基于PLC的智能大棚控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

韋湛蘭 韋紅美 楊娟

（百色職業(yè)學(xué)院 廣西百色 533000）

農(nóng)業(yè)種植是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，隨著科學(xué)技術(shù)和先進(jìn)種植手段的不斷出現(xiàn)，農(nóng)作物的反季節(jié)種植逐漸得到了實(shí)現(xiàn)與推廣。目前，人們對(duì)反季的瓜果蔬菜存在更多的需求，為了更好地滿(mǎn)足人們及市場(chǎng)的需求，反季瓜果蔬菜大棚種植技術(shù)逐漸得到廣大地區(qū)的使用。反季瓜果蔬菜大棚種植中，傳統(tǒng)大棚種植模式往往具有很大的局限性，其規(guī)模小、生產(chǎn)散亂，且往往以手工方式進(jìn)行種植和管理，種植和管理過(guò)程費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，影響大棚種植成本及經(jīng)濟(jì)效益。面對(duì)這種情況，針對(duì)農(nóng)業(yè)反季種植和生產(chǎn)的科技技術(shù)逐漸得到研發(fā)，這也對(duì)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化及智能化發(fā)展具有重要意義。

在現(xiàn)代化和智能化農(nóng)業(yè)種植中，需要把握好諸多環(huán)境因素的影響，其中，溫濕度是重要的環(huán)境參數(shù)?；诖?，本文就主要以PLC 技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行智能化大棚控制系統(tǒng)的研發(fā)，PLC技術(shù)具有諸多的功能，以此可以提高系統(tǒng)控制性能，且通過(guò)各類(lèi)傳感器能夠?qū)Υ笈锃h(huán)境內(nèi)的各項(xiàng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)有效采集，再以一系列的傳輸、轉(zhuǎn)化、分析、運(yùn)算等作用于系統(tǒng)執(zhí)行器件，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚內(nèi)環(huán)境條件的實(shí)時(shí)、科學(xué)控制。同時(shí)，以組態(tài)軟件以上位的計(jì)算機(jī)為載體，還可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)種植實(shí)踐情況的遠(yuǎn)程監(jiān)控，且組態(tài)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的云平臺(tái)連接，以手機(jī)客戶(hù)端APP 就能夠?qū)LC 達(dá)到遠(yuǎn)程控制［1］。此系統(tǒng)具有智能化和自動(dòng)化的特點(diǎn)，借助人機(jī)界面功能實(shí)時(shí)管理，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)大棚農(nóng)業(yè)智能化的種植管理，節(jié)約種植中的人工成本，并促進(jìn)大棚種植效益的提升，具有非常重要的推廣應(yīng)用價(jià)值。

PLC技術(shù)在溫室大棚中可實(shí)現(xiàn)智能化、模塊控制、大數(shù)據(jù)精確化處理，因此，可選擇利用PLC進(jìn)行溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文基于PLC和MCGS組態(tài)技術(shù)對(duì)智能大棚系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)、監(jiān)測(cè)，從而為農(nóng)作物提供合適的生長(zhǎng)環(huán)境，提高農(nóng)作物產(chǎn)量，節(jié)約人工成本。此系統(tǒng)具有顯著的應(yīng)用價(jià)值與特點(diǎn)。首先，其具有精準(zhǔn)控制與實(shí)時(shí)控制的功能。環(huán)境檢測(cè)和控制是其基本目的，通過(guò)相應(yīng)傳感器及智能化設(shè)備的使用，便于人們對(duì)大棚內(nèi)的農(nóng)作物生長(zhǎng)情況進(jìn)行及時(shí)掌握，進(jìn)而結(jié)合農(nóng)作物實(shí)際情況實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制和管理，還可根據(jù)傳感器所傳遞的數(shù)據(jù)進(jìn)行操作，因此具有反應(yīng)及時(shí)的優(yōu)勢(shì)，為農(nóng)作物的生長(zhǎng)及時(shí)營(yíng)造良好的環(huán)境條件。其次，此系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程控制的功能。系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，能夠借助計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)距離對(duì)大棚環(huán)境實(shí)現(xiàn)操控，不但能夠促進(jìn)操作人員工作效率的提升，而且操作人員還能實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚的環(huán)境情況進(jìn)行跨地區(qū)監(jiān)視和掌控。

1 智能大棚系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用西門(mén)子型PLC 為主要控制器，通過(guò)傳感器檢測(cè)環(huán)境信息，并對(duì)檢測(cè)得到的信息進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)化，傳送到PLC中，將實(shí)際環(huán)境參數(shù)與設(shè)置參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，反復(fù)控制執(zhí)行元件，使得實(shí)際參數(shù)接近設(shè)置參數(shù)，同時(shí)利用MCGS組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。該系統(tǒng)的控制通過(guò)PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)，借助溫濕度的傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚環(huán)境模擬量的實(shí)時(shí)采集，通過(guò)PLC 中模擬量的輸入模塊，對(duì)所采集模擬量實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的轉(zhuǎn)變，并向PLC傳輸和運(yùn)算，系統(tǒng)的執(zhí)行器件主要有卷簾、水泵及加熱器等，借助它們對(duì)大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)與控制，確保環(huán)境條件一直滿(mǎn)足合理的要求范圍。借助組態(tài)軟件以上位的計(jì)算機(jī)還能對(duì)農(nóng)業(yè)種植情況實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控效果［2］。此系統(tǒng)具有諸多的功能，主要包括開(kāi)窗通風(fēng)、土壤濕度增加、空氣溫度增加和降低、上位機(jī)監(jiān)控等。

開(kāi)窗通風(fēng)方面，主要借助卷簾實(shí)現(xiàn)該功能，進(jìn)而促進(jìn)大棚濕度的降低。當(dāng)大棚內(nèi)的濕度比設(shè)定的要求值高時(shí)，PLC 會(huì)發(fā)出控制信號(hào)，卷簾電機(jī)就會(huì)啟動(dòng)和運(yùn)行；當(dāng)大棚內(nèi)的濕度比設(shè)定值要低時(shí)，則PLC會(huì)發(fā)出控制信號(hào)停止卷簾電機(jī)的運(yùn)行。

土壤濕度增加方面，主要借助水泵來(lái)實(shí)現(xiàn)。大棚內(nèi)的土壤濕度比設(shè)定的要求值低，此時(shí)，PLC會(huì)發(fā)出控制信號(hào)，讓水泵啟動(dòng)運(yùn)行；大棚內(nèi)的土壤濕度比設(shè)定的要求值高時(shí)，則PLC會(huì)發(fā)出控制信號(hào)停止水泵運(yùn)行。

空氣溫度增加方面，主要借助加熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)。大棚內(nèi)的空氣溫度比設(shè)定的要求值低時(shí)，則PLC 會(huì)發(fā)出控制信號(hào)，讓加熱器啟動(dòng)運(yùn)行；大棚內(nèi)的溫度比設(shè)定的要求值高時(shí)，則PLC 會(huì)發(fā)出控制信號(hào)，讓加熱器中止運(yùn)行。

空氣溫度降低方面，主要借助遮陰簾來(lái)實(shí)現(xiàn)。大棚內(nèi)的空氣溫度比設(shè)定的要求值高時(shí)，則PLC 會(huì)發(fā)出輸出信號(hào)，讓遮陰簾的電機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行。

上位機(jī)的監(jiān)控方面，主要借助監(jiān)控界面對(duì)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，且可借助物聯(lián)網(wǎng)載體對(duì)大棚進(jìn)行遠(yuǎn)程智能化的監(jiān)控。

1.1 硬件電路設(shè)計(jì)

PLC 是一種新型的控制裝置，其以繼電器及計(jì)算機(jī)控制為基礎(chǔ)，微處理器是其核心部件，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制等技術(shù)功能的集合。西門(mén)子系列PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，各個(gè)模塊相互獨(dú)立，性?xún)r(jià)比高，在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

本系統(tǒng)主控模塊設(shè)計(jì)時(shí)，把單片機(jī)與各模塊集于同一PCB板上進(jìn)行焊接，而未預(yù)留有下載端口，則在對(duì)程序調(diào)試及下載時(shí)，以單片機(jī)的最小系統(tǒng)當(dāng)作程序燒錄平臺(tái)。系統(tǒng)能量來(lái)源為電源模塊，其對(duì)各個(gè)元器件提供電源支持，本系統(tǒng)供電選擇直流5V 類(lèi)型的電源。DC端和USB的數(shù)據(jù)線(xiàn)連接能夠獲取電量，對(duì)整個(gè)硬件實(shí)現(xiàn)電源提供，且還有自鎖開(kāi)關(guān)的設(shè)置，將其開(kāi)關(guān)鍵按下后，就能夠接通電源，當(dāng)再次按下按鍵后，電源就會(huì)斷開(kāi)［3］。

溫度傳感器為PT100 溫度傳感器，型號(hào)為WZP-035，測(cè)量范圍是-50～200℃，具有穩(wěn)定性好、精度高等特點(diǎn)，且其可以完成單總線(xiàn)結(jié)構(gòu)的支持，以一根數(shù)據(jù)線(xiàn)就能夠達(dá)到上下行的通信目的。在單總線(xiàn)設(shè)計(jì)方案中，單片機(jī)不用進(jìn)行I/O 口的設(shè)置，諸多數(shù)量溫度傳感器還能夠以串聯(lián)方式使用，從而對(duì)多個(gè)方位實(shí)際溫度達(dá)到測(cè)控。

濕度傳感器型號(hào)為歐姆龍ES2-HB，測(cè)量范圍是20%～95%，其和單片機(jī)、補(bǔ)償器等結(jié)合使用，對(duì)土壤濕度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制效果。在此傳感器中，主要有濕敏電阻、控制模塊兩個(gè)部分，其中，濕敏電阻在土壤內(nèi)設(shè)置，結(jié)合土壤內(nèi)含水量情況，其電阻值會(huì)實(shí)時(shí)變換，控制模塊和濕敏電阻相接，實(shí)現(xiàn)其阻值狀態(tài)的獲??；而另一端則和單片機(jī)端口連接，以檢驗(yàn)電平和處理器完成數(shù)字化的通信?？刂颇K內(nèi)存在閾值調(diào)節(jié)的開(kāi)關(guān)，以此可以對(duì)土壤濕度的檢測(cè)上下限進(jìn)行調(diào)節(jié)。

光照強(qiáng)度傳感器型號(hào)為GY-302 BH1750，測(cè)量范圍是1-65535lx，其對(duì)光線(xiàn)照射具有很高的靈敏度，沒(méi)有光照的情況下，則呈現(xiàn)出高電阻的狀態(tài)。

其中，溫度傳感器和濕度傳感器輸出為模擬信號(hào)，需要通過(guò)PLC 中模擬量輸入模塊將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，光照強(qiáng)度傳感器輸出為數(shù)字信號(hào)，可直接通過(guò)數(shù)字量輸入模塊輸入。根據(jù)智能大棚各檢測(cè)模塊功能需求，對(duì)I/O 地址進(jìn)行分配，PLC 控制器的輸入包括系統(tǒng)啟動(dòng)、停止按鈕、各檢測(cè)模塊及執(zhí)行設(shè)備開(kāi)關(guān)，輸出包括加熱器、冷卻設(shè)備等執(zhí)行設(shè)備的啟動(dòng)或停止。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括上位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)和下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)上位機(jī)MCGS 實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，可對(duì)PLC系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而調(diào)節(jié)大棚內(nèi)各環(huán)境參數(shù)，同時(shí)也可以實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)界面主要包括三大部分，即功能選擇、實(shí)時(shí)環(huán)境參數(shù)顯示和對(duì)環(huán)境參數(shù)的設(shè)置，以及各個(gè)執(zhí)行設(shè)備的工作情況。按下開(kāi)始按鈕后，系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行，可對(duì)工作模式進(jìn)行選擇［4］。若為手動(dòng)操作，則需要對(duì)各個(gè)執(zhí)行設(shè)備通過(guò)手操開(kāi)關(guān)來(lái)進(jìn)行控制，用指示燈來(lái)指示各執(zhí)行設(shè)備的工作情況。界面設(shè)計(jì)完成后，還需要保證能夠與PLC建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，這樣才能夠在觸摸屏上觀看到監(jiān)控情況。

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要是完成PLC 程序設(shè)計(jì)，采用STEP7 軟件進(jìn)行編程，控制流程通過(guò)判斷是否達(dá)到上下限來(lái)對(duì)各執(zhí)行元件進(jìn)行控制。此部分的軟件設(shè)計(jì)涉及溫度控制、光照控制、濕度控制、執(zhí)行控制等模塊。

溫度控制模塊中，主要以PT100 溫度傳感器實(shí)現(xiàn)串行接口的通信，于數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊_DQ端和處理器達(dá)到上下行的通信目的。

光照控制和濕度控制模塊中，主要通過(guò)光敏電阻GY-302 BH1750傳感器及土壤濕度歐姆龍ES2-HB傳感器進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)的采集與控制，且所采集信號(hào)為電壓信號(hào)類(lèi)型，基于A/D轉(zhuǎn)換器作用，和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)通信目的。

在執(zhí)行控制模塊中，本執(zhí)行模塊設(shè)計(jì)目的主要用于對(duì)光照、溫度和土壤濕度的期望值范圍控制，有利于環(huán)境條件滿(mǎn)足作物良好生長(zhǎng)的需求。此模塊包括溫度補(bǔ)償、濕度補(bǔ)償、通風(fēng)補(bǔ)償和光照補(bǔ)償?shù)炔糠?，這些部分以所設(shè)參數(shù)閾值具備自動(dòng)調(diào)控功能，從而對(duì)環(huán)境實(shí)時(shí)參數(shù)實(shí)現(xiàn)控制。此模塊軟件的設(shè)計(jì)思路為若所檢測(cè)參數(shù)比所設(shè)閾值低或高，系統(tǒng)的開(kāi)啟就會(huì)中斷，而相應(yīng)端口所對(duì)應(yīng)執(zhí)行模塊就會(huì)開(kāi)啟，在參數(shù)符合期望值的要求后，其執(zhí)行模塊就會(huì)關(guān)閉［5］。

2 智能大棚系統(tǒng)的流程設(shè)計(jì)

當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始工作后，對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行初始化，主要是為了確保整個(gè)系統(tǒng)具備良好的環(huán)境，為后續(xù)軟件的運(yùn)行和使用提供良好條件。以采集模塊對(duì)大棚環(huán)境內(nèi)的實(shí)時(shí)參數(shù)實(shí)現(xiàn)采集，如光照強(qiáng)度、土壤濕度等都以A/D轉(zhuǎn)換將模擬量實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)置有最佳的期望值參數(shù)，即作物最佳的生長(zhǎng)環(huán)境和條件，監(jiān)測(cè)一段時(shí)間后，讀取溫度、濕度、光照強(qiáng)度傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)對(duì)比分析，從而判斷目前實(shí)際環(huán)境參數(shù)的合適性。以執(zhí)行模塊對(duì)環(huán)境參數(shù)及期望值進(jìn)行判斷，如：當(dāng)大棚內(nèi)溫度低于設(shè)定的溫度下限時(shí)，啟動(dòng)加熱器，高于設(shè)定溫度的上限時(shí)，啟動(dòng)冷卻設(shè)備，降低環(huán)境溫度；當(dāng)大棚內(nèi)濕度低于設(shè)定濕度的下限時(shí)，啟動(dòng)噴灌設(shè)備，高于設(shè)定濕度的上限時(shí)，啟動(dòng)通風(fēng)設(shè)備，使得空氣濕度降低；當(dāng)大棚內(nèi)光照強(qiáng)度低于設(shè)定的光照強(qiáng)度下限時(shí)，啟動(dòng)補(bǔ)光設(shè)備，光照增強(qiáng)，高于設(shè)定的光照強(qiáng)度上限時(shí)，啟動(dòng)遮光設(shè)備，光照減弱。若最終參數(shù)未穩(wěn)定在給定范圍內(nèi)，則重復(fù)此過(guò)程；若參數(shù)穩(wěn)定在給定范圍內(nèi)，則系統(tǒng)停止工作［6］。

3 智能大棚系統(tǒng)調(diào)試和處理

3.1 軟件設(shè)備調(diào)試和處理

在對(duì)此系統(tǒng)的調(diào)試和處理中，由于直接在實(shí)際的系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)試存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，先通過(guò)系統(tǒng)仿真的方式對(duì)方案的可行性進(jìn)行檢驗(yàn)，其也是對(duì)軟件的運(yùn)行狀況掌握的有力手段，所以，可利用S7-PLCSIM 仿真軟件對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試。在本次設(shè)計(jì)方案中的WZP-035 能夠在元件庫(kù)內(nèi)獲取，而GY-302 BH1750 和歐姆龍ES2-HB 等傳感器主要以電位器模擬。依據(jù)電路圖，依次做好元器件的連接、運(yùn)行、仿真，結(jié)合仿真的實(shí)際情況，判斷方案可行性及軟件編寫(xiě)的正確性。在仿真過(guò)程中，通過(guò)對(duì)輸入量進(jìn)行控制，對(duì)程序運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，進(jìn)而不斷完善程序［7］。

3.2 硬件設(shè)備調(diào)試和處理

由于硬件設(shè)備過(guò)多且線(xiàn)路復(fù)雜，可采用抽樣檢測(cè)的方法來(lái)對(duì)可編程控制系統(tǒng)進(jìn)行硬件檢測(cè)，選擇某幾個(gè)硬件系統(tǒng)為檢測(cè)目標(biāo)，檢測(cè)各個(gè)元件是否滿(mǎn)足要求。例如，將光照強(qiáng)度傳感器輸出的數(shù)據(jù)傳送到PLC中，電路中可能存在漏電流等情況，使數(shù)據(jù)不能正常傳送，為了防止出現(xiàn)這些問(wèn)題，可在輸入端并聯(lián)一個(gè)電阻，避免漏電流等情況發(fā)生對(duì)控制系統(tǒng)造成的影響，從而使得系統(tǒng)的硬件設(shè)備滿(mǎn)足工業(yè)要求［8］。此外，還可以采用模擬通電觀察的方法，對(duì)硬件通電之后，先對(duì)各個(gè)傳感器實(shí)際運(yùn)行情況做好觀察，看是否存在元器件的發(fā)熱現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)此類(lèi)情況，要迅速斷電并針對(duì)性檢查。

液晶屏需要做好對(duì)比度的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)到能夠?qū)σ壕?nèi)容清楚顯示和觀察為止。由于各個(gè)傳感器都以液晶屏為載體對(duì)所檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示，因此要所有傳感器的環(huán)境做好模擬。例如，在溫度傳感器附近進(jìn)行加熱，看其溫度值的變化及執(zhí)行模塊實(shí)際運(yùn)行的情況；以強(qiáng)光對(duì)光敏電阻照射，看光照強(qiáng)度變化的情況；對(duì)濕度傳感器進(jìn)行加濕，看濕度值的變化情況。以此類(lèi)操作能夠有效檢查各個(gè)傳感器的實(shí)際運(yùn)行和工作情況，掌握其補(bǔ)償措施的實(shí)施情況，判斷控制系統(tǒng)，能夠?qū)h(huán)境的參數(shù)在期望值要求區(qū)域合理控制。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)通過(guò)西門(mén)子型PLC與MCGS組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)大棚中溫濕度、光照強(qiáng)度環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測(cè)和控制，達(dá)到了智能養(yǎng)護(hù)的目的，有助于農(nóng)作物生長(zhǎng)。該系統(tǒng)適用于多種果蔬的種植，提高了農(nóng)業(yè)自動(dòng)化，具有良好的應(yīng)用前景。用西門(mén)子S7-200 系列小型化PLC CPU224XP 為本系統(tǒng)的控制核心，以組態(tài)王軟件KingView6.55 為監(jiān)控軟件，設(shè)計(jì)一套智能大棚控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了大棚自動(dòng)化種植管理。此控制系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面，且自動(dòng)化水平高，為大棚農(nóng)業(yè)種植的智能化和實(shí)時(shí)化管理提供了有力支持，進(jìn)而促進(jìn)人工成本的節(jié)約和大棚種植效益的提升。根據(jù)農(nóng)業(yè)未來(lái)發(fā)展情況來(lái)看，以智能化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)溫室大棚種植，將是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容，其能夠把人們從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植工作模式中解放出來(lái)，以科技手段的優(yōu)勢(shì)提高農(nóng)業(yè)種植水平，還能夠?qū)崿F(xiàn)種植效益及種植質(zhì)量的提升。