王志國，齊 鐵，王 偉，關 闖

(綏化學院)

0 引言

智能溫室也叫自動化溫室，是指配備了由自動控制設備的高科技農業(yè)生產環(huán)境，是近些年發(fā)展起來的一種新型農業(yè)技術，具有資源節(jié)約和生產高效的特點.該文使用PLC作為系統(tǒng)智能控制核心，把溫室的溫度、濕度和光照等作為系統(tǒng)的環(huán)境因子進行研究，使用自動控制技術設計了基于PLC的智能溫室環(huán)境自動控制系統(tǒng).

1 系統(tǒng)控制方案與硬件設計

1.1 系統(tǒng)控制方案

本系統(tǒng)的設計采用手動控制與自動控制相結合的方式，日常運行采用自動控制方式，需要時可以使用控制按鈕切換為手動控制，以提高整套控制設備的可靠性.系統(tǒng)的手動控制方式簡單可靠，由設備控制開關、繼電器、交流接觸器、設備運行限位開關等電氣元件構成;自動控制方式采用基于PLC的自動控制系統(tǒng)，使用傳感器采集溫室的環(huán)境因子數據，對環(huán)境數據進行監(jiān)測和分析，并對環(huán)境因子設定數據的上限和下限，當系統(tǒng)監(jiān)測到某一環(huán)境因子數值超過或者低于設定值，PLC便發(fā)出信號控制相應設備進行動作，從而達到控制溫室環(huán)境因子穩(wěn)定在預先設定的數值范圍內.本系統(tǒng)設備簡單，運行成本低，可以節(jié)約溫室管理的勞動力和勞動強度.

1.2 系統(tǒng)硬件設計

智能溫室環(huán)境控制系統(tǒng)是溫室自動控制的中心，由傳感器、檢測電路、接口電路、現場控制系統(tǒng)組成.其中，傳感器的任務是把與作物有關的現場環(huán)境因子，如溫度、濕度、光照度等，轉換為數字量傳送給PLC，由PLC完成對環(huán)境因子數據的分析，并且根據預先設定的閥值，采用PID算法產生智能決策，然后將產生的控制信號傳給相應的繼電器以驅動執(zhí)行器，如電機，電磁閥，補光燈等，實現智能溫室環(huán)境的自動控制，結構如圖1所示.

圖1 控制系統(tǒng)結構圖

1.3 傳感器選型

1.3.1 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器采用復合型設計，使用高分子薄膜濕敏電容為濕敏元件、鉑電阻為溫敏元件.該傳感器溫度測量范圍為-40～120℃，濕度測量范圍0～100%Rh，具有量程范圍寬、測量精度高、響應時間短、使用方便的特點.

1.3.2 光照傳感器

光照度傳感器采用對弱光也有較高靈敏度的硅蘭光伏探測器作為傳感器光照強度測量元件，具有測量范圍寬、線形度好、防水性強、使用方便、傳輸距離遠的特點.

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 控制算法研究

在連續(xù)控制系統(tǒng)中常常采用PID控制方式，其控制規(guī)律為:

將上式離散化之后，表達式如下:

式中，e(k)為第k次采樣時的偏差值;e(k-1)為第(k-1)次采樣時的偏差值;u(k)為第k次采樣時調節(jié)器的輸出;KP為比例系數;

智能溫室環(huán)境控制系統(tǒng)是一個基于農業(yè)生產管理的自動化系統(tǒng)，由于農業(yè)生產不需要非常精確的控制，作物對各環(huán)境因子的要求不是特別的精確，只要一個區(qū)間即可，比如農作物對溫室的溫度只要求在某一個生長時間段內保持在某一個區(qū)間內，該作物就可以正常地生長.因此，環(huán)境控制系統(tǒng)不需要對溫室中的環(huán)境因子進行精確控制，使用PID控制算法，主要研究算法中的微分部分，建立符合條件的微分方程如下:

微分方程說明:K為溫室的固定放大系數;Ts為溫室的時間常數;Tf為溫室外部熱量轉換為送風溫度產生的變化數值;Tn為溫室室內的環(huán)境溫度.

2.2 PLC控制軟件設計

2.2.1 設計原則

智能溫室環(huán)境控制系統(tǒng)使用PLC作為控制核心，通過繼電器控制相應設備，具體設備的設計原則如下:(1)為了防止設備誤動，使用自鎖電路解決問題;(2)系統(tǒng)具備自診斷功能，使用PLC自身功能解決問題;(3)溫室設有8個或者更多的天窗，天窗受電機控制，當溫度超過設定的溫度時，PLC發(fā)出打開天窗的信號，通過繼電器控制天窗電機打開天窗，通過形成開關控制電機的停止;(4)如果溫室溫度進一步升高，達到一定的數值，打開風機，溫室中裝有2組風機，根據溫度控制打開的數量;(5)如果溫度進一步升高，可以打開濕簾水泵，通過濕簾進一步降低溫度;(6)系統(tǒng)具有自動/手動切換功能，可以利用開關柜上的一個開關作為PLC手動/自動控制的輸入信號，實現自動控制程序到手動的轉換;(7)溫室濕度降低到一定程度，打開濕簾水泵;(8)通過光照傳感器檢測陽光照度，如果超過一定數值，打開遮陽網.

2.2.2 軟件設計

智能溫室環(huán)境控制系統(tǒng)中對天窗、風機、遮陽簾、濕簾的控制是通過PLC，根據傳感器檢測的數據和一定的算法，發(fā)出控制信號，然后通過繼電器控制相應機構和設備的啟停.溫度升高時的算法程序流程圖如圖2所示.

圖2 溫度升高時PLC控制算法程序流程圖

算法說明:首先掃描溫度、濕度和光照度傳感器，然后使用PID控制算法，利用上面的微分方程，根據設定的溫度、濕度和光照度的閥值，PLC首先判斷是否需要打開天窗，如果需要發(fā)出打開天窗的信號;然后判斷是否需要打開風機，如果需要打開風機;接著根據溫度和濕度的設定判斷是否需要打開濕簾，如果需要發(fā)出打開濕簾電磁閥的信號;最后根據溫度和光照度判斷是否需要打開遮陽簾，如果需要打開遮陽簾啟動開關.

2.3 組態(tài)軟件設計

系統(tǒng)使用組態(tài)軟件作為現實輸出和監(jiān)控軟件，組態(tài)軟件從PLC中實時收集傳感器采集的環(huán)境數據，然后通過網絡傳輸到客戶計算機并顯示監(jiān)控數據內容.

2.3.1 遠程監(jiān)視

組態(tài)軟件通過網絡遠程監(jiān)視溫室的環(huán)境數據，包括溫度、濕度和光照強度，還可以監(jiān)控所有控制設備的狀態(tài)，如果發(fā)現問題可以及時報警.

2.3.2 數據統(tǒng)計

組態(tài)軟件可以根據監(jiān)測的溫室環(huán)境數據，進行月份、周和日的統(tǒng)計，給出數據的最大值、最小值和平均值，必要時還可以生成曲線.

3 結語

隨著我國農業(yè)科技的發(fā)展，智能溫室控制必將成為高緯度地區(qū)的發(fā)展趨勢.該文設計了一種基于PLC的智能溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，通過對溫室環(huán)境因子的分析，分析了系統(tǒng)控制算法的微分方程，并設計了系統(tǒng)的軟、硬件結構，目前系統(tǒng)原型已取得成功.經過測試，系統(tǒng)具有可靠性高、使用方便的特點，在實際的溫室應用中取得了良好的控制效果，具有一定的推廣價值.

［1］ 鄧璐娟，張侃諭，龔幼民.智能控制技術在農業(yè)工程中的應用［J］.現代化農業(yè)，2003(12):1-3.

［2］ 王立舒，楊廣林，徐向峰，等.日光溫室溫、濕度模糊控制系統(tǒng)研究［J］.東北農業(yè)大學學報，2005，36(5):625-627.

［3］ 楊衛(wèi)中.溫室環(huán)境智能控制關鍵技術研究與開發(fā)［D］.北京:中國農業(yè)大學，2006.