基于PLC和嵌入式的智能農(nóng)場(chǎng)

李鵬欽，李金燦，陳錠霖，陳慶煥

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)珠江學(xué)院，廣東 廣州 510900）

0 引 言

近年來我國(guó)城市化程度越來越高，農(nóng)村土地被閑置的情況越來越嚴(yán)重，而農(nóng)場(chǎng)式的集中管理可以讓土地的利用率得到提升，效率得到提高，智能農(nóng)場(chǎng)應(yīng)此而生[1-3]。

本設(shè)計(jì)將整個(gè)智能農(nóng)場(chǎng)分為三塊區(qū)域，其中主要區(qū)域是溫室農(nóng)場(chǎng)。在溫室農(nóng)場(chǎng)中使用傳感器，如溫濕度傳感器、光照度傳感器、氣體濃度傳感器等采集農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境信息。然后通過嵌入式系統(tǒng)STM32對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而對(duì)溫室農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整與監(jiān)測(cè)[4]。利用PLC控制步進(jìn)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)，使搭載在步進(jìn)電機(jī)上的攝像頭模塊實(shí)現(xiàn)上下左右移動(dòng)，進(jìn)而監(jiān)控整個(gè)溫室農(nóng)場(chǎng)農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況[5]。第二個(gè)區(qū)域是室外農(nóng)場(chǎng)，主要通過土壤濕度傳感器采集土壤的濕度，然后用PLC控制水泵電機(jī)抽水，對(duì)室外農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行自動(dòng)定時(shí)噴灑[6]。第三個(gè)區(qū)域是家畜養(yǎng)殖場(chǎng)，用PLC控制電機(jī)定時(shí)正、反轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制飼料閘門打開或關(guān)閉，投放飼料，供給家畜食用[7]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在本設(shè)計(jì)中，土壤濕度傳感器、光照度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、溫濕度傳感器作為輸入設(shè)備，采集農(nóng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并送入嵌入式控制器STM32F407進(jìn)行處理[8]。中間繼電器、步進(jìn)電機(jī)、減速電機(jī)作為輸出設(shè)備。PLC接收STM處理信號(hào)和功能按鈕信號(hào)，然后控制中間繼電器，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)攝像頭的移動(dòng)；控制減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，打開飼料閥門，并利用PLC的內(nèi)部定時(shí)功能，實(shí)現(xiàn)定時(shí)噴灑、飼養(yǎng)功能[9]。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

1.1 PLC的I/O分配表

本次設(shè)計(jì)采用2塊PLC分別控制智能農(nóng)場(chǎng)的室內(nèi)與室外[10]。室外農(nóng)牧場(chǎng)PLC的I/O分配表見表1所列。

表1 室外農(nóng)牧場(chǎng)PLC的I/O分配表

室內(nèi)溫室農(nóng)場(chǎng)PLC的I/O分配表見表2所列。

表2 室內(nèi)溫室農(nóng)場(chǎng)PLC的I/O分配表

1.2 PLC的I/O接線圖

室外農(nóng)牧場(chǎng)PLC的I/O接線圖如圖2所示。

圖2 室外農(nóng)牧場(chǎng)PLC的I/O接線圖

圖中：SB1作為農(nóng)場(chǎng)噴灑灌溉按鈕，SB2作為農(nóng)場(chǎng)噴灑灌溉停止按鈕，SB3作為農(nóng)場(chǎng)定時(shí)噴灑按鈕，分別接于PLC的輸入端口X0，X1，X2；輸出口Y0接中間繼電器KM1，使減速電機(jī)正轉(zhuǎn)，輸出口Y1接中間繼電器KM2，使減速電機(jī)反轉(zhuǎn)。SB3作為家畜養(yǎng)殖場(chǎng)定時(shí)喂養(yǎng)啟動(dòng)按鈕，接于PLC輸入端口的X3，SB4作為家畜養(yǎng)殖場(chǎng)定時(shí)喂養(yǎng)停止按鈕，接于PLC輸入端口的X4，輸出口Y2接中間繼電器KM3。將PLC輸入端的COM口與按鈕連接，構(gòu)成輸入回路；將PLC輸出端的COM0口與PLC的0 V相連接，構(gòu)成輸出回路。再將中間繼電器KM1，KM2，KM3接回PLC的24 V，構(gòu)成輸出回路；將24 V電源正負(fù)極接于PLC的24 V與0 V，將輸出端的COM口接回PLC的0 V構(gòu)成輸出回路。

溫室農(nóng)場(chǎng)PLC的I/O接線圖如圖3所示。

圖3 溫室農(nóng)場(chǎng)PLC的I/O接線圖

圖中：SB1作為步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕，SB2作為步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)按鈕，分別接于PLC的輸入端口X0，X1；輸出口Y0接中間繼電器KM1，輸出口Y1接中間繼電器KM2。將PLC的輸入端的COM口與按鈕相連接，構(gòu)成輸入回路，將24 V電源正負(fù)極接于PLC的24 V與0 V，將輸出端的COM口接回PLC的0 V，構(gòu)成輸出回路。

1.3 硬件制作

用亞克力板、支架、人工草皮搭建一個(gè)智能農(nóng)場(chǎng)模型，并將整個(gè)智能農(nóng)場(chǎng)分為溫室農(nóng)場(chǎng)、室外農(nóng)場(chǎng)、家畜養(yǎng)殖場(chǎng)三部分。攝像頭模塊安裝在由2個(gè)步進(jìn)電機(jī)、螺旋桿、亞克力板搭建的載體上，對(duì)溫室農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況進(jìn)行監(jiān)控。然后將PLC與4個(gè)中間繼電器相連，每2個(gè)中間繼電器控制一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)螺旋桿使攝像頭模塊隨之移動(dòng)。之后再搭建水箱，用于農(nóng)場(chǎng)灌溉。完成后的智能農(nóng)場(chǎng)模型如圖4所示。

圖4 智能農(nóng)場(chǎng)硬件模型

2 智能農(nóng)場(chǎng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 攝像頭移動(dòng)

攝像頭移動(dòng)操作的流程如圖5所示。

圖5 攝像頭移動(dòng)操作工作流程

圖中，使用PLC控制步進(jìn)電機(jī)1和步進(jìn)電機(jī)2，步進(jìn)電機(jī)1帶動(dòng)攝像頭上移或下移，步進(jìn)電機(jī)2帶動(dòng)攝像頭左移和右移。由于步進(jìn)電機(jī)為脈沖輸入型，所以需要脈沖輸入型的功能指令。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)1正轉(zhuǎn)時(shí)，螺旋桿也跟著正轉(zhuǎn)，使攝像頭上升；反轉(zhuǎn)時(shí)，螺旋桿也跟著反轉(zhuǎn)，從而使搭載在其結(jié)構(gòu)上的攝像頭下降。同理，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)2轉(zhuǎn)動(dòng)，螺旋桿跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，使攝像頭左移或右移。

2.2 露天農(nóng)場(chǎng)噴灑

露天農(nóng)場(chǎng)噴灑操作流程如圖6所示。

圖6 露天農(nóng)場(chǎng)噴灑操作流程

首先確定是否需要定時(shí)噴灑灌溉，如果需要就用計(jì)數(shù)器進(jìn)行定時(shí)。據(jù)考察得知，如果天氣比較炎熱，農(nóng)作物的噴灑需要一天一次，如僅僅用定時(shí)器梯形圖會(huì)比較繁瑣，所以使用定時(shí)器加計(jì)數(shù)器來實(shí)現(xiàn)延時(shí)。當(dāng)延時(shí)到，通過PLC控制電機(jī)打開水泵，進(jìn)行噴灑。

2.3 家畜養(yǎng)殖場(chǎng)喂養(yǎng)

家畜養(yǎng)殖場(chǎng)定時(shí)喂養(yǎng)操作流程如圖7所示。

圖7 定時(shí)喂養(yǎng)操作流程

先設(shè)定一個(gè)定時(shí)，使喂養(yǎng)家畜時(shí)能定量控制，然后用繼電器控制電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)閘門的開與關(guān)。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 硬件測(cè)試

硬件結(jié)構(gòu)搭建完成后，按照每個(gè)模塊的功能作用，對(duì)與之相應(yīng)的結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行調(diào)試，最后再進(jìn)行整機(jī)調(diào)試。首先，檢測(cè)PLC是否正常運(yùn)行，輸入/輸出端口接線是否正確；接著對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，查看電機(jī)接線、轉(zhuǎn)動(dòng)方向、扭力是否正常；然后檢測(cè)中間繼電器的觸點(diǎn)和線圈是否準(zhǔn)確動(dòng)作；最后用萬用表查看是否有虛焊、短路、斷路等問題，排除因線路問題而導(dǎo)致硬件故障的情況。

3.2 軟件測(cè)試

首先用PLC開發(fā)軟件GX Developer對(duì)編寫好的梯形圖進(jìn)行軟件仿真，通過監(jiān)視各內(nèi)部繼電器的運(yùn)行狀態(tài)，判斷梯形圖是否有語法或功能問題。當(dāng)仿真測(cè)試通過后，可將梯形圖寫入PLC，進(jìn)行硬件模型功能測(cè)試。這個(gè)過程比較復(fù)雜，要根據(jù)各模塊的運(yùn)行情況，對(duì)梯形圖、硬件做出微調(diào)，使系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)。

3.3 測(cè)試結(jié)果

通過多次調(diào)校，本智能農(nóng)場(chǎng)系統(tǒng)測(cè)試的效果如下：

（1）能對(duì)溫室農(nóng)場(chǎng)準(zhǔn)確監(jiān)控；

（2）能對(duì)露天農(nóng)場(chǎng)里的農(nóng)作物進(jìn)行定時(shí)噴水澆灌；

（3）能對(duì)家畜養(yǎng)殖場(chǎng)里的家畜進(jìn)行定時(shí)投喂。

4 結(jié) 語

本設(shè)計(jì)主要對(duì)智能農(nóng)場(chǎng)的運(yùn)行進(jìn)行分析，并搭建智能農(nóng)場(chǎng)模型，基本上模擬了智能農(nóng)場(chǎng)各功能模塊的工作過程。采用PLC結(jié)合STM32的控制方式，通過對(duì)不同環(huán)境變量的需求進(jìn)行系統(tǒng)分化，形成多個(gè)子模塊，使智能農(nóng)場(chǎng)系統(tǒng)能夠?qū)Νh(huán)境的溫濕度、氣體濃度以及光照度等環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)控，并遠(yuǎn)程控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如對(duì)電機(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)等做出調(diào)整。該系統(tǒng)功能齊全，滿足現(xiàn)代智能農(nóng)場(chǎng)的技術(shù)要求，有較好的社會(huì)效益。