率[7]。GPRS只对GSM的部分无线参数进行了修改，提高了无线资源的利用率，有利于运营商的网络优化，提高了GSM网络的数据通信能力，培养了移动数据业务市场。同时GPRS技术融合了GSM与IP技术的精华，既保持了良好的移动性，同时又具备了IP技术的灵活性。GPRS用户与外部数据网建立连接的时间比较短，在网络质量比较好的情况下，只需要1～1.25 s。收费方式更为合理与便宜，GPRS用户所使用的费用是以传输单位来计算的，而不是用整个频道。因为GPRS的信道是可以共享的，用户需要的时候才会有包产生。GPRS技术还引入了APN接入点名，便于实现业务的全球漫游[8]。

3.2 DTU通信原理

DTU就是把终端数据通过网口或者串口把数据通过无线网络传递给服务端，实现TCP/IP协议与串口数据流之间的相互转换，是数据传输单元的简称。采用透明传输，分为数据上行和数据下行，可以为不带TCP/IP协议处理能力管理的设备提供无线通信能力。

数据下行：在信息管理中将控制命令，根据自定义帧格式，封装成IP包，通过Internet/GPRS网络发送给DTU，DTU收到这个IP包后，通过RS-232串口，传递给MCGS，MCGS根据自定义帧格式，还原数据，实现驱动水泵、通风设备等电机终端的各种状态。

数据上行：MCGS通过RS-232串口发送状态数据，经过DTU后被封装成IP包，通过GPRS 网络发送到信息管理中心；数据中心的软件会根据自定义的帧格式，将收到的IP包存入数据库，工作人员可以通过浏览器或者客户端软件查看数据，然后对信息进行判断和决策。

3.3 如何配置DTU参数

本系统采用的是铭羽电子MY1000 GPRS DTU。主要配置过程如下：

（1）DTU串口通过串口线与计算机串口相连，打开DTU配置软件，在 “计算机串口设置”部分，选择相应的串口号，如使用的是USB转串口模块，应在系统的“设备管理器”中查看安装驱动后映射的串口号。波特率选择9600，校验位NONE，数据位8，停止位1。这些配置好后，则给DTU上电，然后5 s内点击“进入设置”按钮，向DTU发送开始设置的串口命令。

（2）接着进入设置状态，进入“终端联网参数”界面，并自动查询出终端当前的一些连网参数。在“接入中心IP”处可以填写服务器PC在公网上的IP。

（3）接入中心端口可以保持默认值10 000不变，中心协议选择TCP协议，GPRS用户名和密码保持不变。APN名称，如是联通则是UNINET，移动则是CMNET。终端编号是4个数字，可自己设置，每台都不同，可从0001开始编写。SIM卡号是用户插入终端的手机卡号。心跳包一般设置为默认的60，这样DTU参数便配置完成。

（4）接着配置DTU串口与外部硬件设备参数。选择“终端串口”选项，进入设置界面。目前DTU支持的波特率范围是1 200～115 200，接口校验方式支持：NONE（无校验）、ODD（奇校验）、EVEN（偶校验）。支持的数据位是8位，停止位是1位。

（5）如果设置的串口参数为115 200，E，8，1。则在DTU未连上中心服务器前还是会保持9 600，N，8，1的参数，只在登录中心软件后才会看到到设置的串口参数。设置成功后，最后点击“退出设置”图标，DTU将重新启动，根据设置好的参数开始连接中心服务器。

4 远程监控层

管理中心由网络接入设备和工作计算机等组成，用以完成基地现场环境参数信息的采集、存储和显示，同时实现对基地视频远程手动控制，实现对基地环境参数的远程控制。本系统主要设计的界面如图4所示：

（1）设置了历史报表、报警设置、历史曲线等选项，点击对应的按钮，就会弹出对应的界面。用户可以参照相关的界面显示，作出合理的判断。每个界面都可以打印输出，便于整理归档。

（2）对各基地的空气温湿度、氨气浓度、土壤温湿度、光照度等参数实时显示。同时配置了施肥器、通风机、水泵等虚拟装置，用户只需点击虚拟装置，便可实现对远程装置的开关操作。

（3）信息管理中心可以根据2个传感器传送的环境参数，对相关参数进行设置，实现农业基地环境参数的自动控制。

5 结论

本研究所设计的基于MCGS与DTU的农业蔬菜基地远程监控系统已在徐州市的某个蔬菜生产基地应用，使用效果表明系统稳定可靠，提高了基地的生产监控管理水平和经济效益。目前DTU和组态软件在国内迅速发展，利用这两者开发的农业基地监控系统，可以显著提高各个基地的自动化控制和管理水平，以比较小的投入获得了一个比较好监控与维护的农业基地远程控制系统。该系统具有良好的通用性，通过选用不同的传感器，更改一些参数设置，就可以应用到不同的应用场合，如智能家居、车联网等。

参考文献：

[1]董 鹏，况 觅，李姗蓉，等. 重庆市设施蔬菜生产现状与发展对策[J]. 中国蔬菜，2014（11）：67-69.

[2]赵 亮，黎 峰. GPRS无线网络在远程数据采集中的应用[J]. 计算机工程与设计，2005，26（9）：2552-2554.

[3]李训杰. MCGS组态软件在供水自动化监控系统中的应用[J]. 工业控制计算机，2005，18（2）：51，68.

[4]朱 甦，陈再良，倪俊芳. 基于MCGS的分布式电梯远程监控系统的设计[J]. 微计算机信息，2006，22（10）：23-24，28.

[5]徐春艳，华 钢，刘晓东，等. 基于MCGS组态软件的煤矿监控系统的研究[J]. 工矿自动化，2005（5）：28-30.

[6]贾建华，罗 勇. 煤矿监控系统组态软件的开发[J]. 煤矿安全，2009，40（12）：71-74.

[7]徐国章，李宏海，陈闽生，等. 基于GPRS的远程监控系统设计[J]. 河北省科学院学报，2004，21（4）：32-35.

[8]Ni S. GPRS network planning on the existing GSM system[J].Global Telecommunications Conference，2000（3）：1432-1438.