基于電力載波技術的新型農業大棚系統設計

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）作為一種物聯網的電力信息采集系統通信方式，電力線通信技術與其他相比具有無可比擬的方便，經濟性，可靠性，免維護，即插即用等優點?？偩€技術在通信節點少的情況下具有較高的穩定性和實用性，但在通信節點多的情況下卻難以發揮作用，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在智能農業大棚領域應用的相關原理及在智能農業大棚系統中的典型應用，并分析了如何將電力線載波通信技術恰當地應用到現代農業實踐中，利用現有的配電電路作為數據傳輸介質，解決總線技術帶來的復雜布線問題和成本問題。這將對我國智慧農業的發展起到決定性作用。

關鍵詞：電力線載波通訊技術;信息采集;智慧農業大棚系統

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耕文化，已然成為世界第一農業大國。在智慧農業大棚系統中不斷完善創新，大膽開拓新型實用型項目，是人們追求的目標。目前我國智慧農業大棚系統是將各種先進技術手段和工具巧妙地結合，充分體現了植物種植過程的智能化、全方位工業化、精度和自動化，是各學科技術的高度融合的生產方式，也是推動我國未來農業發展的重要方式[1]。

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

當然，各種類型的農業大棚都離不開一個用來連接所有設備的可靠的通訊網絡。通訊網絡也作為農業大鵬的一個核心要素，必須能夠滿足系統中大量設備與控制器的接入和多個設備間的高效通訊，尤其是需要立即響應的控制設備，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研究現狀

電力線載波技術被學術領域不斷開發使用，現已在諸如高速寬帶電力線網絡、智能家居、大型自動化控制網絡和電力系統以及智能電網等一系列學術研究領域中創造著重要成就[4]。

電力線載波通訊技術分為寬帶PLC和窄帶PLC。寬帶PLC正在向超高速、大容量發展，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、互聯網等服務。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主要應用于電網管理、遠程抄表、自動化控制等領域。

1.3 電力線載波通訊技術優勢

（1） 無線技術和電力線載波通訊技術對比

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

（2） 現場總線技術和電力線載波通訊技術對比

現場總線技術作為工業技術，經歷了十幾年的高速成長。在工廠、建筑、汽車等應用領域發揮著強大的生命力。那么電力線載波通信技術與現場總線技術相比，需要考慮到的布線問題相比之下較為煩瑣，這是一個關鍵問題，尤其是應用于大規模領域。而傳統的通電網絡是電力線載波通信技術所使用的，并且不需要布線。不僅解決了工業總線技術的復雜布線問題，而且大幅降低了網絡成本[5]。

2 智慧農業大棚系統的研究

2.1 系統總體設計

本項目涉及智能農業大棚系統可以對農業大棚中的室內溫度、室內濕度、室內光照強度等數據進行采集處理。信號發送模塊直接向電力線發送信號，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發送到上位機，數據通過實時檢測軟件保存。圖1為系統的總體設計結構。

2.2 電力線載波通訊技術設計

C語言操作簡便，靈活，緊湊，數據處理能力強，可移植，因此所有軟件程序都采用C語言編寫。設計軟件流程圖后，分析該系統的功能。在keil c51開發環境下，實現程序編寫和解碼、實現向單芯片系統接收數據、收集和處理信號、電力線載波通信接收和發送等一系列功能。

2.3 電力線載波系統模塊設計

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

系統從單片機最小系統經過信號處理與采集后得到的信號數據，數據過濾處理后，led模塊來進行控制，對載波收發電路以主要節點數據傳送，主要通過節點的通信模塊。

3 結論

該研究通過對無線技術、系統總線技術與電力線載波通訊技術的優劣勢分析得出最優通訊技術，電力線載波技術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傳輸穩定、傳輸距離遠、即插即用、高效傳輸數據等鮮明技術優勢。電力線載波通訊必然成為地區網、省區網乃至網居網等應用區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，電力線載波技術，溫濕度傳感器采納技術等諸多實用新型科學技術。完成了基于PLC-IOT的智慧農業大棚系統的研究。本項目由通訊模塊、顯示模塊、電力載波系統模塊以及單片機最小系統組成，而其中最為重要的就是單片機最小系統，它是數據處理模塊和控制及信號處理的一系列功能模塊，可以實現光照強度收集、室內的溫度濕度以及處理數據等。實現載波模塊的數據接收和發送功能，led模塊實時顯示數據，通信模塊和上層計算機共同實現串行通信。

參考文獻：

[1] 劉崢，渠海鵬，魏志明，等.基于PLC和組態技術現代農業溫室控制系統設計[J].農家參謀，2018（9）：45.

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

[3] 狄敬國，李秀美.基于PLC、變頻器和觸摸屏技術的溫室大棚控制系統設計[J].農業裝備技術，2012，38（5）：39-41.

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

[5] 王婷.基于PLC的智能農業現場監控系統設計分析[J].南方農業，2020，14（27）：198-199.

【通聯編輯：梁書】