基于PLC的智能蔬菜大棚控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陸大同，盧翠珍

(1.百色職業(yè)學(xué)院，廣西 百色　533000；2.百色學(xué)院，廣西 百色　533000)

?

基于PLC的智能蔬菜大棚控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陸大同1，盧翠珍2

(1.百色職業(yè)學(xué)院，廣西 百色533000；2.百色學(xué)院，廣西 百色533000)

摘要：針對智能蔬菜大棚控制的應(yīng)用需求，提出基于PLC的智能蔬菜大棚控制系統(tǒng)，詳細(xì)闡述智能蔬菜大棚控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)以及各功能部件的功能和實(shí)現(xiàn)方法.重點(diǎn)研究并實(shí)現(xiàn)了智能蔬菜大棚控制系統(tǒng)中的無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和基于PLC的機(jī)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).通過對智能蔬菜大棚控制系統(tǒng)中的兩個(gè)關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，有效地解決了構(gòu)建智能蔬菜大棚控制系統(tǒng)中的核心關(guān)鍵問題.

關(guān)鍵詞：蔬菜大棚；智能；溫控；控制；PLC

0引言

現(xiàn)在的大棚控制系統(tǒng)能夠有效地提高蔬菜大棚的溫濕度和光照等蔬菜的生長因素調(diào)節(jié)能力，應(yīng)用智能蔬菜大棚控制系統(tǒng)可以提高蔬菜大棚的自動(dòng)化程度，同時(shí)也助于提高蔬菜大棚的控制精度.目前智能控制系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛地研究并部分應(yīng)用在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)和應(yīng)用，智能蔬菜大棚控制系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的蔬菜大棚的管理和控制方法，具有很明顯的優(yōu)勢[1-3].國內(nèi)的一些學(xué)者對智能蔬菜大棚系統(tǒng)的研究和設(shè)計(jì)成果，也驗(yàn)證了這一結(jié)論.比如：李紀(jì)文,駱德淵等人研究了溫室環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[4].顧陳耀,胡志強(qiáng)等人設(shè)計(jì)了溫室大棚中的卷簾機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)[5].王增娣,薛林則進(jìn)行了綠化帶中的自動(dòng)澆灌裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[6].

在開發(fā)和設(shè)計(jì)智能蔬菜大棚控制系統(tǒng)過程中，最核心的是如何實(shí)現(xiàn)蔬菜大棚中的智能控制.智能蔬菜大棚控制系統(tǒng)的功能組成部件有部分選擇的是市場上一些成熟的功能單元[7-8]，比如溫度控制器，濕度控制器，以及相關(guān)的機(jī)械電機(jī)控制設(shè)備等.如何將這些成熟產(chǎn)品有機(jī)的組合在一起，使其能夠真正發(fā)揮智能蔬菜大棚控制系統(tǒng)的預(yù)期控制效果，為此筆者經(jīng)過深入的研究并提出了基于PLC的智能蔬菜大棚控制系統(tǒng)，詳細(xì)地對該智能蔬菜大棚控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和控制方式及實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了研究和設(shè)計(jì)[9-10].

1智能蔬菜大棚控制系統(tǒng)的組成

結(jié)構(gòu)

智能蔬菜大棚控制系統(tǒng)其設(shè)計(jì)的核心是通過大量的傳感監(jiān)控裝置對蔬菜大棚中的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測，并將監(jiān)測得到的數(shù)據(jù)作為對蔬菜大棚進(jìn)行智能化控制的重要參數(shù).智能蔬菜大棚控制的過程將依賴控制系統(tǒng)的自動(dòng)分析，自動(dòng)由PLC驅(qū)動(dòng)模塊對各種環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，最終實(shí)現(xiàn)對蔬菜大棚的自動(dòng)化和智能化的控制[11-12].

筆者設(shè)計(jì)的智能蔬菜大棚控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，可以看出，該控制系統(tǒng)主要由溫度傳感器、濕度傳感器、二氧化碳傳感器、光照傳感器和視頻監(jiān)控系統(tǒng)等功能模塊對蔬菜大棚內(nèi)的參數(shù)等信息進(jìn)行采集和監(jiān)測.所有監(jiān)測到的信息通過無線通信模塊送入后端的數(shù)據(jù)處理中心，在后端的數(shù)據(jù)處理中心主要由高性能計(jì)算服務(wù)器組成，這些計(jì)算服務(wù)器既需要能夠具備較強(qiáng)的高性能實(shí)施處理能力，同時(shí)也需要具備海量的信息存儲(chǔ)能力.數(shù)據(jù)處理中心處理的結(jié)果能夠直接給系統(tǒng)中的相關(guān)控制設(shè)備進(jìn)行反饋，同時(shí)數(shù)據(jù)處理中心也接受上層用戶的管理，給上層用戶提供用戶管理接口，可以接受用戶發(fā)送過來的控制參數(shù)、控制命令，以及控制方案，數(shù)據(jù)處理中心與智能蔬菜大棚中的控制系統(tǒng)也是通過無線模塊進(jìn)行通信.蔬菜大棚控制系統(tǒng)中的各功能部件，在接收到數(shù)據(jù)處理中心傳遞過來的控制命令之后，這些控制信息都將被送入PLC驅(qū)動(dòng)模塊.這是由于數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送過來的控制命令都是數(shù)字化的信號(hào)，這些信號(hào)主要便于計(jì)算機(jī)的識(shí)別和處理，而對于智能蔬菜大棚的控制設(shè)備的控制信號(hào)，有相當(dāng)一部分是模擬信號(hào)，而且對電流電壓都有較高的要求，因此將數(shù)據(jù)處理中心送來的數(shù)字化的數(shù)據(jù)命令，通過PLC控制模塊轉(zhuǎn)換成能夠識(shí)別的控制信號(hào)，才能夠最終實(shí)現(xiàn)蔬菜大棚的智能化和自動(dòng)化控制.

圖1　智能蔬菜大棚控制系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

在整個(gè)智能蔬菜大棚控制系統(tǒng)中，前端的各種溫度、濕度，以及環(huán)境的監(jiān)測傳感器都可以采用目前通用的傳感設(shè)備，而對于控制端的溫度控制器，開穿機(jī)械系統(tǒng)、拉幕機(jī)械系統(tǒng)、灌溉機(jī)械系統(tǒng)、通風(fēng)機(jī)械系統(tǒng)和觀噪輔助系統(tǒng)等功能部分，也同樣可以選用市場上成熟的功能模塊來實(shí)現(xiàn).智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心主要體現(xiàn)在各個(gè)功能部件之間的無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，PLC驅(qū)動(dòng)控制模塊的設(shè)計(jì)，以及后端的數(shù)據(jù)處理中心的設(shè)計(jì).其中數(shù)據(jù)處理中心的設(shè)計(jì)主要是如何利用高性能的服務(wù)器構(gòu)建出功能強(qiáng)大的后端處理系統(tǒng)，并開發(fā)相應(yīng)的后端處理平臺(tái)和算法.筆者在研究過程中重點(diǎn)針對智能蔬菜大棚控制系統(tǒng)中的無線通信設(shè)備和PLC驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行詳細(xì)的研究，以解決智能蔬菜大棚控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的核心問題.

2基于PLC的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)蔬菜大棚中的控制部件都通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)的方式來實(shí)現(xiàn)，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)相關(guān)控制部件，能夠大幅提高智能蔬菜大棚的自動(dòng)化控制程度[13-14].為了滿足蔬菜大棚智能化的控制需求，使用了基于PLC的自動(dòng)控制技術(shù)，系統(tǒng)工作原理如圖2所示.

圖2　基于PLC的自動(dòng)控制系統(tǒng)工作原理

PLC控制系統(tǒng)根據(jù)用戶發(fā)送的控制命令，或者系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置的控制參量，輸入PLC控制器的控制端，由PLC控制器對蔬菜大棚中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)位置和運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行監(jiān)測.通過監(jiān)測采集到的參數(shù)與PLC接收到的控制參量進(jìn)行對比，由電機(jī)控制參數(shù)計(jì)算單元，計(jì)算出對PLC控制的電機(jī)的具體參量.之后輸出控制參數(shù)至步進(jìn)電機(jī)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)負(fù)載的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)智能蔬菜大棚的自動(dòng)控制目的.

筆者設(shè)計(jì)的PLC控制器所采用的步進(jìn)電機(jī)為混合式步進(jìn)電機(jī).混合式步進(jìn)電機(jī)采用了永磁式和反應(yīng)式共同的控制方式，利用混合式的步進(jìn)電機(jī)能夠有效地提高步進(jìn)電機(jī)的控制靈活性，比較適合蔬菜大棚中對溫度、濕度、通風(fēng)、遮光等多個(gè)因素條件的靈活控制.步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子展開圖如圖3所示，從該圖中可以看出步進(jìn)電機(jī)兩個(gè)轉(zhuǎn)子之間的齒距錯(cuò)開的情況.在第一個(gè)位置A與齒1相對齊，B與齒2向右錯(cuò)開1/4的轉(zhuǎn)動(dòng)周期，C與齒3錯(cuò)開1/2轉(zhuǎn)動(dòng)周期，D與齒4向右錯(cuò)開3/4轉(zhuǎn)動(dòng)周期.

圖3　步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子展開圖

3無線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為了滿足蔬菜大棚的智能化的控制需求，在蔬菜大棚中部署了大量的傳感器以及環(huán)境調(diào)節(jié)控制設(shè)備.而且隨著種植的作物品種的改變，在蔬菜大棚中所部署的傳感器以及控制設(shè)備，可能還會(huì)發(fā)生增減或者調(diào)整.如果所有的傳感器和控制設(shè)備都采用有線的方式進(jìn)行連接，那么在蔬菜大棚中將會(huì)部署大量的信號(hào)傳輸線路，這將極大地增加智能蔬菜大棚的成本，同時(shí)也對智能蔬菜大棚后期的管理和維護(hù)帶來很大的困難.為此智能蔬菜大棚內(nèi)部所有的傳感器和控制設(shè)備都采用無線的控制設(shè)備進(jìn)行通信.由于傳感器和控制設(shè)備在工作時(shí)，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量并不大，因此整個(gè)系統(tǒng)中的通信問題可以采用無線串口的方式進(jìn)行通信.無線串口通信是一種低速率的通信方式，因其實(shí)現(xiàn)簡單、工作穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)，所以非常適合在智能蔬菜大棚的應(yīng)用系統(tǒng)中部署.

為了降低蔬菜大棚的部署成本，對無線信號(hào)的接收和處理都采用了嵌入式設(shè)備來實(shí)現(xiàn).智能蔬菜大棚中的無線通信系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4　無線通信系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

在圖4中對蔬菜大棚的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的一端為ARM嵌入式處理器.筆者所選取的ARM嵌入式處理器為LPC2210型號(hào)，該處理器具有強(qiáng)大的控制功能，能夠滿足智能蔬菜大棚中的控制應(yīng)用需求.與ARM處理器直接相連的是無線通信模塊，筆者所選取的無線通信模塊為HAC UM96，這是一個(gè)集成的無線通信單元，該單元內(nèi)部嵌入了微控制器，利用微控制器能夠?qū)崿F(xiàn)無線信號(hào)的編碼和數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，該無線單元與ARM處理器相連時(shí)，直接將無線處理單元的串口數(shù)據(jù)線和ARM處理器的串口數(shù)據(jù)線直連.在ARM處理器上另外復(fù)用兩根IO控制線，由IO控制線實(shí)現(xiàn)對無線通信模塊中的休眠信號(hào)和復(fù)位信號(hào)的控制.

4總結(jié)

智能蔬菜大棚是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢，通過研究和設(shè)計(jì)智能蔬菜大棚中的控制系統(tǒng)，能夠快速地實(shí)現(xiàn)將傳統(tǒng)的蔬菜大棚升級(jí)改造為智能蔬菜大棚.筆者通過研究和分析智能蔬菜大棚控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，選取最核心的PLC驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)作為智能蔬菜控制系統(tǒng)的核心單元進(jìn)行分析，并給出了詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案，再結(jié)合目前市場上一些成熟的傳感器單元和機(jī)械控制單元，能夠快速地實(shí)現(xiàn)智能蔬菜大棚控制系統(tǒng).

[參考文獻(xiàn)]

[1] 汪金營,胡瑤玫,呂亞洲,等.自動(dòng)控制溫室滴灌系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].節(jié)水灌溉，2010(7): 44-45,48.

[2] 李建海,張大為,張凱,等.數(shù)字PID控制器在溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子測量技術(shù)，2009, 32(4): 100-103.

[3] 劉小英.基于現(xiàn)場總線和PLC控制的污水處理監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國儀器儀表，2007(12)：48-51.

[4] 李紀(jì)文,駱德淵,劉榮.溫室環(huán)境自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009, 25(1): 12-13,45.

[5] 顧陳耀,胡志強(qiáng),吳云,等.溫室大棚卷簾機(jī)無線遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011, 34(19): 44-45,48.

[6] 王增娣,薛林.基于液壓機(jī)械手的綠化帶自動(dòng)澆灌裝置設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2012(12): 83-84,87.

[7] 劉增環(huán),潘明福. 基于PLC及變頻器技術(shù)的帶式輸送機(jī)控制[J]. 煤礦機(jī)械，2011, 32 (9):192-193.

[8] 張士博,單越康,潘勇.止推片自動(dòng)檢測系統(tǒng)PLC控制[J].機(jī)床與液壓，2009, 37(7): 130-132.

[9] 秦常貴.基于PLC的組合機(jī)床的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011, 24(3)：152-153,123.

[10] 齊美星, 張愉, 孫偉. 基于專家PID控制的井下自動(dòng)配煤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 工礦自動(dòng)化，2005(4):34-36.

[11] 黃曉玲.PLC控制系統(tǒng)的抗干擾分析及措施[J].機(jī)電技術(shù)，2010, 33(3): 47-48,55.

[12] 馮瑞琴.基于PLC和模糊控制技術(shù)的污水處理控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011, 39(34): 21233-21234,21237.

[13] 劉濤,劉漫丹.基于PLC的水晶研磨機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2010(5):155-157.

[14] 王彰云.基于嵌入式軟PLC的帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2012, 34(12):139-141.

[責(zé)任編輯蘇琴]

[責(zé)任校對黃祖賓]

Design of Intelligent Control System in Vegetable Greenhouse based on PLC

LU Da-tong1，LUCui-zhen2

(1.BaiseVocationalCollege,Baise533000,China;2.BaiseCollege,Baise533000,China)

Abstract:With the application of the intelligent greenhouse control, proposed intelligent greenhouse control system based on PLC, describes the composition of the intelligent greenhouse control system and the functional components of the function and implementation method. Focusing on the design and Realization of an intelligent greenhouse control system of wireless communication system and the design of motor control system based on PLC. The design and implementation of two key parts of the system in intelligent greenhouse control, effectively solves the problem of constructing core in the control system of Intelligent Greenhouse.

Key Words:Vegetable greenhouse; intelligent control; PLC; temperature control

中圖分類號(hào)：TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-8462(2016)01-0091-04

作者簡介：陸大同(1969-)，男，百色職業(yè)學(xué)院副教授，研究方向:電工電子技術(shù)、PLC技術(shù)、電氣自動(dòng)化.盧翠珍(1969-)，女，百色學(xué)院副教授，研究方向：電氣自動(dòng)化.

基金項(xiàng)目：廣西自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2013GXNSFAA019006); 廣西教育廳科研課題(KY2015LX646 ).

收稿日期：2015-09-30.