溫室大棚自動監(jiān)控系統(tǒng)的集成

夏菽蘭+邵茗+紀(jì)正飚

【摘 要】農(nóng)產(chǎn)品的健康生長主要受溫度、濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度等環(huán)境因素的影響。溫室大棚能夠?qū)χ参锏某砷L環(huán)境起到一定的調(diào)節(jié)作用，從而為植物提供最好的生存條件。針對溫室大棚控制系統(tǒng)對環(huán)境控制的需求，以溫度、濕度、CO2濃度和光照強(qiáng)度為實現(xiàn)溫室控制的環(huán)境參數(shù)，集成一種基于PLC和環(huán)境因素傳感器的參數(shù)自動監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)以組態(tài)軟件為開發(fā)平臺。

【關(guān)鍵詞】溫室大棚；集成；傳感器；PLC

溫室大棚作為現(xiàn)代農(nóng)作物生產(chǎn)的一種技術(shù)手段，利用先進(jìn)的技術(shù)來完成生產(chǎn)與管理上的自動化的控制，從而減少了在人力物力上的投入。溫室技術(shù)最關(guān)鍵的部分是對溫室中各個環(huán)境參數(shù)的采集以及控制。手動操作控制、計算機(jī)控制和機(jī)電一體化操作控制是發(fā)展農(nóng)業(yè)環(huán)境控制系統(tǒng)的三個重要階段。大棚自動控制技術(shù)是將網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、電氣工程技術(shù)以及自然科學(xué)等先進(jìn)技術(shù)結(jié)合在一起，根據(jù)植物健康成長的自然規(guī)律，對大棚內(nèi)的各個影響參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)控，從而使農(nóng)作物的自然生長不受制于空氣水分、氣溫、CO2濃度以及光線照射等的外部環(huán)境影響，使農(nóng)作物一直保持在最好的生長狀態(tài)，以此來完成高品質(zhì)和高產(chǎn)量的目標(biāo)。溫室大棚是農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中的一個主要構(gòu)成部分。集成一個基于PLC的溫室大棚自動控制系統(tǒng)，當(dāng)檢測到水分、光線照射強(qiáng)度、氣溫等環(huán)境因素脫離限定范圍時，打開調(diào)控設(shè)備，從而實現(xiàn)對各個環(huán)境參數(shù)的自主調(diào)節(jié)、自主控制，提高環(huán)境因子的控制精度、控制穩(wěn)定性和控制水平。系統(tǒng)主要對水分、氣溫、光線照射強(qiáng)度以及CO2濃度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行研究，并對其進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集以及分析。

1 系統(tǒng)硬件集成

可編程序控制器采用S7-200，主要是由擴(kuò)展模塊（如EM231等）、CPU（CPU226等）以及編程軟件等組成。由主電路以及控制電路組成溫室大棚自動控制系統(tǒng)的硬件電路。主電路主要由多個中間繼電器來對外遮陽、內(nèi)遮陰、內(nèi)保溫、頂開窗、補(bǔ)光燈、加濕器以及內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)進(jìn)行控制；接口電路主要為各個采集點的模擬量輸入模塊EM231與空氣溫度傳感器、空氣濕度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、二氧化碳傳感器等之間的連接；安全柵電路，其作用是當(dāng)現(xiàn)場設(shè)備出現(xiàn)故障、損壞或者與之連接的PLC以及電源等設(shè)備出現(xiàn)問題時，保證儀表與設(shè)備之間產(chǎn)生的熱效應(yīng)不會超出安全范圍之內(nèi)，同時也可提高系統(tǒng)的抗電磁干擾的能力。

2 系統(tǒng)軟件集成

在硬件的基礎(chǔ)上，使用組態(tài)軟件對溫室環(huán)境進(jìn)行調(diào)控，檢測農(nóng)作物生長環(huán)境的二氧化碳濃度、濕度、溫度、光照強(qiáng)度和設(shè)備的狀態(tài)信號，并且控制設(shè)備的關(guān)閉和打開，進(jìn)而調(diào)控各個環(huán)境因子。調(diào)控大棚內(nèi)的影響參數(shù)是通過計算機(jī)提供的操作界面來完成的。用戶根據(jù)自己的實際需要擴(kuò)展硬件平臺，將設(shè)備與傳感器相連接，形成一定的控制邏輯；或根據(jù)時間先后順序來控制相應(yīng)的設(shè)備，從而實現(xiàn)對設(shè)備的自動調(diào)控。溫室環(huán)境參數(shù)是使用相應(yīng)的傳感器進(jìn)行采集，再通過系統(tǒng)算法進(jìn)行處理，從而對溫室環(huán)境進(jìn)行最好的調(diào)節(jié)與控制。

系統(tǒng)以組態(tài)軟件為開發(fā)平臺，本系統(tǒng)是基于上位機(jī)軟件的監(jiān)控平臺，需要對數(shù)據(jù)庫以及環(huán)境變量進(jìn)行組態(tài)設(shè)計、由溫室大棚環(huán)境因子監(jiān)控部分、設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控部分、報警系統(tǒng)部分以及數(shù)據(jù)報表這四個模塊組成。

2.1 系統(tǒng)軟件監(jiān)控方案

溫室監(jiān)控系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)報表的系統(tǒng)畫面、設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)控畫面、報警系統(tǒng)的畫面以及環(huán)境因子監(jiān)控的畫面這四部分組成。用戶利用遠(yuǎn)程設(shè)備如計算機(jī)對各個運行的設(shè)備進(jìn)行觀察監(jiān)控，如溫室補(bǔ)光燈的開啟與關(guān)閉，經(jīng)過系統(tǒng)自動或者是手動控制對現(xiàn)場的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，同時也能通過遠(yuǎn)程監(jiān)控的畫面監(jiān)測與控制環(huán)境因子。實時數(shù)據(jù)報表是對當(dāng)前監(jiān)測數(shù)據(jù)的記錄，而歷史數(shù)據(jù)報表是對過去的監(jiān)測數(shù)據(jù)的記錄。用戶能夠通過查看數(shù)據(jù)報表了解、掌握溫室環(huán)境變化，做出正確的分析與決策，合理的調(diào)整控制系統(tǒng)，獲得最合適的控制方式。當(dāng)環(huán)境因素值超過或者低于設(shè)定值時，報警系統(tǒng)會對用戶進(jìn)行及時的提醒，并對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，從而使參數(shù)值回到設(shè)定值范圍之內(nèi)，以保證溫室自動系統(tǒng)的正常工作。

PLC是可編程控制器，主要是由CPU、擴(kuò)展接口、輸入輸出單元以及通信接口等組成。遠(yuǎn)程手動控制與力控軟件的自動控制共同組成溫室自動控制系統(tǒng)。流程是先利用組態(tài)軟件對環(huán)境參數(shù)初始化，并將各個環(huán)境參數(shù)的數(shù)值限定范圍輸入數(shù)據(jù)庫中，方便日后對超出限定值的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行報警以及處理。

用上位機(jī)來顯示獲取的現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)。在遠(yuǎn)程控制狀態(tài)時，工作人員可以根據(jù)現(xiàn)場反饋的數(shù)據(jù)任意調(diào)節(jié)和控制執(zhí)行設(shè)備，以保證參數(shù)值在合理的范圍內(nèi)。當(dāng)系統(tǒng)是處于自動控制的狀態(tài)時，系統(tǒng)隨時將采集的參數(shù)數(shù)值與用戶一開始設(shè)置的環(huán)境參數(shù)數(shù)值進(jìn)行比較，依據(jù)比較結(jié)果運行設(shè)備開關(guān)，以此來達(dá)到自動調(diào)節(jié)溫室環(huán)境的目的。

2.2 主程序

主要包括：對空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度以及二氧化碳濃度進(jìn)行初始測量的程序設(shè)計；外遮陽控制系統(tǒng)程序（確保溫室環(huán)境避免太過強(qiáng)烈的陽光照射，維持在適宜的光照強(qiáng)度范圍）；內(nèi)遮陰控制系統(tǒng)程序（確保溫室環(huán)境不會太過陰暗，維持溫室的溫度在適宜的范圍內(nèi)）；內(nèi)保溫控制系統(tǒng)程序，保證環(huán)境溫度維持在最佳的程度；頂開窗控制系統(tǒng)程序（保證溫室環(huán)境空氣的流通、清新，給植物一個良好的生長環(huán)境）；補(bǔ)光燈控制系統(tǒng)程序（保證溫室內(nèi)的植物能夠得到充足的光照進(jìn)行光合作用，從而茁壯成長）；加濕器控制系統(tǒng)程序（確保大棚內(nèi)空氣濕度適宜，從而避免植物產(chǎn)生干燥枯萎現(xiàn)象；內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)，保證溫室內(nèi)空氣流通）。

2.3 觸摸屏程序

組態(tài)工程的主窗口是所有設(shè)備與用戶的父窗口，它可以利用一個或幾個窗口繼續(xù)調(diào)控。主控窗口是主框架，可以設(shè)置流程及參數(shù)，使用戶操作簡便。一個應(yīng)用系統(tǒng)只能擁有一個主控窗口，主控窗口是獨立存在的，準(zhǔn)確設(shè)置窗口屬性。

2.4 數(shù)據(jù)庫組態(tài)設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)平臺是使用組態(tài)軟件來擔(dān)任的，從而創(chuàng)建出一個控制現(xiàn)場與采集溫室環(huán)境參數(shù)的系統(tǒng)。系統(tǒng)的上位機(jī)是PC機(jī)，獨立于PLC之上。使用組態(tài)軟件進(jìn)行設(shè)計開發(fā)，其中設(shè)計內(nèi)容包含數(shù)據(jù)庫、畫面的實現(xiàn)、報表的生成、現(xiàn)場設(shè)備的實時控制等等。用戶可以查詢傳感器上傳的溫室環(huán)境參數(shù)，也可以讓系統(tǒng)自動進(jìn)行調(diào)節(jié)、監(jiān)控，從而達(dá)到監(jiān)控溫室的目的。對現(xiàn)場進(jìn)行過程控制和數(shù)據(jù)采集的專用軟件是力控組態(tài)軟件，它的最大特點是“組態(tài)方式”的多樣性，它擁有優(yōu)良的開發(fā)界面的功能、簡潔的工程方式，監(jiān)控功能的實現(xiàn)只要對預(yù)設(shè)的軟件模塊進(jìn)行簡單組態(tài)。數(shù)據(jù)庫組態(tài)是力控組態(tài)軟件的核心，實時數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)正常運行的基本前提，實時數(shù)據(jù)庫的設(shè)計和管理是構(gòu)建力控組態(tài)軟件系統(tǒng)的難點和重點。通訊是完成良好調(diào)控的前提，系統(tǒng)通訊是現(xiàn)場設(shè)備和計算機(jī)之間的通訊，利用網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程通訊。

組態(tài)軟件提供安保措施來保證系統(tǒng)的可靠安全。無論是系統(tǒng)的管理或操作人員，還是查看人員都會對監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行操作和管理。為了對不同的操作進(jìn)行區(qū)分，組態(tài)系統(tǒng)設(shè)置了權(quán)限訪問，經(jīng)過設(shè)置，能夠預(yù)防特定人員外的人故意或者無意的修改、關(guān)閉系統(tǒng)參數(shù)。

數(shù)字點與模擬點是溫室自動控制系統(tǒng)的主要兩點，傳感器的濕度值、光線照射強(qiáng)度的數(shù)值、CO2濃度值以及溫度值等包含于模擬點，暖風(fēng)機(jī)開關(guān)、補(bǔ)光燈開關(guān)、二氧化碳閥門與電機(jī)開關(guān)等包含于數(shù)字點。數(shù)據(jù)點與I/O設(shè)備連接在一起，從而控制環(huán)境因子。

3 結(jié)語

溫室中用來監(jiān)控環(huán)境參數(shù)的系統(tǒng)是使用各種傳感器來采集溫室中的環(huán)境數(shù)據(jù)，再根據(jù)一定的方式方法來運行執(zhí)行設(shè)備，以達(dá)到調(diào)節(jié)與控制溫室環(huán)境的目的。集成的系統(tǒng)功能主要有：輸入和存儲溫室數(shù)據(jù)的功能；調(diào)用歷史數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)的功能；顯示和打印實時數(shù)據(jù)動態(tài)的功能；調(diào)控現(xiàn)場設(shè)備的功能；處理故障的功能。系統(tǒng)能夠統(tǒng)一協(xié)調(diào)各模塊使之正常運行，能夠?qū)崟r監(jiān)控溫室大棚內(nèi)的環(huán)境和環(huán)境設(shè)備的實時自動控制。

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[責(zé)任編輯：王偉平]