La méthode de mesure et de contrôle sans fil à distance par GPRS résout de nombreux problèmes, tels que les coûts élevés de pose de câbles et les difficultés liées à la gestion des grandes surfaces agricoles, et permet, d’un point de vue technique, la mise en œuvre de l’agriculture de précision. Il existe actuellement relativement peu d’applications abouties en matière de systèmes de contrôle agricole de précision permettant d’économiser l’eau et les engrais, et d’adapter l’irrigation et la fertilisation aux besoins des cultures. Parallèlement, le problème d’une irrigation et d’une fertilisation inadaptées reste prépondérant, ce qui entraîne non seulement une faible efficacité d’utilisation de l’eau et des engrais, mais aggrave également le gaspillage des ressources et la pollution environnementale. Cet article présente un cadre global basé sur Internet ainsi qu’un système de contrôle intelligent hautement intégré pour l’irrigation et la fertilisation agricoles. Au cours du processus d’irrigation agricole, grâce à la collecte en temps réel et à l’évaluation floue des informations environnementales et nutritionnelles des cultures, le système peut alors être utilisé conformément aux besoins définis pour chaque culture. Les régimes d’irrigation et les programmes de fertilisation guident la fertigation. Alors que notre pays est confronté à une grave pénurie de ressources en eau et aux graves dommages causés par une fertilisation excessive, la mise en œuvre d’un contrôle et d’une gestion intelligents du transfert d’eau associé à la fertilisation, de la promotion de l’eau par la fertilisation, de l’irrigation de précision et de la fertilisation de précision revêt une grande importance économique et présente des avantages sociaux.
1. Composition du système
Le système se compose principalement d’un niveau de contrôle depuis la salle de gestion, d’un niveau de surveillance à distance via une page Web, d’un niveau de contrôle sur site dans la zone d’irrigation, ainsi que d’un système de commande par SMS sur téléphone portable, etc. Le niveau de contrôle sur site de la zone d’irrigation transmet les informations relatives à l’environnement des cultures et aux nutriments du sol de cette zone au logiciel de configuration du niveau de gestion via le module DTU. Le logiciel de configuration et de surveillance participe à la prise de décision visant à déterminer s’il convient d’ouvrir les vannes d’irrigation et de fertilisation, permettant ainsi de répondre aux besoins en eau des cultures. La fertilisation nécessite à la fois irrigation et apport d’engrais. Parallèlement, il permet également de mesurer automatiquement le débit dans les canalisations, ce qui facilite les calculs et analyses pertinents pour le personnel chargé de la gestion de l’eau. Le niveau de gestion de la station de pompage peut également démarrer et arrêter la pompe en fonction du niveau d’eau du bassin de tête de la zone d’irrigation, et ajuster automatiquement la pression du réseau de canalisations via le variateur de fréquence. Le système permet également de configurer de manière flexible différents groupes de vannes, différents horaires, différents débits d’irrigation et différentes formules de fertilisation, afin de s’adapter à l’irrigation et à la fertilisation de diverses cultures. La figure 1 présente un schéma fonctionnel du système.
2. Choix et configuration des principaux composants
2.1 Logiciel de programmation du système – Débogage en ligne. Le logiciel du centre de mesure et de contrôle établit principalement la communication avec le XLT via le module de conversion RS485 vers RS232. Le XLT peut également communiquer via un port USB, Ethernet, le bus CAN, un modem et d’autres méthodes. Il peut être configuré en entrée numérique, en entrée de compteur à grande capacité, en entrée analogique, en sortie numérique, en sortie à modulation de largeur d’impulsion, en sortie analogique et selon d’autres méthodes, ce qui facilite grandement le développement secondaire par les utilisateurs. La communication entre le logiciel du centre de mesure et de contrôle et le logiciel de configuration s’effectue via le port série. Si le logiciel du centre de mesure et de contrôle et le logiciel de configuration sont installés sur le même ordinateur, celui-ci doit disposer de deux ports série matériels (ou de deux ports série virtuels) afin que chacun des logiciels occupe un port série pour la communication. Pour mettre en place deux ports série virtuels sur le même ordinateur, cet article utilise un logiciel de ports série virtuels (tel que Virtual SerialPort Driver 6.0) afin d’ajouter une paire de ports série virtuels COM2 et COM3 capables de communiquer entre eux.
2.2 Choix du contrôleur Cet article utilise le contrôleur tactile OCSXLT102 de la société HORNER, qui intègre des E/S comprenant des valeurs de commutation, des valeurs analogiques et des E/S haute vitesse. Pour la commande de machines, les E/S haute vitesse permettent le comptage, la mesure de fréquence, la génération de PWM et la sortie d’impulsions. Elles s’appliquent facilement au contrôle de processus nécessitant une entrée de haute précision pour les signaux de thermocouples, de RTD, 4~20 mA, ±100 mV et 0~10 V. Le XLT intègre deux ports série standard RS-232/RS-485 et des interfaces réseau CAN. Il peut être équipé d’une carte modem téléphonique 57,6 k intégrée, d’une carte de communication sans fil et d’une carte de communication GPRS/GSM. La tension de fonctionnement est de 12 V. Il présente les avantages suivants : ① Écran LCD graphique ou tactile de haute qualité, qui affiche plus clairement le processus de production et l’état de fonctionnement de l’équipement ; ② Fonctions d’affichage graphique avancées, notamment des graphiques de tendance, des histogrammes, des affichages d’instruments et des animations ; ③ Puissantes capacités de contrôle : prise en charge des opérations en virgule flottante, des opérations mathématiques avancées, de l’autoréglage PID multi-boucles, des opérations sur chaînes de caractères, etc. ; ④ Fonction de stockage amovible de grande capacité, jusqu’à 2 Go, permettant de stocker des programmes, des enregistrements de données historiques et des captures d’écran ; ⑤ Port de communication CsCAN (en option) : les E/S déportées peuvent être facilement étendues ou connectées à d’autres contrôleurs et PC ; ⑥ 2 ports série intégrés pour faciliter la communication avec des convertisseurs de fréquence et d’autres automates programmables (PLC) ou périphériques série ;
Outre le Vo intégré, le XLT102 peut également se connecter aux modules SmartStixI/O et SmartModI/O. Le SmartStixI/O est un module distant haut débit qui permet de tirer pleinement parti des avantages du contrôle distribué via CsCAN ; quant au SmartModI/O, connecté au XL via RTU/Modbus, ce type de module comporte moins de points et offre un bon rapport qualité-prix.
3. Communication entre le logiciel du centre de mesure et de contrôle et le GPRSRTU
3.1 Introduction au protocole de communication GPRS : ce protocole présente les avantages suivants : vitesse de communication élevée, faible coût de communication et flexibilité de mise en réseau. Le GPRSDTU intègre une fonction de conversion du protocole TCP/IP et ne nécessite pas que les utilisateurs assurent la prise en charge de ce protocole. Il est compatible avec tous les terminaux dotés de ports série, permet la transmission sans fil et transparente des données via la plateforme réseau GPRS, et offre des capacités de communication GPRS aux terminaux ne disposant pas de traitement du protocole TCP/IP. Le GPRSRTU envoie des paquets de données au logiciel correspondant du centre de mesure et de contrôle installé sur l’ordinateur distant via le réseau sans fil GPRS. Le logiciel du centre de mesure et de contrôle organise les paquets de données au format du protocole Modbus-RTU et les envoie au logiciel de configuration (ou à tout autre logiciel d’application) via le port série (ou le port série virtuel) de l’ordinateur en vue de leur utilisation.
Ce protocole est conforme à la norme Modbus-RTU. Le logiciel de configuration agit en tant que client (station maître) pour envoyer des trames de commandes de lecture/écriture, tandis que le logiciel du centre de mesure et de contrôle agit en tant que serveur (station esclave) pour envoyer des trames de réponse. Étant donné que le logiciel du centre de mesure et de contrôle peut se connecter à plusieurs terminaux GPRSRTU, et que l’interface RS485 de chaque terminal GPRSRTU peut également se connecter à plusieurs appareils externes, le centre de mesure et de contrôle entretient une relation « un-à-plusieurs » avec le terminal GPRSRTU, tandis que le terminal GPRSRTU et l’appareil externe forment également une relation « un-à-plusieurs ». La segmentation du code d’adresse (1-247) permet de déterminer si c’est le terminal GPRS-RTU ou le périphérique connecté à celui-ci qui est commandé. Ce protocole utilise les codes d’adresse (1-200) pour le terminal, et les codes d’adresse (201-247) comme code d’adresse du périphérique externe connecté au port RS485 du terminal. Lors de l’émission d’instructions de lecture et d’écriture à un périphérique externe, il faut d’abord préciser quel périphérique externe du terminal GPRS RTU l’on souhaite commander. Pour ce faire, il faut d’abord envoyer une commande de fonctionnement du terminal GPRSRTU (code d’adresse compris entre 1 et 200) afin de déterminer quel terminal est actuellement utilisé, puis envoyer la commande de fonctionnement du périphérique externe (code d’adresse compris entre 201 et 247).
Selon le modèle, le terminal GPRSRTU comporte un nombre variable d’entrées analogiques, d’entrées de commutation, de sorties relais et de modules d’extension (tels qu’un capteur de température). Le logiciel du centre de mesure et de contrôle peut être connecté à plusieurs terminaux simultanément. Le format de base des données d'octet de communication est le suivant : 1 bit de départ, 8 bits de données (le bit de poids faible en premier), pas de bit de parité, 1 bit d'arrêt. Les paramètres par défaut du port série sont les suivants : débit en bauds de 9 600 bps, 1 bit de départ, 8 bits de données, pas de parité, 1 bit d'arrêt. Soit : 9600, N, 8, 1. Si vous souhaitez utiliser d’autres paramètres de port série, vous pouvez les configurer dans le logiciel du centre de mesure et de contrôle.
3.2 Mappage de ports : les modules DTU ne peuvent communiquer entre eux qu’au sein des serveurs du centre de données, via l’adresse IP du réseau public. Cependant, le serveur du centre de données sur lequel se trouve l’utilisateur est généralement connecté à l’adresse IP du réseau public via un routeur. Il se trouve sur le réseau local (LAN) et ne peut pas communiquer avec le serveur du réseau public. La communication directe entre les modules DTU doit donc être assurée à l’aide de la technologie de mappage de ports.
Cet article traite principalement de la mise en place d'un mappage de ports via des routeurs. L'adresse IP publique attribuée au routeur est 60.212.57.124. L'adresse IP LAN du serveur du centre de surveillance des données est : 192.168.3.11. Conformément aux règles de redirection du routeur, un serveur virtuel est utilisé pour le mappage de ports. Une fois le mappage de ports effectué sur le routeur, la relation de mappage entre le port du serveur WAN et le serveur du réseau LAN est définie. Tout accès au port de service WAN sera redirigé vers le serveur web du réseau local spécifié par son adresse IP. Ainsi, toutes les données envoyées au port 8080 sur le réseau GPRS seront transmises au serveur du centre de surveillance des données 192.168.3.11. De la même manière, le serveur du centre de surveillance des données 192.168.3.11 peut également envoyer des données à l’ordinateur du réseau public 60.212.57.124.
3.3 Application de la technologie de résolution dynamique des noms de domaine et du logiciel “ Peanut Shell ” Dans les applications courantes, les utilisateurs disposent rarement de lignes fixes ou dédiées pour accéder au réseau GPRS. Lorsque le serveur du centre de données utilise l’ADSL pour se connecter directement à Internet, il obtient une adresse IP dynamique du réseau public ; sur le réseau GPRS, une adresse IP fixe doit être utilisée pour transmettre les données. Par conséquent, dans ces conditions, pour assurer l’interconnexion entre le GPRS et le serveur du centre de données, il est nécessaire de recourir à la technologie de résolution de noms de domaine dynamiques. À l’heure actuelle, la plupart des adresses IP dynamiques sur le réseau public sont fixées à l’aide du logiciel « Peanut Shell ». Il s’agit d’un logiciel client de service de résolution de noms de domaine dynamiques entièrement gratuit. Le système de résolution dynamique de noms de domaine Peanut Shell est le système de service de noms de domaine dynamiques comptant le plus grand nombre d’utilisateurs au monde. Oray différencie les systèmes de service de noms de domaine dynamiques en fonction du groupe d’utilisateurs et du champ d’application, et fournit une variété de services à valeur ajoutée pour les utilisateurs de différents niveaux : spécification du port source de connexion au serveur Peanut Shell (SourcePort), prise en charge des utilisateurs disposant de plusieurs cartes réseau pour spécifier celles utilisées pour accéder à Internet, prise en charge de la sélection de plusieurs lignes de service d’opérateurs différents, surveillance du service de résolution dynamique et gestion des adresses IP. Lorsque l’utilisateur télécharge et installe correctement le client de noms de domaine dynamiques, puis se connecte avec succès à l’aide de son passeport Oray enregistré, tous les noms de domaine associés à ce passeport et pour lesquels le service Peanut Shell est activé seront liés à l’adresse IP publique de la machine. Vous pouvez utiliser le nom de domaine dynamique Peanut Shell pour mettre en place une application d’accès à distance à l’hôte, afin que les internautes puissent trouver l’adresse réseau de votre machine via le nom de domaine à tout moment et en tout lieu.
4. Développement de logiciels de configuration pour PC
4.1 Développement du logiciel système L'ordinateur central du système est principalement composé d'ordinateurs personnels (PC) disposant d'une bonne connexion réseau. Ces PC doivent exécuter le logiciel du centre de mesure et de contrôle, KingView 6.55, ainsi que la base de données SQL Server. KingView 6.55 est le logiciel de surveillance et de configuration le plus répandu en Chine ; il s’agit d’un logiciel spécialisé dans l’acquisition de données et le contrôle des processus. Il dispose d’une interface homme-machine riche, d’une interface d’exploitation visuelle, d’une vaste bibliothèque d’images, d’une conception simple et pratique, de puissantes capacités de communication réseau, d’une capacité de rafraîchissement de l’écran et de performances d’exécution de scripts. Par ailleurs, il dispose d’interfaces de configuration pour les données en temps réel, les données historiques, les données d’alarme, les utilisateurs sécurisés, les objets variables, les objets périphériques, les objets utilisateur, etc. Il offre une bonne maintenabilité et une grande personnalisation. Il peut prendre en charge l’accès simultané de plus de 200 clients. Un grand nombre d’éléments graphiques et d’éléments de galerie sont fournis, et les utilisateurs peuvent créer leurs propres éléments de galerie en fonction de leurs besoins. Des fonctions telles que les courbes historiques, les rapports et la publication Web ont été encore améliorées, rendant le logiciel plus stable.
Les principales fonctions du système sont les suivantes : ① Réalisation, par des méthodes manuelles ou automatiques, d’une irrigation et d’une fertilisation quantitatives et programmées, tout en permettant une irrigation et une fertilisation adaptatives sans surveillance ; ② L'affichage en temps réel des paramètres environnementaux des cultures, de l'humidité du sol et des paramètres nutritionnels, ainsi que de l'état de fonctionnement ; les alarmes, les requêtes statistiques et la protection de la sécurité ; ③ les graphiques de tendance et l'historique des données ; ④ la configuration des paramètres du système et la gestion des droits d'utilisateur ; ⑤ la configuration des valeurs par défaut relatives à l'irrigation des cultures et la gestion des formules de fertilisation.
La gestion des vannes doit s'effectuer par regroupement, un groupe de vannes contrôlant 5 vannes. Le numéro de groupe de vannes peut être défini librement entre 1 et 34, à condition que les numéros ne se répètent pas. Une même vanne ne peut pas figurer dans plusieurs groupes de vannes afin de garantir un contrôle précis et biunivoque des vannes. Le système de formulation d’engrais est préréglé sur les groupes 1 à 13, et le groupe 1 est sélectionné par défaut, ce qui signifie que seule l’irrigation est effectuée, sans fertilisation. Le système permet de définir la formule de conversion du capteur. Par exemple, la sortie du capteur d’humidité du sol est un signal de tension compris entre 0 et 2,5 V, et sa formule de conversion est un polynôme cubique.
