台南區農業專訊第54期:18~21頁(2005年12月)

 

設施無線遙測監控系統之開發

/圖 劉政宏、鄭榮瑞、鐘瑞永、楊清富

前言

多數農業設施皆處於偏遠郊區、山區或非都市土地範圍內且分布零散,即使有意讓分布於各處的溫室配置自動化監控設備,若以網際網路(Internet)或其他有線連結方式作為傳輸控制,除成本之考量外,傳輸線路距離交換機房過遠等訊號衰減情形,將導致無法集中管理的事實,相對讓人力成本提高,如何整合可用的資源,花費較少的經費情況下,建立一有效集中管理之遙測監控模式仍是一尚待解決的問題。本文除比較現有通訊設備的應用外,主要針對本場所開發整合封包無線服務(GPRS)/第三代行動通訊(3G)等通信系統應用於溫室環境控制之發展現況加以介紹。 

通信系統之比較

1.無線區域網路

無線網路的技術可分為光傳輸以及無線電波傳輸兩大類,其中可利用於長程傳輸的光媒介以雷射(Laser)較為可行,其傳輸速率達數Mbps1Gbps不等,傳輸距離最高亦達數公里,主要應用於點對點專線連結且傳輸路徑不可有阻隔,成本亦高。無線電波傳輸方面有窄頻微波、直接序列展頻(DSSS)、跳頻式展頻(FHSS)、家庭無線頻率(HomeRF)、高速無線網路(HiperLAN)及藍芽技術等,除微波通信方式可有較長的通訊距離且價格亦高外(仍是點對點,需用碟型天線接收),其他通訊技術大都以IEEE802.11為技術發展基礎,運用於無線區域網路(WLAN)WiFiWiMAX、或無線個人網路(WAPN),除WiMAX尚在發展階段外,其他應用皆不適用於長距離的傳輸或連結,即使WLAN納入Wireless Mesh Network技術,使熱點間存取點可無限延續下去,由於投入成本較高,亦只可能出現於都會區人口密集的有限範圍內,至於偏遠、人煙稀少的地區在未來應不可能實現。

2.行動通訊系統

相較於較早的行動通訊系統以類比方式將語音資料與載波混合,經行動電話基地台與電話公司後,再於通話端手機上將語音資料與載波分離,讓通話端聽到語音資料,即一般所稱第一代(1G)行動通訊技術,此系統並未提供數據服務。第二代(2G)通訊技術則有CDMAGSM行動通訊系統,第二代行動通訊已將語音資料先行數位編碼後再於GSM網路中傳送,因此亦提供數據服務,其採用電路交換技術,即我們熟知的WAP上網功能,但傳輸數率最高不過9.6Kbps14.4Kbps且需依連線時間計價,速度、品質及費用皆不理想,而2.5G(GPRS)行動通訊系統由GSM系統中升級後,已改善GSM網路傳輸資料的缺點,採用分封交換(Packet Switch)技術,理論上最高傳輸速率可達171Kbps(實際約30~40Kbps),且可恆久連線並以數據傳輸量來計費,另今年下半年以來各家電信業者陸續開通第三代行動通訊系統(3G)的服務,除影音等消費性功能外,我們最關注的便是其傳輸速率與數據傳輸費用,以目前的進展來看大部分都提供384Kbps的傳輸速度,不過無限上網(所謂吃到飽套餐)的數據傳輸費用亦多低於1000/每月,與GPRS服務相比的確有較高的C/P值,但基地台密度尚低,無法滿足全域無線的需求,且部份業者為留住原GPRS用戶,亦紛紛調降GPRS費用或提出無限上網的套餐服務,對於傳輸數量較少且須隨時掌握最新資訊的使用者來說,不失一較經濟之選擇。

無線遙測監控系統架構

GPRS收發模組
GPRS收發模組

可程式控制器模組
可程式控制器模組

GPRS通誱架構圖

控制狀態顯示
控制狀態顯示

監測歷史資料查詢
監測歷史資料查詢

GPRS應用於溫室遙測監控系統

1.系統架構

本系統包含遠端監控站(控制中心)PC電腦、GSM語音模組、外站(設施溫室)控制箱及GPRS收發模組、溫、濕度感測器、照度感測器及訊號轉換控制器、可程式控制器模組等,系統所使用之溫濕度感測器與照度感測器,其量測範圍為溫度-30~130℃;濕度0~100%RH;照度0~20000LUX,當設施內之溫度、濕度、照度由感測器偵測後,將訊號送至訊號控制器,透過RS232RS485將資料傳至GPRS主機與PLC控制器,GPRS主機將感測資料傳回遠端監控電腦,由遠端監控電腦顯示監控狀態與紀錄監測資料,若監測資料出現異常狀態,則由語音模組發出警報至監控人員之行動電話以告知監測異常狀況,PLC控制器則依據所設定之控制條件與接收之感測資料作比較,對設施內之馬達、風扇等作適度控制。

2.GPRS傳輸架構

GPRS的網路架構是在GSM網路架構上增加兩個設備節點,分別為SGSN(GPRS服務節點 )GGSN(閘道服務節點),其中SGSN負責服務區內之使用者並由BSC(基地台控制器)辨別傳送者是否是封包資料,若為封包資料,便由SGSN負責封包傳送與交換,GGSN負責將外界(網際網路)傳入之封包傳進GPRS,及將GPRS網路內的封包傳到網際網路上。我們選用的GPRS收發信機最大下傳速率為 57.6Kbps,內部設定連接遠端監控電腦的IP與撥接設定、連接埠設定等,遠端監控電腦建立一以VB6.0開發之監控軟體,透過VB6.0內建Winsock提供之介面函式可以很容易與TCPUTP協定溝通,我們以TPC通訊協定讓遠端監控主機與GPRS收發信機互相呼叫並存取資料庫中的感測器位址、PLC站碼、儀器設定值、接收資料之頻率後對PLC傳送設定值及獲得設備類比與數位訊號並將所獲得之資料存入資料庫中,當監控資料超出設定值範圍時PLC改變環控設備運轉狀態的傳回並紀錄異常警報時間及狀態。

3.管理模式

本系統之監測管理模式跳脫傳統以有線或區域網路方式執行溫室監控管理,而以GPRS無線網路取代沒有ADSL等有線網路之區域;因行動通訊基地台已遍及全台,所以無論設施散佈在何處,絕大多數都可透過無線傳輸方式使農民在家裡或其他可接續網際網路之地點統一執行遠端監控之工作。此監控程式介面以視窗化、分層、分頁設計,以增加系統之親和力與操作之簡易性,並具備密碼保護,以防止未經授權人員操作更改,主控畫面包括監測資料顯示與控制狀態顯示,次層畫面包括系統參數設定、系統I/O設定、監測事件查詢與監測歷史資料查詢,分別說明如下:

1)、監測資料顯示

顯示目前時間與設施內溫度、溼度、照度等之感測值。

2)、控制狀態顯示

顯示目前設施內之馬達、風扇,電燈等之運作狀態。 

3)、系統參數設定

設定系統之各項控制參數,如溫度、溼度、照度等之上限值、下限值、期望值,密碼設定、警報設定與儲存時距設定等。

4)、系統I/O設定

設定系統新增或變更之感測點與控制點之編號與位址,以利系統識別。 

5)、監測事件查詢

查詢系統監測異常狀態(如通訊中斷、感測值超出上下限值等)之紀錄,如圖九所示。

6)、監測歷史資料查詢

查詢系統監測資料(每日、每月、每季)之紀錄。

展望

無線遙測監控系統採用GPRS系統為通訊平台,主要乃基於其普及性、簡易性、通訊範圍廣與投資成本較低為考量。為有效降低成本與減少風險,本系統已先建立小規模之通訊平台與控制模型,初期以溫度、溼度、照度三項環境因子作為環境狀態監測,並分別以驅動馬達、風扇,電燈作為環境調控對象,經初步測試結果,資料傳輸正確,最快資料傳輸速度為每二分鐘一筆,系統運作已能符合管理預期需求,未來將逐步發展實際應用於單棟生產設施監控上,再擴充至整個設施群,可實現設施生產管理無線遙測自動監控之目標。

 

 

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