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)種植是我國經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)，隨著科學(xué)技術(shù)和先進種植手段的不斷出現(xiàn)，農(nóng)作物的反季節(jié)種植逐漸得到了實現(xiàn)與推廣。目前，人們對反季的瓜果蔬菜存在更多的需求，為了更好地滿足人們及市場的需求，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行種植和管理，種植和管理過程費時、費力，影響大棚種植成本及經(jīng)濟效益。面對這種情況，針對農(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，且通過各類傳感器能夠?qū)Υ笈锃h(huán)境內(nèi)的各項參數(shù)實現(xiàn)有效采集，再以一系列的傳輸、轉(zhuǎn)化、分析、運算等作用于系統(tǒng)執(zhí)行器件，從而實現(xiàn)對大棚內(nèi)環(huán)境條件的實時、科學(xué)控制。同時，以組態(tài)軟件以上位的計算機為載體，還可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)種植實踐情況的遠(yuǎn)程監(jiān)控，且組態(tài)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的云平臺連接，以手機客戶端APP 就能夠?qū)LC 達(dá)到遠(yuǎn)程控制［1］。此系統(tǒng)具有智能化和自動化的特點，借助人機界面功能實時管理，從而實現(xiàn)了對大棚農(nóng)業(yè)智能化的種植管理，節(jié)約種植中的人工成本，并促進大棚種植效益的提升，具有非常重要的推廣應(yīng)用價值。

PLC技術(shù)在溫室大棚中可實現(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進行溫室大棚系統(tǒng)設(shè)計。本文基于PLC和MCGS組態(tài)技術(shù)對智能大棚系統(tǒng)環(huán)境參數(shù)進行調(diào)節(jié)、監(jiān)測，從而為農(nóng)作物提供合適的生長環(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)用價值與特點。首先，其具有精準(zhǔn)控制與實時控制的功能。環(huán)境檢測和控制是其基本目的，通過相應(yīng)傳感器及智能化設(shè)備的使用，便于人們對大棚內(nèi)的農(nóng)作物生長情況進行及時掌握，進而結(jié)合農(nóng)作物實際情況實現(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)進行操作，因此具有反應(yīng)及時的優(yōu)勢，為農(nóng)作物的生長及時營造良好的環(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)，能夠借助計算機遠(yuǎn)距離對大棚環(huán)境實現(xiàn)操控，不但能夠促進操作人員工作效率的提升，而且操作人員還能實現(xiàn)對大棚的環(huán)境情況進行跨地區(qū)監(jiān)視和掌控。

1 智能大棚系統(tǒng)設(shè)計

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

開窗通風(fēng)方面，主要借助卷簾實現(xiàn)該功能，進而促進大棚濕度的降低。當(dāng)大棚內(nèi)的濕度比設(shè)定的要求值高時，PLC 會發(fā)出控制信號，卷簾電機就會啟動和運行；當(dāng)大棚內(nèi)的濕度比設(shè)定值要低時，則PLC會發(fā)出控制信號停止卷簾電機的運行。

土壤濕度增加方面，主要借助水泵來實現(xiàn)。大棚內(nèi)的土壤濕度比設(shè)定的要求值低，此時，PLC會發(fā)出控制信號，讓水泵啟動運行；大棚內(nèi)的土壤濕度比設(shè)定的要求值高時，則PLC會發(fā)出控制信號停止水泵運行。

空氣溫度增加方面，主要借助加熱器來實現(xiàn)。大棚內(nèi)的空氣溫度比設(shè)定的要求值低時，則PLC 會發(fā)出控制信號，讓加熱器啟動運行；大棚內(nèi)的溫度比設(shè)定的要求值高時，則PLC 會發(fā)出控制信號，讓加熱器中止運行。

空氣溫度降低方面，主要借助遮陰簾來實現(xiàn)。大棚內(nèi)的空氣溫度比設(shè)定的要求值高時，則PLC 會發(fā)出輸出信號，讓遮陰簾的電機啟動運行。

上位機的監(jiān)控方面，主要借助監(jiān)控界面對控制系統(tǒng)的實時運行情況實現(xiàn)監(jiān)控，且可借助物聯(lián)網(wǎng)載體對大棚進行遠(yuǎn)程智能化的監(jiān)控。

1.1 硬件電路設(shè)計

PLC 是一種新型的控制裝置，其以繼電器及計算機控制為基礎(chǔ)，微處理器是其核心部件，從而實現(xiàn)計算機和自動控制等技術(shù)功能的集合。西門子系列PLC采用模塊化結(jié)構(gòu)，各個模塊相互獨立，性價比高，在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

本系統(tǒng)主控模塊設(shè)計時，把單片機與各模塊集于同一PCB板上進行焊接，而未預(yù)留有下載端口，則在對程序調(diào)試及下載時，以單片機的最小系統(tǒng)當(dāng)作程序燒錄平臺。系統(tǒng)能量來源為電源模塊，其對各個元器件提供電源支持，本系統(tǒng)供電選擇直流5V 類型的電源。DC端和USB的數(shù)據(jù)線連接能夠獲取電量，對整個硬件實現(xiàn)電源提供，且還有自鎖開關(guān)的設(shè)置，將其開關(guān)鍵按下后，就能夠接通電源，當(dāng)再次按下按鍵后，電源就會斷開［3］。

溫度傳感器為PT100 溫度傳感器，型號為WZP-035，測量范圍是-50～200℃，具有穩(wěn)定性好、精度高等特點，且其可以完成單總線結(jié)構(gòu)的支持，以一根數(shù)據(jù)線就能夠達(dá)到上下行的通信目的。在單總線設(shè)計方案中，單片機不用進行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，從而對多個方位實際溫度達(dá)到測控。

濕度傳感器型號為歐姆龍ES2-HB，測量范圍是20%～95%，其和單片機、補償器等結(jié)合使用，對土壤濕度實現(xiàn)自動控制效果。在此傳感器中，主要有濕敏電阻、控制模塊兩個部分，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，其電阻值會實時變換，控制模塊和濕敏電阻相接，實現(xiàn)其阻值狀態(tài)的獲??；而另一端則和單片機端口連接，以檢驗電平和處理器完成數(shù)字化的通信。控制模塊內(nèi)存在閾值調(diào)節(jié)的開關(guān)，以此可以對土壤濕度的檢測上下限進行調(diào)節(jié)。

光照強度傳感器型號為GY-302 BH1750，測量范圍是1-65535lx，其對光線照射具有很高的靈敏度，沒有光照的情況下，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，需要通過PLC 中模擬量輸入模塊將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，光照強度傳感器輸出為數(shù)字信號，可直接通過數(shù)字量輸入模塊輸入。根據(jù)智能大棚各檢測模塊功能需求，對I/O 地址進行分配，PLC 控制器的輸入包括系統(tǒng)啟動、停止按鈕、各檢測模塊及執(zhí)行設(shè)備開關(guān)，輸出包括加熱器、冷卻設(shè)備等執(zhí)行設(shè)備的啟動或停止。

1.2 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計包括上位機的軟件設(shè)計和下位機的軟件設(shè)計。通過上位機MCGS 實現(xiàn)人機交互，可對PLC系統(tǒng)進行控制，從而調(diào)節(jié)大棚內(nèi)各環(huán)境參數(shù)，同時也可以實時接收數(shù)據(jù)。系統(tǒng)設(shè)計界面主要包括三大部分，即功能選擇、實時環(huán)境參數(shù)顯示和對環(huán)境參數(shù)的設(shè)置，以及各個執(zhí)行設(shè)備的工作情況。按下開始按鈕后，系統(tǒng)開始運行，可對工作模式進行選擇［4］。若為手動操作，則需要對各個執(zhí)行設(shè)備通過手操開關(guān)來進行控制，用指示燈來指示各執(zhí)行設(shè)備的工作情況。界面設(shè)計完成后，還需要保證能夠與PLC建立對應(yīng)關(guān)系，這樣才能夠在觸摸屏上觀看到監(jiān)控情況。

下位機軟件設(shè)計主要是完成PLC 程序設(shè)計，采用STEP7 軟件進行編程，控制流程通過判斷是否達(dá)到上下限來對各執(zhí)行元件進行控制。此部分的軟件設(shè)計涉及溫度控制、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，主要通過光敏電阻GY-302 BH1750傳感器及土壤濕度歐姆龍ES2-HB傳感器進行相應(yīng)數(shù)據(jù)的采集與控制，且所采集信號為電壓信號類型，基于A/D轉(zhuǎn)換器作用，和單片機實現(xiàn)通信目的。

在執(zhí)行控制模塊中，本執(zhí)行模塊設(shè)計目的主要用于對光照、溫度和土壤濕度的期望值范圍控制，有利于環(huán)境條件滿足作物良好生長的需求。此模塊包括溫度補償、濕度補償、通風(fēng)補償和光照補償?shù)炔糠?，這些部分以所設(shè)參數(shù)閾值具備自動調(diào)控功能，從而對環(huán)境實時參數(shù)實現(xiàn)控制。此模塊軟件的設(shè)計思路為若所檢測參數(shù)比所設(shè)閾值低或高，系統(tǒng)的開啟就會中斷，而相應(yīng)端口所對應(yīng)執(zhí)行模塊就會開啟，在參數(shù)符合期望值的要求后，其執(zhí)行模塊就會關(guān)閉［5］。

2 智能大棚系統(tǒng)的流程設(shè)計

當(dāng)系統(tǒng)開始工作后，對所有設(shè)備進行初始化，主要是為了確保整個系統(tǒng)具備良好的環(huán)境，為后續(xù)軟件的運行和使用提供良好條件。以采集模塊對大棚環(huán)境內(nèi)的實時參數(shù)實現(xiàn)采集，如光照強度、土壤濕度等都以A/D轉(zhuǎn)換將模擬量實現(xiàn)數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。對系統(tǒng)設(shè)計設(shè)置有最佳的期望值參數(shù)，即作物最佳的生長環(huán)境和條件，監(jiān)測一段時間后，讀取溫度、濕度、光照強度傳感器數(shù)據(jù)，對采集的數(shù)據(jù)對比分析，從而判斷目前實際環(huán)境參數(shù)的合適性。以執(zhí)行模塊對環(huán)境參數(shù)及期望值進行判斷，如：當(dāng)大棚內(nèi)溫度低于設(shè)定的溫度下限時，啟動加熱器，高于設(shè)定溫度的上限時，啟動冷卻設(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，啟動噴灌設(shè)備，高于設(shè)定濕度的上限時，啟動通風(fēng)設(shè)備，使得空氣濕度降低；當(dāng)大棚內(nèi)光照強度低于設(shè)定的光照強度下限時，啟動補光設(shè)備，光照增強，高于設(shè)定的光照強度上限時，啟動遮光設(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

在對此系統(tǒng)的調(diào)試和處理中，由于直接在實際的系統(tǒng)中進行調(diào)試存在一定的風(fēng)險，先通過系統(tǒng)仿真的方式對方案的可行性進行檢驗，其也是對軟件的運行狀況掌握的有力手段，所以，可利用S7-PLCSIM 仿真軟件對程序進行調(diào)試。在本次設(shè)計方案中的WZP-035 能夠在元件庫內(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、運行、仿真，結(jié)合仿真的實際情況，判斷方案可行性及軟件編寫的正確性。在仿真過程中，通過對輸入量進行控制，對程序運行狀態(tài)進行監(jiān)控，進而不斷完善程序［7］。

3.2 硬件設(shè)備調(diào)試和處理

由于硬件設(shè)備過多且線路復(fù)雜，可采用抽樣檢測的方法來對可編程控制系統(tǒng)進行硬件檢測，選擇某幾個硬件系統(tǒng)為檢測目標(biāo)，檢測各個元件是否滿足要求。例如，將光照強度傳感器輸出的數(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)這些問題，可在輸入端并聯(lián)一個電阻，避免漏電流等情況發(fā)生對控制系統(tǒng)造成的影響，從而使得系統(tǒng)的硬件設(shè)備滿足工業(yè)要求［8］。此外，還可以采用模擬通電觀察的方法，對硬件通電之后，先對各個傳感器實際運行情況做好觀察，看是否存在元器件的發(fā)熱現(xiàn)象，一旦出現(xiàn)此類情況，要迅速斷電并針對性檢查。

液晶屏需要做好對比度的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)到能夠?qū)σ壕?nèi)容清楚顯示和觀察為止。由于各個傳感器都以液晶屏為載體對所檢測數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時顯示，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行加熱，看其溫度值的變化及執(zhí)行模塊實際運行的情況；以強光對光敏電阻照射，看光照強度變化的情況；對濕度傳感器進行加濕，看濕度值的變化情況。以此類操作能夠有效檢查各個傳感器的實際運行和工作情況，掌握其補償措施的實施情況，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

本系統(tǒng)通過西門子型PLC與MCGS組態(tài)軟件實現(xiàn)了對大棚中溫濕度、光照強度環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測和控制，達(dá)到了智能養(yǎng)護的目的，有助于農(nóng)作物生長。該系統(tǒng)適用于多種果蔬的種植，提高了農(nóng)業(yè)自動化，具有良好的應(yīng)用前景。用西門子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)計一套智能大棚控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了大棚自動化種植管理。此控制系統(tǒng)具有良好的人機界面，且自動化水平高，為大棚農(nóng)業(yè)種植的智能化和實時化管理提供了有力支持，進而促進人工成本的節(jié)約和大棚種植效益的提升。根據(jù)農(nóng)業(yè)未來發(fā)展情況來看，以智能化控制系統(tǒng)實現(xiàn)溫室大棚種植，將是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展重點關(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，以科技手段的優(yōu)勢提高農(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。