蔬菜大棚恒溫恒濕控制系統(tǒng)設(shè)計

戚洪峰

（青島工學院，山東 青島 266300）

1 緒論

蔬菜大棚存在的價值就是為蔬菜提供最適宜的生長環(huán)境，從而避免了氣候的差異和惡劣的天氣環(huán)境。雖然我國是世界第一農(nóng)業(yè)大國，但由于我國對蔬菜大棚的控制技術(shù)研究比較晚，所以我國蔬菜大棚的控制大部分處于手動控制階段，主要靠農(nóng)民師傅的實際經(jīng)驗來完成，技術(shù)比起發(fā)達國家還相對落后。無法發(fā)揮大棚的高效性，影響了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程的發(fā)展。

本設(shè)計主要研究蔬菜大棚恒溫恒濕的控制問題。其核心部件是PLC，PLC作為一款工業(yè)微型控制器，其結(jié)構(gòu)可靠而且它使用較高的供電電壓，減少了外設(shè)的驅(qū)動電路，解決了很大一部分的外設(shè)問題。

（1）掌握蔬菜大棚的主要功能及控制系統(tǒng)設(shè)計。

（2）對蔬菜大棚的運行模式進行邏輯分析并選擇合理的控制方式。

（3）對PLC的硬件部分進行設(shè)計。

（4）對整個系統(tǒng)做整體的測試分析。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

蔬菜大棚的控制系統(tǒng)是用于控制蔬菜的溫濕度，可以用來完成信息采集、信息處理。本設(shè)計可以使大棚的溫濕度到達指定參數(shù)。

本設(shè)計由TM200CE40RS可編程控制器、觸摸屏、傳感器、報警器和輸出設(shè)備組成。采用兩組溫濕度傳感器并且布置在不同的位置，來測量出大棚的溫度和濕度情況。傳感器將所測量的信息發(fā)送給PLC，PLC將其測量值與設(shè)定值進行比較，從而發(fā)出對應(yīng)的指令來調(diào)整大棚內(nèi)部的溫濕度。

其完成的功能如下：

（1）能夠?qū)崟r采集與顯示環(huán)境溫度、濕度等參數(shù)。

（2）能夠根據(jù)要求變化通過鍵盤輸入改變對參數(shù)的設(shè)置，以滿足不同的要求達到最佳效果。

（3）聲音報警功能。

（4）根據(jù)檢測到的信號，實時控制執(zhí)行機構(gòu)的開啟與關(guān)斷。

伴隨著PLC技術(shù)的不斷發(fā)展，可編程控制器的種類和型號也越來越多，它們的功能、價格、使用條件也各不相同。由于本設(shè)計的控制對PLC要求不是很高，調(diào)試和故障查找非常方便，而且價格低廉與和同類型的PLC相比，施耐德公司生產(chǎn)的PLC質(zhì)量好、運行速度快、可擴展性強、抗干擾能力強。因此本設(shè)計采用施耐德公司生產(chǎn)的PLC。

采用TM200CE40R型PLC，此類型的PLC是施耐德公司生產(chǎn)的一種小型的PLC，其功能不比大、中型PLC的水平差，而且TM200CE40R型PLC價格低廉，完全在農(nóng)民師傅的經(jīng)濟承受能力之內(nèi)。當時剛剛推出此產(chǎn)品就引起了自動化工作者的廣泛好評。在本設(shè)計中共用到了十個輸入，九個輸出，其中有八個輸入分別給兩路溫度和濕度傳感器。

觸摸屏人機界面模塊可以操控PLC，通過觸摸屏上的按鍵完全可以實時調(diào)控和監(jiān)視大棚內(nèi)的參數(shù)，使該設(shè)計系統(tǒng)能達到自動化甚至是無人化的控制?？紤]到蔬菜大棚內(nèi)的環(huán)境因素，如果在大棚內(nèi)安裝各種電氣設(shè)備則會在大棚中產(chǎn)生比較多的電磁干擾，會導(dǎo)致信號傳輸?shù)腻e誤故采用RS485實現(xiàn)觸摸屏與PLC的通訊。RS485協(xié)議下數(shù)據(jù)信號采用差分傳輸方式，這樣可以有效的解決共模干擾問題，其最大傳輸距離可以達到一千二百米，而且同一條總線上可以連接多個收發(fā)設(shè)備。RS485協(xié)議設(shè)備價格低廉性能可靠適合小企業(yè)安裝。

溫濕度傳感器的種類很多，其測量精度、性能也不盡相同，而且傳感器會受到各種因素的影響。所以傳感器的選擇對測量的精度起著關(guān)鍵的作用。這就需要根據(jù)實際的環(huán)境，多方面的考察，選擇最合適的傳感器。

傳感器的精度是控制系統(tǒng)重要的性能指標，它就相當于人的眼睛一樣重要。傳感器精度越高測量越準確價格愈昂貴，所以傳感器的精度選擇只要滿足整個系統(tǒng)的精度要求即可。傳感器的穩(wěn)定性是本設(shè)計的關(guān)鍵，穩(wěn)定性除了受到自身結(jié)構(gòu)的影響還與其所在的環(huán)境有著密切的關(guān)聯(lián)。因此，這就要求所選擇的傳感器應(yīng)具備較高穩(wěn)定性較強的抗干擾能力靈敏度高等特點。

（1）溫度傳感器。本設(shè)計采用PT100溫度傳感器來測量大棚的溫度。采集大棚的溫度時要考慮兩種情況，一類是大棚內(nèi)的土壤溫度另一類是大棚內(nèi)部空氣溫度。經(jīng)過詳細的勘察兩個溫度并沒有太大的差別故溫度傳感器直接懸空測量即可。根據(jù)傳感器所能采集的范圍和精度來選擇傳感器的個數(shù)。兩路溫度傳感器足以覆蓋整個蔬菜大棚。

（2）濕度傳感器。濕度傳感器即測量環(huán)境相對濕度的電子式敏感元器件。濕度傳感器選用型號為HS1101的電容傳感器。其濕度允許誤差：±2%RH，量程為1%～99%RH。HS1101電容式傳感器具有靈敏度高、互換性好、響應(yīng)速度快等特點而且其抗干擾能力、防灰塵能力也特別強，可以抵抗如二氧化碳、二氧化硫、二氧化氮等腐蝕性氣體。經(jīng)過實際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)其穩(wěn)定性及可靠性也超出一般電阻式好多倍。所以選用HS1101電容式濕度傳感器更實用。

根據(jù)大棚的面積和植物的高度選擇合適的位置固定傳感器，使得檢測更準確。信息量的采集是本設(shè)計研究的關(guān)鍵。采集不到數(shù)據(jù)或者采集的數(shù)據(jù)不準確本設(shè)計就體現(xiàn)不了它的價值。首先是溫、濕度采集的區(qū)域，起初將溫濕度傳感器放在一起但彼此之間會相互干擾，使得采集的數(shù)據(jù)失真。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)溫度和濕度兩類傳感器要分別安放在不同的區(qū)域才能使采集的數(shù)據(jù)更精準。

四季的溫濕度各有不同，考慮到這方面的因素，再結(jié)合師傅們的經(jīng)驗，選用人機界面進行控制。這樣可以隨時調(diào)節(jié)大棚內(nèi)空氣的溫濕度其操作方式可以通過人機界面進行手動和自動兩種模式的切換。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本設(shè)計的關(guān)鍵問題在于控制大棚內(nèi)的溫濕度。這不僅需要傳感器本身的精度和測量范圍更需要程序的算法。

（1）信息采集功能：模擬量的采集需要溫度和濕度兩類傳感器。兩類傳感器直接和PLC串口連接即可。

（2）時時通訊功能：手動的方式完成對大棚溫濕度的調(diào)節(jié)。一年四季氣候各異，每個季節(jié)都要需要按照植物的生長環(huán)境找到其適宜的生活條件調(diào)控好不同的溫濕度，采用觸摸屏人機界面完成對信息的監(jiān)控和調(diào)試。其通訊方式采用RS485串口通訊。

（3）安全保障功能：本設(shè)計系統(tǒng)還有安全保障性能，如果在高溫的天氣下，降溫效果不明顯時，則開啟有效的緊急措施，不僅打開風扇降溫，還會開啟水閥進行灑水。如果在斷電的情況下會自動保存系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不丟失。如果在大棚內(nèi)溫度特別高時煙霧報警模塊便會啟動，使整個大棚沒有任何安全隱患。

系統(tǒng)開始工作時，溫、濕度傳感器將土壤的溫、濕度測量值傳送給PLC，PLC將檢測到的溫濕度與設(shè)定值進行邏輯運算。若測量值大于設(shè)定值，則打開通風扇降低室內(nèi)溫度并且打開除濕器。若測量值比設(shè)定值小，立即啟動供熱系統(tǒng)和灑水裝置分別提高溫度和濕度，當測量的溫濕度達到設(shè)定值時，則停止供熱和灑水。如果檢測到的溫濕度值等于設(shè)定值，則保持大棚的溫濕度。

4 總結(jié)

本設(shè)計系統(tǒng)有兩種工作模式分別是手動和自動。自動模式是系統(tǒng)正常運行下的狀態(tài)，手動模式主要應(yīng)用于應(yīng)對一些突發(fā)的情況比如火災(zāi)。在正常運行的模式下，溫度和濕度傳感器實時采集數(shù)據(jù)并將采集到的數(shù)據(jù)傳送給PLC，PLC再將測量值與系統(tǒng)的設(shè)定值進行簡單的邏輯比較，若測量值低于設(shè)定值則開啟加熱器和熱風機；若測量值高于設(shè)定值則開啟風扇和空調(diào)降溫；若大棚內(nèi)的測量值與設(shè)定值之差在允許的波動范圍之內(nèi)，系統(tǒng)處于保持狀態(tài)，輸出設(shè)備不工作。

本設(shè)計是在前人原有經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，再結(jié)合農(nóng)業(yè)知識和各種已經(jīng)收集到的實驗數(shù)據(jù)，來進行控制的。這種控制方式可以使系統(tǒng)更精確更穩(wěn)定運行。為了滿足蔬菜大棚在不同的反季節(jié)中有不同的溫濕度的標準，我設(shè)計了可以通過人機界面自動調(diào)控蔬菜大棚內(nèi)環(huán)境的溫度和濕度，從而達到適宜植物生長的環(huán)境。蔬菜大棚的控制系統(tǒng)可以使大棚工作在經(jīng)濟節(jié)能的狀態(tài)，而且無污染、壽命長、易更換，操作簡單。其發(fā)展前景很樂觀。未來，隨著對可編程控制器的深入了解，還可以豐富遠程控制模塊，通過計算機網(wǎng)絡(luò)來實時監(jiān)測和控制大棚內(nèi)的溫濕度。保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定的運行。也可以再增加多款PLC，通過構(gòu)建復(fù)雜的多級網(wǎng)絡(luò)來適應(yīng)大型的農(nóng)業(yè)控制，使該系統(tǒng)運行時更加穩(wěn)定可靠，性能更加完善，最終達到智能化和無人化。