鄧順華　龍翰威　鄭吉澍　李萍　李佩原

摘 ? 要 ? 重慶地區(qū)設施農業(yè)不斷發(fā)展，但存在夏季高溫導致溫室內出現(xiàn)60 ℃以上高溫等問題亟需解決。目前重慶的設施農業(yè)在智能控制上基本靠引進，存在與重慶環(huán)境不適應、操作人員操作習慣不符等情況，導致控制系統(tǒng)的利用效率不高。為徹底解決這些問題，避免季節(jié)變化和極端氣候條件對作物生長的不利影響，提高溫室的智能化控制水平，針對重慶地區(qū)Venlo型玻璃溫室控制需求，設計研發(fā)了基于PLC和SCADA技術的智能溫室控制系統(tǒng)，實現(xiàn)智能溫室設施的最優(yōu)控制，建成投入使用1年來運行良好，試驗結果表明，控制系統(tǒng)能實現(xiàn)溫室環(huán)境參數的智能控制，節(jié)約了人力成本，降低了能耗。

關鍵詞 ? PLC;SCADA;智能溫室;智能控制系統(tǒng);設計

中圖分類號：S126;TP273 ? ?文獻標志碼：B ? ?DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.13.015

近年來，我國設施農業(yè)發(fā)展迅速，設施栽培面積約占世界的70%，設施栽培面積和總產量已居世界首位。2017年重慶市溫室大棚發(fā)展總面積達到2 743.075萬平方米[1]，其中塑料與玻璃連棟溫室面積超過11.59萬平方米。目前從國外引進的智能溫室控制系統(tǒng)存在水土不服的情況，要么與當地環(huán)境不適應，要么操作人員不會操作等，而國內的溫室控制系統(tǒng)大都還是原始的電控柜，只能手動操作，或者有簡單的屏幕控制系統(tǒng)[2]，智能化程度不高，已無法滿足當前智慧農業(yè)、精準農業(yè)發(fā)展的需求。在勞動力不斷減少的大背景下，人工智能不斷發(fā)展，我國設施農業(yè)也將向著智能化、節(jié)能化、工廠化方向發(fā)展[3-4]，可為社會提供更加豐富、安全、優(yōu)質的綠色健康食品。

1 系統(tǒng)總體方案設計

基于PLC和SCADA技術的智能溫室控制系統(tǒng)從總體架構分為硬件設備和數據綜合管理業(yè)務系統(tǒng)。硬件設備包括溫室控制柜、環(huán)境監(jiān)測傳感器、觸摸屏、外遮陽、內遮蔭、內保溫、頂開窗、軸流風機、環(huán)流風機、百葉窗等，系統(tǒng)采用西門子PLC為下位機控制器，觸摸屏采用昆侖通態(tài)的TPC1561HI為人機交互設備;數據綜合管理業(yè)務系統(tǒng)包含數據庫、服務層、通訊層和前端設備層，采用SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）即數據采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)進行開發(fā)。系統(tǒng)總體架構如圖1所示。

2 控制系統(tǒng)硬件設計

智能溫室控制系統(tǒng)采用PLC為下位機執(zhí)行控制器，采用PROFINET協(xié)議與現(xiàn)場控制觸摸屏通信[5]，通過擴展EM DT32模塊與EM AM06模塊對PLC的IO與模擬輸入輸出口進行擴展以滿足系統(tǒng)需求?？刂葡到y(tǒng)硬件接口與軟件協(xié)議如圖2所示。

智能溫室控制系統(tǒng)包括外遮陽、內遮蔭、內保溫、頂開窗、側開窗等大功率用電設備，考慮到PLC輸出點位電流最大負荷為0.5A，為保障電路穩(wěn)定運行，防止輸出端口因負載電流過大而損壞，在系統(tǒng)控制電路中加入了中間繼電器完成對接觸器的控制，最終實現(xiàn)對設備的控制。為實現(xiàn)系統(tǒng)自動控制，實時感知溫室內環(huán)境因子的變化情況，設計了12組室內環(huán)境因子監(jiān)測傳感器實現(xiàn)溫室內溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照度實時在線監(jiān)測;設計了1個室外小型氣象站，實現(xiàn)了室外溫度、濕度、光照強度、風速、風向等參數的實時在線監(jiān)測。為減少布線工作量，傳感器采用LoRa無線通信實現(xiàn)數據傳輸，LoRa基站、氣象站與PLC采用Modbus協(xié)議進行通信。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 PLC程序設計

PLC程序分為手動控制、自動控制兩種模式。手動控制分為面板控制和遠程手動控制，面板控制為控制柜面板旋鈕控制，遠程控制為服務器軟件手動控制，當輸入設備狀態(tài)改變時，PLC對應輸出口狀態(tài)改變，設備狀態(tài)改變。自動控制分為定時控制和智能控制，定時控制模式下可以選取相應的設備設定對應的開啟、關閉時間，達到設定時間時，選定的設備自動開啟、關閉;智能控制為設定溫度、光照度閾值，當溫室內溫度、光照度達到設定閾值時，通過調用PID算法計算當前應開啟的設備及數量，自動開啟對應的設備，當環(huán)境溫度調節(jié)至設定區(qū)域時，設備自動關停。其控制流程如圖3所示。

3.2 觸摸屏程序設計

為方便管理員現(xiàn)場管理與操作，控制系統(tǒng)設有現(xiàn)場操作屏，該觸摸屏采用昆侖通泰的TPC1561HI，是一套以先進的Cortex-A8 CPU為核心（主頻1 GHz）的高性能嵌入式一體化觸摸屏，可以同時4串口輸出，USB支持鼠標、鍵盤、掃描槍、打印機等，具備強大的圖像顯示和數據處理功能[6]?，F(xiàn)場觸摸屏操作界面包含：歡迎界面、設備運轉狀態(tài)監(jiān)控畫面、參數設置界面、數據查詢界面（傳感器參數實時數值、歷史曲線）與報警界面。系統(tǒng)設備運轉狀態(tài)監(jiān)控畫面如圖4所示。

系統(tǒng)歡迎界面為系統(tǒng)介紹與管理員登錄界面;設備運轉狀態(tài)監(jiān)控畫面包括溫室內所有設備的運轉狀態(tài)及對應動畫、控制按鈕、頁面?zhèn)鞲衅鲗崟r值;數據查詢界面包含有當前傳感器值、實時曲線、歷史曲線等;參數設置界面包含自動控制和定時控制的參數設置，系統(tǒng)為防止誤操作，設有單獨的權限，需獨立密碼進行二次驗證才能操作;報警界面包含有設備運行故障報警和參數異常報警，同時設置有確認取消功能。

3.3 服務器軟件設計

智能溫室控制系統(tǒng)服務器端采用SCADA即數據采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)進行開發(fā)。SCADA以數據采集、傳輸、存儲和管理為基礎，通過運用通信及計算機網絡、信息采集與處理等技術，建設以溫室環(huán)境監(jiān)測、溫室設施監(jiān)控、溫室設施等為核心業(yè)務的監(jiān)控作業(yè)平臺，開發(fā)軟件采用的北京亞控科技KingSCADA 3.53。KingSCADA軟件具有易學、模型多、接口豐富等優(yōu)點[7]，在開發(fā)時能減少工作量，縮短開發(fā)周期。服務器通過局域網采集溫室控制系統(tǒng)數據進行數據監(jiān)控、數據管理及統(tǒng)計分析，通過將系統(tǒng)打包web發(fā)布，遠程用戶直接通過瀏覽器查看、操作控制系統(tǒng)。服務器端包含設備運行狀態(tài)與控制界面、數據報表界面、手動控制界面、自動控制界面、預警提示界面。服務器溫室控制系統(tǒng)首頁如圖5所示。

3.3.1 設備運行狀態(tài)與控制

運行狀態(tài)界面實時顯示溫室2.5D效果圖，實時顯示外遮陽、內遮蔭、頂開窗、內保溫、電動門、濕簾水泵、濕簾外翻窗、側遮蔭、軸流風機、百葉窗和側開窗等設備的運行狀態(tài)和設備開啟、關閉控制操作按鈕，顯示傳感器所在位置，點擊顯示傳感器實時數字情況等。

3.3.2 數據報表

數據報表實現(xiàn)溫室12組傳感器與戶外氣象站的溫度、濕度、光照度、二氧化碳實時數據、歷史數據等查詢。實時數據顯示包含溫度、濕度、光照度和二氧化碳監(jiān)測曲線，顯示當日0點到當前時間的數據曲線;歷史數據可以根據用戶需要進行查詢，選定查詢參數、時間，自動生成數據報表或數據曲線，并可以下載或打印。

3.3.3 手動控制

手動控制界面可以實現(xiàn)遠程控制溫室所有設備的開啟、關閉操作。當設備狀態(tài)改變時，控制界面設備狀態(tài)也會進行相應改變。設備操作后臺系統(tǒng)會自動記錄操作事件、操作人員，管理員可以設定時間進行查詢，方便溫室的管理。

3.3.4 自動控制

玻璃溫室自動控制界面主要實現(xiàn)系統(tǒng)自動運行時間設置和運行模式選擇。當選定定時控制模式時，需要選定設備并設置對應的運行時間，當時間到達時，系統(tǒng)會自動下發(fā)對應指令實現(xiàn)控制。當選定自動控制時，需要設定溫度、光照度的控制閾值，當溫度、光照度達到閾值時，下發(fā)對應指令，PLC執(zhí)行智能控制程序進行控制。

3.3.5 報警提示

報警提示包含設備故障提示、環(huán)境因子超限提示，提示信息包含報警日期、報警時間、報警參數名稱、當前報警值、報警類型和操作員等數據信息。當報警信息發(fā)出時，系統(tǒng)會通過DTU向用戶指定的手機號碼、綁定的微信號碼發(fā)送報警信息，同時現(xiàn)場的警報器也會同時響起，直到有管理員確認解除。報警提示系統(tǒng)提供歷史報警數據查詢，管理員可以根據開始時間和結束時間查詢符合條件的報警數據，可以將報警數據導出打印。

4 小結

本文針對重慶地區(qū)Venlo型玻璃溫室控制需求，設計研發(fā)了一套基于PLC與SCADA技術的智能溫室控制系統(tǒng)，使用溫室內環(huán)境監(jiān)測傳感器實現(xiàn)對溫室內溫度、濕度、光照度、二氧化碳濃度實時在線監(jiān)測，通過PLC將數據采集至控制系統(tǒng)，通過閾值設定、設備選擇，實現(xiàn)溫室外遮陽、內遮蔭等設施的自動控制。試驗結果分析表明，該系統(tǒng)能根據溫度自動控制設備的開啟與關閉，減少了人工投入成本，降低了溫室設施的能耗，對重慶地區(qū)Venlo型玻璃溫室向現(xiàn)代化、信息化、智能化發(fā)展有一定促進作用，具有良好的應用推廣價值和經濟效益。

參考文獻：

[1] 李巒松.重慶市設施農業(yè)現(xiàn)狀與問題分析[J].西南農業(yè)大學學報（社會科學版），2005（3）：18-19，22.

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[3] 范治慧.農業(yè)溫室智能控制系統(tǒng)的設計與開發(fā)[D].大連：大連海洋大學，2019.

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[7] 張蕾，王趁義.KingSCADA在天津北塘污水處理廠的應用[J].科技創(chuàng)新與應用，2013（21）：137.

（責任編輯：易 ?婧）

收稿日期：2020-03-02

基金項目：政府間國際科技創(chuàng)新合作重點專項（2017YFE0122100）;重慶市技術創(chuàng)新與應用示范專項產業(yè)類重點研發(fā)項目（cstc2018jszx-cyzdX0045）。

作者簡介：鄧順華（1989—），男，重慶梁平人，碩士，工程師，主要從事農業(yè)物聯(lián)網及智能裝備研究。E-mail： 362395225@qq.com。

為通信作者，E-mail： longhw@163.com。