CN108803751A - 基于nb-iot的猪舍多参数远程采集控制系统及控制方法 - Google Patents

基于nb-iot的猪舍多参数远程采集控制系统及控制方法 Download PDF

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孙聪
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Abstract

本发明公开了基于NB‑IOT的猪舍多参数远程采集控制系统及控制方法，包括现场检测端和远程控制端；现场检测端通过NB‑IOT与远程控制端相连；现场检测端能够实时检测猪舍环境参数；现场检测端还能够将检测的猪舍环境参数通过NB‑IOT上传到远程控制端；远程控制端根据猪舍环境数据下发控制指令给现场检测端，由现场检测端实时控制猪舍环境，并根据情况发布预警。其中，NB‑IOT使用License频段，可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式，与现有网络共存；远程控制端通过C#编写上位机；现场检测端分为手动和自动调节模式。本发明运用NB‑IOT技术，实现大范围的、远距离、高速率的数据传输，使用异地操作端及时获取猪舍参数并做出相应调整，从而实现猪舍环境的远程自动控制。

Description

基于NB-IOT的猪舍多参数远程采集控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及牲畜养殖控制技术领域，尤其是涉及一种基于NB-IOT的猪舍多参数远程采集控制系统及控制方法。
背景技术
我国是生猪养殖大国，也是猪肉消费大国，生猪产业的持续健康发展在市场供给、农村经济发展、农民增收等方面具有十分重要的作用。近年来，全国生猪养殖规模得到快速发展，生猪养殖产业正处于转型和变革的关键时期，正向规模化、标准化等方向发展，如何提高生猪养殖效率，降低养殖成本，设计一种猪舍环境参数的物联网测控系统，是当今自动化生猪养殖的一个研究热点。
目前国内的规模化养殖还未普及，养殖设备和管理水平相对落后，养殖成本居高不下，改善国内养殖模式，提高养殖效益已十分必要，随着物联网技术在农业领域的应用日趋成熟，通过物联网技术来构建数字化、智能化养殖系统已成为当下家猪养殖的研究热点。
发明内容
本发明针对目前国内生猪养殖业的测控系统，对猪舍环境信息的获取和控制来进行阶段性提高。针对猪舍环境参数不能达到实时获取和及时的调整环境参数，提出一种基于NB-IOT(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)的猪舍多参数远程采集控制系统。
本发明的技术方案如下：
基于NB-IOT的猪舍多参数远程采集控制系统，包括现场检测端和远程控制端；所述现场检测端通过NB-IOT与所述远程控制端相连；
所述现场检测端能够实时检测猪舍环境参数；所述现场检测端还能够将检测的猪舍环境参数通过NB-IOT上传到远程控制端；
远程控制端根据猪舍环境数据下发控制指令给现场检测端，由现场检测端实时控制猪舍环境，并根据情况发布预警。
进一步地，所述现场检测端包括传感器组、现场控制模块、现场显示模块、NB-IOT通信模块以及执行模块；所述现场控制模块分别与所述传感器组、现场显示模块、NB-IOT通信模块以及执行模块相连；
所述传感器组采集猪舍环境信息；
所述现场控制模块一方面接收传感器组采集的猪舍环境信息并通过现场显示模块实时显示，另一方面将猪舍环境信息通过NB-IOT通信模块上传至远程控制端的上位机、并接收上位机下发的控制指令、根据控制指令通过控制执行模块实现调节猪舍环境参数。
进一步地，所述传感器组采集猪舍环境信息包括：温湿度、光照、二氧化碳和氨气。
进一步地，所述现场控制模块采用PLC200 224XP和继电器组成；所述现场显示模块采用液晶显示屏；所述执行模块包括变频器、湿帘和风机系统；所述PLC200 224XP通过变频器连接湿帘和风机系统。
进一步地，所述远程控制端采用C#语言编写上位机，在所述上位机上直接通过IOT平台的API接口调用在IOT平台上封装好的函数；
现场检测端利用NB-IOT将获得的猪舍现场的环境监测数据发送到NB-IOT，最后根据网络IP将数据发送到远程控制端的上位机；
当远程控制端调用上位机接口时，此时将上位机端的liteDemo的https请求部分打成jar包后转成dll供C#工程使用。
进一步地，所述现场检测端在控制执行模块实现调节猪舍环境参数时包括手动调节和自动调节两种模式，所述两种模式通过转动旋钮R实现切换。
本发明根据上述基于NB-IOT的猪舍多参数远程采集控制系统，提出了一种猪舍参数控制方法，包括如下步骤：
步骤1，现场检测端利用PLC200 224XP通过发送获取传感器数据的指令获取数据的初始值，然后经过计算，进一步获得温湿度、光照、二氧化碳和氨气等数值；
步骤2，PLC200 224XP的串口Port0口既连接传感器的数据线，又与NB-IOT通信模块的RS485口相连，一方面接收传感器返回的数据，另一方面将计算好的数据发送给NB-IOT通信模块，由NB-IOT通信模块发送给远程控制端；PLC200 224XP的串口Port1口连接液晶显示屏，实时显示猪舍数据。
步骤3，远程控制端采用C#语言编写上位机，上位机通过API接口逆向发送指令到PLC200 224XP，使得继电器常开触点闭合，实现对现场设备的控制，从而实现现场检测端PLC与远程控制端C#上位机的双向控制。
进一步地，所述现场检测端采用NB-IOT芯片，所述NB-IOT芯片能够与中国电信物联网开放平台之间通过CoAP协议通讯；
所述CoAP协议中报文的payload为现场检测端的应用数据；远程控制端应用server通过http/https协议和平台通讯，通过调用平台的开放API来控制现场检测端的设备，物联网开放平台把现场检测端的设备上报的数据推送给远程控制端的应用服务器；所述物联网开放平台能够支持对设备数据进行协议解析，转换成标准的json格式数据。
本发明的有益效果：
1、实现猪舍环境参数检测，实时调整猪舍环境。
2、把收集的历史数据用曲线显示，能够直观的看出环境参数的变化。
3、数据存储，为建立专家系统提供数据支持。
4、运用NB-IOT无线通信技术，实现大范围的、远距离、高速率的数据传输，使用异地操作端及时的获取猪舍的环境参数并做出相应的参数调整，从而实现猪舍环境的远程自动控制。
5、猪舍信息的采集完全由PLC程序控制，可实现无人看管、无人检测、无人设置的现场数据采集的自动化，创造健康、卫生的养殖环境，提高家猪的产量；现场的操作简单，无需人工去检测。在办公室就可以看到猪舍的环境参数，从而降低了工作人员的工作程序，减少工作量，节约了劳动力；通过运用NB-IOT真正的实现了物联网家的扩展，实现真正意义上的自动控制。
附图说明
图1是基于NB-IOT的家猪养殖远程环境参数采集传输结构图。
图2是远程传输的组网图。
图3是现场监测端硬件结构示意图。
图4是NB-IOT模块的平面图和各个参数配置图。
图5是现场控制的一个示意图。
图6是环境参数采集PLC程序执行图。
具体实施方式
一种基于NB-IOT的猪舍多参数远程采集控制系统，其主要特点是实现一个物联网家的智能化饲喂，让猪的生活环境实现实时性。
所述系统是通过电信的IOT平台来建立数据的中转站，使数据多了一层防火墙以及数据安全性得到保证。
NB-IOT使用License频段，可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式，与现有网络共存。
所述系统在IOT平台上所使用的函数都已封装好，在取数据时直接调用即可。
所述系统在环境检测时有两种模式一种为手动，人为控制风机和湿帘的开闭；另一种模式为自动模式，根据传感器组检测到的数据，自动控制风机和湿帘的开和关，达到一种智能化。
所述传感器组包括温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳和氨气传感器；
所述系统包括通过NB-IOT连接的现场检测端和远程控制端；
所述现场检测端包括多参数传感器组、PLC、电源转换单元、NB-IOT、触摸屏显示器、第一电源、第二电源。
所述现场检测端通过电信的IOT平台与远程控制端的上位机相连接。
所述PLC分别与多参数传感器组、NB-IOT、触摸屏进行串口连接。
所述第一电源与PLC和电源转换单元相连；
所述第二电源分别与传感器、继电器、NB-IOT模块、触摸屏连接；
所属远程控制端包括计算机和NB-IOT
所述PLC包括4个I/O接口。
所述串口都是标准的485接口。
本发明运用NB-IOT无线通信技术，实现大范围的、远距离、高速率的数据传输，使用异地操作端及时的获取猪舍的环境参数并做出相应的参数调整，从而实现猪舍环境的远程自动控制。
下面结合附图对本发明作进一步说明。
猪舍环境多参数采集控制系统，包括现场检测模块和远程控制模块；
所述现场检测模块包括：传感器组、现场控制模块(PLC)、现场显示模块(液晶触摸屏)、NB-IOT通信模块以及执行模块。
所述传感器组分别采集猪舍环境的温湿度、光照、二氧化碳和氨气。
所述现场控制模块由PLC200 224XP和继电器组成，所述PLC200 224XP自带有两路RS485接口，一路用于与液晶显示屏连接，动态显示现场数据，另一路RS485口与传感器的数据线相连，接收传感器回馈的数据，经过PLC200 224XP处理后发送至NB-IOT通信模块。所述PLC200 224XP根据远程控制模块的指令通过变频器控制风机和湿帘系统工作，实现猪舍环境的温湿度、光照和二氧化碳以及氨气的调节。
所述远程控制模块用来实时显示猪舍环境数据、远程控制现场设备(即现场检测模块)、数据库存储猪舍环境数据并发布预警功能。
所述NB-IOT通信模块用于现场检测模块和远程控制模块的数据通信，该模块自带RS485串口和RS232串口，其适用UDP协议和通过电信IOT平台传输数据。
所述执行模块包括湿帘和风机，用于调节猪舍的温湿度大小、光照强弱、二氧化碳和氨气浓度。
第一电源为220V，与PLC和电源转换单元相连接，使用220V电源给PLC供电。第一电源通过电源转换单元转换为第二电源，即把220V的电压转成可以给多参数传感器、继电器、NB-IOT模块和触摸屏所使用的12V电压。
图1是基于NB-IOT的家猪养殖远程环境参数采集传输结构图。图1中，本发明提供的现场检测端包括NB-IOT、远程操作端，远程操作端拥有自己的固定的IP。
图2是远程传输的组网图。在远程控制端的计算机上，用C#语言编写一个上位机，在上位机上直接通过IOT平台的API接口调用在电信IOT平台上封装好的一系列函数。现场检测端利用NB-IOT将获得的猪舍现场的环境监测数据发送到NB-IOT，最后根据网络IP将数据发送到远程控制端计算机。针对当使用C#调用上位机接口时，需要https的双向认证，而C#框架只提供了一个设置证书的接口这一问题，本发明在此情况下将上位机端的liteDemo的https请求部分打成jar包后转成dll供C#工程使用。
图3是现场检测端硬件结构示意图。图3中，现场检测端包括多参数传感器组、触摸屏、PLC、电源转换单元、NB-IOT模块、第一电源、第二电源。
图4是NB-IOT模块的平面图和各个参数配置图，NB-IOT两个串口分别和传感器的串口线、PLC的PORT0连接在一起，其电源连接的是第二电源。
图5是现场控制的一个示意图，利用旋转按钮R可以控制手动和自动。H1和H2分别是控制湿帘和风机通和断的开关。触摸屏的PORT1接PLC的PORT1，其电源接第二电源。
所述现场检测端的下位机(PLC)采用西门子的STEP7软件，该软件采用西门子的STEP-MiroWIN SP8语言编写，主要作用是：编写现场环境参数采集程序，自由口通讯程序和设备控制程序。PLC读取各个传感器的值，与预设的上下限报警值比较，通过其外部所连接的继电器控制风机、湿帘等设备，当然也可以切换至手动状态，人工控制设备。采集到的各个环境参数可以在触摸屏上显示，也可以在触摸屏上设置控制风机和湿帘的功能。图6是环境参数采集PLC程序执行图，整个流程图采用自下而上的设计思想，主要包括：数据采集模块、数据处理模块、通讯协议模块和执行模块。PLC接受到开始命令信号向外向外传输数据，以一问一答的形式接收传感器返回的数据，并且进行提取与计算。其中VB500存放发送缓冲区的首字节，VB600存放接收缓冲区的首字节，VD50存放指向发送缓冲区的指针，VD70存放指向接收缓冲区的指针。
基于NB-IOT的猪舍多参数远程采集控制系统的控制方法包括如下步骤：
步骤1，PLC200 224XP通过发送获取传感器数据的指令获取数据的初始值，然后经过计算，进一步获得温湿度、光照、二氧化碳和氨气等数值。
步骤2，PLC200 224XP的串口Port0口既连接传感器的数据线，又与NB-IOT通信模块的RS485口相连，一方面接收传感器返回的数据，另一方面将计算好的数据发送给NB-IOT通信模块。PLC200 224XP的串口Port1口连接液晶显示屏，实时显示猪舍数据。
步骤3，远程控制端的C#上位机通过API接口，逆向发送指令到PLC200 224XP，使得继电器常开触点闭合，实现对现场设备的控制，从而实现现场检测端PLC与远程控制端C#上位机的双向控制。
进一步，上述步骤中，在现场检测端，采用NB-IOT芯片，它和中国电信物联网开放平台之间通过CoAP协议通讯。CoAP报文的payload里是现场检测端的应用数据。远程控制端应用server通过http/https协议和平台通讯，通过调用平台的开放API来控制现场检测端的设备，物联网开放平台把现场检测端的设备上报的数据推送给远程控制端的应用服务器。平台支持对设备数据进行协议解析，转换成标准的json格式数据。
本发明家猪养殖现场温度信息的采集完全由PLC程序控制，可实现无人看管、无人检测、无人设置的现场数据采集的自动化，创造健康、卫生的养殖环境，提高家猪的产量；现场的操作简单，无需人工去检测。在办公室就可以看到猪舍的环境参数，从而降低了工作人员的工作程序，减少工作量，节约了劳动力；通过运用NB-IOT真正的实现了物联网家的扩展，实现真正意义上的自动控制。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于NB-IOT的猪舍多参数远程采集控制系统，其特征在于，包括现场检测端和远程控制端；所述现场检测端通过NB-IOT与所述远程控制端相连；
所述现场检测端能够实时检测猪舍环境参数；所述现场检测端还能够将检测的猪舍环境参数通过NB-IOT上传到远程控制端；
远程控制端根据猪舍环境数据下发控制指令给现场检测端，由现场检测端实时控制猪舍环境，并根据情况发布预警。
2.根据权利要求1所述的基于NB-IOT的猪舍多参数远程采集控制系统，其特征在于，所述现场检测端包括传感器组、现场控制模块、现场显示模块、NB-IOT通信模块以及执行模块；所述现场控制模块分别与所述传感器组、现场显示模块、NB-IOT通信模块以及执行模块相连；
所述传感器组采集猪舍环境信息；
所述现场控制模块一方面接收传感器组采集的猪舍环境信息并通过现场显示模块实时显示，另一方面将猪舍环境信息通过NB-IOT通信模块上传至远程控制端的上位机、并接收上位机下发的控制指令、根据控制指令通过控制执行模块实现调节猪舍环境参数。
3.根据权利要求2所述的基于NB-IOT的猪舍多参数远程采集控制系统，其特征在于，所述传感器组采集猪舍环境信息包括：温湿度、光照、二氧化碳和氨气。
4.根据权利要求2所述的基于NB-IOT的猪舍多参数远程采集控制系统，其特征在于，所述现场控制模块采用PLC200 224XP和继电器组成；所述现场显示模块采用液晶显示屏；所述执行模块包括变频器、湿帘和风机系统；所述PLC200 224XP通过变频器连接湿帘和风机系统。
5.根据权利要求1所述的基于NB-IOT的猪舍多参数远程采集控制系统，其特征在于，所述远程控制端采用C#语言编写上位机，在所述上位机上直接通过IOT平台的API接口调用在IOT平台上封装好的函数；
现场检测端利用NB-IOT将获得的猪舍现场的环境监测数据发送到NB-IOT，最后根据网络IP将数据发送到远程控制端的上位机；
当远程控制端调用上位机接口时，此时将上位机端的liteDemo的https请求部分打成jar包后转成dll供C#工程使用。
6.根据权利要求2所述的基于NB-IOT的猪舍多参数远程采集控制系统，其特征在于，所述现场检测端在控制执行模块实现调节猪舍环境参数时包括手动调节和自动调节两种模式，所述两种模式通过转动旋钮R实现切换。
7.基于NB-IOT的猪舍多参数远程采集控制系统的猪舍参数控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，现场检测端利用PLC200 224XP通过发送获取传感器数据的指令获取数据的初始值，然后经过计算，进一步获得温湿度、光照、二氧化碳和氨气数值；
步骤2，PLC200 224XP的串口Port0口既连接传感器的数据线，又与NB-IOT通信模块的RS485口相连，一方面接收传感器返回的数据，另一方面将计算好的数据发送给NB-IOT通信模块，由NB-IOT通信模块发送给远程控制端；PLC200 224XP的串口Port1口连接液晶显示屏，实时显示猪舍数据；
步骤3，远程控制端采用C#语言编写上位机，上位机通过API接口逆向发送指令到PLC200 224XP，使得继电器常开触点闭合，实现对现场设备的控制，从而实现现场检测端PLC与远程控制端C#上位机的双向控制。
8.根据权利要求7所述的基于NB-IOT的猪舍多参数远程采集控制系统的猪舍参数控制方法，其特征在于，所述现场检测端采用NB-IOT芯片，所述NB-IOT芯片能够与中国电信物联网开放平台之间通过CoAP协议通讯；
所述CoAP协议中报文的payload为现场检测端的应用数据；远程控制端应用server通过http/https协议和平台通讯，通过调用平台的开放API来控制现场检测端的设备，物联网开放平台把现场检测端的设备上报的数据推送给远程控制端的应用服务器；所述物联网开放平台能够支持对设备数据进行协议解析，转换成标准的json格式数据。
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Application publication date: 20181113

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