智 慧 溫 室 實(shí) 時(shí) 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 的 研 究

張 云, 楊宏偉

(1. 無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電技術(shù)學(xué)院, 江蘇 無(wú)錫 214153;2. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院, 江蘇 南京 210095)

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智 慧 溫 室 實(shí) 時(shí) 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 的 研 究

張 云1,2, 楊宏偉2

(1. 無(wú)錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電技術(shù)學(xué)院, 江蘇 無(wú)錫 214153;2. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 理學(xué)院, 江蘇 南京 210095)

研制了基于物聯(lián)網(wǎng)和Web技術(shù)的智慧溫室實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)以PLC控制器為控制核心，對(duì)溫室內(nèi)的大氣溫度、濕度、光照度和土壤溫度、濕度等生產(chǎn)要素的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行監(jiān)控，通過(guò)對(duì)溫室遮陽(yáng)、天窗、風(fēng)扇、灌溉和加熱等生產(chǎn)要素調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)、自動(dòng)和基于Web的遠(yuǎn)程控制。較詳細(xì)地介紹了其實(shí)現(xiàn)過(guò)程和參數(shù)調(diào)整方法，對(duì)該系統(tǒng)的研究和實(shí)際制作以及運(yùn)行結(jié)果顯示，該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便、信息采集和控制參數(shù)可靠，可以作為學(xué)校學(xué)生學(xué)習(xí)的實(shí)訓(xùn)裝置，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，也可以推廣應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大田生產(chǎn)中。

智慧溫室; 實(shí)時(shí)監(jiān)控; 遠(yuǎn)程控制; 生產(chǎn)要素

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)作為新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，正在受到全社會(huì)極大的關(guān)注，且發(fā)展越來(lái)越快。目前，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)綜合應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、氣象、交通、物流等各行各業(yè)。在農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)、溫室控制、節(jié)水灌溉、氣象監(jiān)測(cè)以及設(shè)備智能診斷管理等方面也都有了許多探索和成功應(yīng)用的案例。而在數(shù)字農(nóng)業(yè)發(fā)展的今天，感知農(nóng)田環(huán)境信息成為迫切的需要[1-2]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)集約、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全的重要支撐，目前主要應(yīng)用于田間信息的感知和調(diào)節(jié)。對(duì)土壤肥力、土壤溫濕度、大氣溫濕度、光照、水分、二氧化碳濃度等生產(chǎn)要素的檢測(cè)及作物生長(zhǎng)圖像信息的獲取等，通過(guò)采集環(huán)境信息，對(duì)農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以及時(shí)了解農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況、土壤肥力和病蟲(chóng)害狀況，為農(nóng)業(yè)進(jìn)行科學(xué)管理提供依據(jù)，以便及時(shí)采取相應(yīng)的管理措施，調(diào)節(jié)生產(chǎn)要素，使之滿足農(nóng)作物高效生長(zhǎng)的需求，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益[3-4]。

本文針對(duì)溫室智能監(jiān)控的技術(shù)需求，基于物聯(lián)網(wǎng)和自動(dòng)控制等技術(shù)，應(yīng)用PLC控制，完成了智慧溫室自控系統(tǒng)的研制。裝置充分考慮到農(nóng)業(yè)實(shí)際需求、系統(tǒng)穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，控制系統(tǒng)可以直接應(yīng)用到溫室，滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的智能化需求[5-6]。

1 需求分析

溫室能有效地給農(nóng)作物提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境，其市場(chǎng)前景良好，但是溫室管理非常復(fù)雜，溫室農(nóng)作物對(duì)環(huán)境溫度、濕度、光照的要求很高。智慧溫室能夠?qū)崟r(shí)采集空氣溫度濕度、土壤溫度濕度、光照強(qiáng)度等生產(chǎn)要素信息，控制生產(chǎn)要素調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)要素的手動(dòng)、自動(dòng)和遠(yuǎn)程控制。具體要求如下：

(1) 系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)溫室內(nèi)空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度等生產(chǎn)要素信息的采集，并能使用以太網(wǎng)傳輸采集的數(shù)據(jù)。

(2) 系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室內(nèi)風(fēng)扇、天窗、噴淋、遮陽(yáng)和照明裝置的自動(dòng)控制。

(3) 系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控溫室內(nèi)的情況，并能實(shí)時(shí)傳輸?shù)街骺厥业娘@示屏上。

(4) 系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)對(duì)以上各條的遠(yuǎn)程控制，即可以遠(yuǎn)程獲取溫室內(nèi)的生產(chǎn)要素信息和智能控制溫室內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。

(5) 系統(tǒng)可以自動(dòng)控制，也可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制。

2 系統(tǒng)方案論證與設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)調(diào)研，溫室內(nèi)部的溫度、濕度、光照強(qiáng)度和土壤溫度和濕度等參數(shù)實(shí)時(shí)信息由具備總線通信功能的儀表負(fù)責(zé)采集，采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)RS-485總線發(fā)送給控制器，控制器將收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中，最后利用遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)服務(wù)器，獲取服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，再根據(jù)數(shù)據(jù)的內(nèi)容發(fā)送指令給PLC，PLC根據(jù)指令內(nèi)容控制溫室內(nèi)部現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控溫室的目的，通信系統(tǒng)主要模塊[7-10]如圖1所示。

圖1 智慧溫室通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

確定大氣溫濕度、光照度和土壤溫濕度為決定農(nóng)作物生產(chǎn)狀況的主要參數(shù)，信息采集系統(tǒng)通過(guò)設(shè)在溫室里大氣溫濕度、光照強(qiáng)度的傳感器及埋在土壤下的土壤溫濕度傳感器來(lái)采集溫室里的溫度、濕度、光照強(qiáng)度和土壤溫度、濕度等信息，將實(shí)時(shí)生產(chǎn)要素信息傳給PLC，并利用觸摸屏和上位機(jī)顯示實(shí)時(shí)信息。

信息采集設(shè)備采用具備RS-485總線通信功能的儀表，支持Modbus協(xié)議，為了減少安裝工作量盡可能采用較少的傳感器，確定由兩個(gè)儀表組成，其中一個(gè)負(fù)責(zé)大氣溫濕度和光照度信息的采集，另一個(gè)負(fù)責(zé)土壤溫度、濕度信息的采集，總線通信地址分別為1和2。

3.2 控制器選型

控制器主要負(fù)責(zé)溫室溫度、濕度、光照度、土壤溫度、濕度等環(huán)境指標(biāo)監(jiān)測(cè)，其參數(shù)調(diào)節(jié)主要通過(guò)與控制系統(tǒng)相連的風(fēng)機(jī)、天窗、水泵、加濕器等現(xiàn)場(chǎng)控制和調(diào)節(jié)，為遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)提供通信接口。由于信息采集采用總線模式，而且需要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，控制器必須具備總線和以太網(wǎng)通信接口，考慮到控制點(diǎn)位和通信需求，控制器選用提供2個(gè)串口的西門子S7-200系列224XP和以太網(wǎng)擴(kuò)展模塊CP243-1。

3.3 控制模式設(shè)計(jì)

考慮到現(xiàn)場(chǎng)控制的復(fù)雜性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)自動(dòng)和手動(dòng)2種控制模式，手動(dòng)控制由人工操作觸摸屏和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)要素調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的控制，自動(dòng)模式由控制器根據(jù)大氣溫濕度、光照度和土壤溫濕度的設(shè)定值，控制生產(chǎn)要素調(diào)節(jié)設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)生要素的自動(dòng)控制。

自動(dòng)控制包括大氣溫度、濕度、光照強(qiáng)度、土壤濕度等4個(gè)生產(chǎn)要素的自動(dòng)調(diào)節(jié)：如果大氣溫度低，那么就自動(dòng)打開(kāi)加熱裝置，溫度調(diào)整到設(shè)定值后開(kāi)加熱裝置自動(dòng)關(guān)閉；大氣濕度通過(guò)排風(fēng)扇和天窗調(diào)節(jié)，光照度通過(guò)遮陽(yáng)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)，土壤濕度由灌溉機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)[11-13]。

3.4 系統(tǒng)控制點(diǎn)位設(shè)計(jì)

溫室溫濕度、光照度、土壤溫濕度等生產(chǎn)要素的信息采集采用RS-485總線模式，不占控制器的點(diǎn)位，I/O點(diǎn)都來(lái)自于調(diào)節(jié)設(shè)備的控制，由于遮陽(yáng)機(jī)構(gòu)的平移動(dòng)力來(lái)自于運(yùn)動(dòng)絲杠，絲杠兩側(cè)必須設(shè)置限位開(kāi)關(guān)保護(hù)絲杠，防止絲杠錯(cuò)位，遮陽(yáng)機(jī)構(gòu)和天窗采用電機(jī)控制，分別需要2個(gè)點(diǎn)位實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。系統(tǒng)輸入點(diǎn)位為遮陽(yáng)機(jī)構(gòu)打開(kāi)和關(guān)閉的2個(gè)限位開(kāi)關(guān)，輸出為遮陽(yáng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)、推桿電機(jī)正反轉(zhuǎn)、排風(fēng)扇、水泵、加熱裝置7個(gè)生產(chǎn)要素調(diào)節(jié)動(dòng)作，I/O點(diǎn)分配如表1所示。

表1 控制系統(tǒng)I/O點(diǎn)分配表

3.5 控制系統(tǒng)接線設(shè)計(jì)

控制柜采用300 mm×400 mm×200 mm的鍍鋅柜，柜內(nèi)安裝DC24 V和DC12 V 2個(gè)直流電源，分別為PLC、水泵、傳感器和遮陽(yáng)裝置的推拉桿供電，控制器為西門子CPU224XP和擴(kuò)展模塊CP243-1組成。系統(tǒng)輸入點(diǎn)位為數(shù)字量輸入點(diǎn)，直接接到PLC的I0.0和I0.1，系統(tǒng)輸出控制由PLC驅(qū)動(dòng)中間繼電器線圈，通過(guò)線圈吸合而控制現(xiàn)場(chǎng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要素調(diào)節(jié)設(shè)備。排風(fēng)扇、水泵和加熱照明等為數(shù)字量輸出點(diǎn)，直接接到PLC的Q0.4、Q0.5和Q0.6。遮陽(yáng)機(jī)構(gòu)的打開(kāi)和關(guān)閉由交流電機(jī)控制，天窗的打開(kāi)和關(guān)閉由直流電機(jī)控制，通過(guò)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)遮陽(yáng)機(jī)構(gòu)和天窗的打開(kāi)和關(guān)閉，電機(jī)的正反轉(zhuǎn)借助2個(gè)歐姆龍MY2NJ型號(hào)的中間繼電器通過(guò)特殊的接線可以實(shí)現(xiàn)，當(dāng)Q0.1置1時(shí)，系統(tǒng)會(huì)打開(kāi)遮陽(yáng)網(wǎng)，當(dāng)Q0.0和Q0.1同時(shí)置1時(shí)，系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉遮陽(yáng)網(wǎng)。

控制系統(tǒng)電源需求為220 V交流、12 V和24 V直流，在控制柜的兩側(cè)分別安裝12 V和24 V直流電源，220 V交流電源接入設(shè)置空氣開(kāi)關(guān)和保險(xiǎn)絲，直流電源輸出設(shè)置保險(xiǎn)絲，從而確保電源的安全和穩(wěn)定。

3.6 基于Web的訪問(wèn)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程控制通過(guò)建立Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，CPU將采集信息和控制信息傳給上位機(jī)，利用PC Access與下位機(jī)實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)，然后開(kāi)發(fā)軟件與PC Access通信，將實(shí)時(shí)信息存儲(chǔ)到上位機(jī)，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，客戶端通過(guò)訪問(wèn)和修改上位機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)要素信息的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和生產(chǎn)要素調(diào)節(jié)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制[14-16]。

4 系統(tǒng)調(diào)試

智慧溫室實(shí)訓(xùn)裝置監(jiān)控系統(tǒng)由信息采集系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)組成。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)大氣溫濕度、光照度和土壤溫濕度的實(shí)時(shí)顯示，遮陽(yáng)機(jī)構(gòu)、天窗、加熱裝置、排風(fēng)扇、灌溉水泵等設(shè)備的自動(dòng)和手動(dòng)控制。首先檢測(cè)系統(tǒng)監(jiān)控電路和通信電路，確保系統(tǒng)硬件安全，通電后仔細(xì)檢查通信狀態(tài)和效果，通信調(diào)試完畢后，進(jìn)行監(jiān)控程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)采集和生產(chǎn)要素調(diào)節(jié)設(shè)備的手動(dòng)和自動(dòng)控制。

4.1 信息采集系統(tǒng)調(diào)試

智慧溫室控制裝置要采集的數(shù)據(jù)有大氣溫濕度、光照度和土壤溫濕度等5個(gè)生產(chǎn)要素。系統(tǒng)利用信息采集儀表采集數(shù)據(jù)，通過(guò)RS-485總線傳輸給PLC，再利用以太網(wǎng)傳輸給觸摸屏和上位機(jī)。首先檢查硬件電路和RS-485通信地址設(shè)置情況，確保無(wú)誤后通電，利用編程軟件進(jìn)行生產(chǎn)要素采集程序設(shè)計(jì)，定義實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)格式和名稱，對(duì)硬件采集數(shù)據(jù)格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再利用觸摸屏設(shè)計(jì)軟件關(guān)聯(lián)上位機(jī)數(shù)據(jù)，確保上位機(jī)和觸摸屏實(shí)時(shí)顯示溫室內(nèi)實(shí)時(shí)信息，生產(chǎn)要素信息采集調(diào)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 智慧農(nóng)業(yè)溫室裝置的通信正常效果圖

圖2中采集到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)時(shí)信息為：空氣溫度25.33℃,空氣濕度79.09%，光照度106LUX，土壤溫度25.63℃,土壤濕度79.48%。

4.2 控制系統(tǒng)調(diào)試

控制系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備、控制器和通信介質(zhì)組成，用來(lái)調(diào)節(jié)溫室內(nèi)農(nóng)作物生長(zhǎng)要素，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備包括風(fēng)扇、天窗、遮陽(yáng)布、循環(huán)水泵、加熱裝置等?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)，逐一檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的接線情況，確保每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都能正常工作，然后進(jìn)行觸摸屏和上位機(jī)程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的手動(dòng)和自動(dòng)控制。

4.2.1 手動(dòng)控制模式系統(tǒng)調(diào)試

手動(dòng)控制模式運(yùn)行時(shí),通過(guò)觸控屏幕點(diǎn)擊開(kāi)按鈕，數(shù)據(jù)庫(kù)便發(fā)出1條指令，即二進(jìn)制的0和1代碼，這條指令發(fā)送到控制器上，控制器再根據(jù)代碼的內(nèi)容來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)遮陽(yáng)裝置的收放、天窗的開(kāi)關(guān)、排風(fēng)開(kāi)關(guān)、水泵啟停、加熱開(kāi)關(guān)等的控制。首先檢查控制設(shè)備和中繼接線電路情況，確保無(wú)誤后通電，利用編程軟件進(jìn)行生產(chǎn)要素采集程序設(shè)計(jì)，定義控制設(shè)備開(kāi)關(guān)通信數(shù)據(jù)格式和名稱，再利用觸摸屏設(shè)計(jì)軟件關(guān)聯(lián)上位機(jī)數(shù)據(jù)，確保上位機(jī)和觸摸屏實(shí)時(shí)顯示溫室內(nèi)控制信息，程序設(shè)計(jì)注意天窗和遮陽(yáng)電機(jī)的區(qū)別，控制電路分別是直流和交流電機(jī)，交流電機(jī)控制為：當(dāng)Q0.1置1時(shí)，系統(tǒng)會(huì)打開(kāi)遮陽(yáng)網(wǎng)，當(dāng)Q0.0和Q0.1同時(shí)置1時(shí)，系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉遮陽(yáng)網(wǎng)。

手動(dòng)控制調(diào)試結(jié)果如圖3所示，圖中排風(fēng)開(kāi)關(guān)和照明開(kāi)關(guān)改變顏色(顯示為綠色)，表示相關(guān)設(shè)備處于運(yùn)行狀態(tài)，沒(méi)有改變顏色的表示不在運(yùn)行狀態(tài)[17-19]。

圖3 智慧農(nóng)業(yè)溫室實(shí)訓(xùn)裝置的手動(dòng)控制效果圖

4.2.2 自動(dòng)控制模式系統(tǒng)調(diào)試

自動(dòng)控制調(diào)試過(guò)程為：定義生產(chǎn)要素設(shè)定值的格式和名稱，利用編程軟件編制控制程序，根據(jù)調(diào)節(jié)原理驅(qū)動(dòng)相關(guān)控制設(shè)備，自動(dòng)調(diào)節(jié)溫室內(nèi)農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)原理如下：

當(dāng)大氣溫度過(guò)低時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)加熱裝置，直到溫度達(dá)到設(shè)定值；

當(dāng)大氣濕度過(guò)高時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)排風(fēng)扇和打開(kāi)天窗，直到濕度達(dá)到設(shè)定值；

當(dāng)大氣光照度過(guò)低時(shí)，系統(tǒng)打開(kāi)遮陽(yáng)網(wǎng)，直到光照度達(dá)到設(shè)定值；

當(dāng)土壤濕度過(guò)低時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)灌溉水泵，直到土壤濕度達(dá)到設(shè)定值；

自動(dòng)控制首先設(shè)定生產(chǎn)要素最佳值，系統(tǒng)比較設(shè)定值和實(shí)際值的差異，啟動(dòng)相關(guān)設(shè)備調(diào)節(jié)生產(chǎn)要素，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)定的生產(chǎn)環(huán)境，提高生產(chǎn)效率。界面設(shè)定空氣溫度為20℃，空氣濕度為60%，光照度為180LUX，土壤濕度為70%。

系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行時(shí)，“自動(dòng)”按鈕改變顏色(顯示為綠色)，表示系統(tǒng)處于自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。

4.3 基于Web的訪問(wèn)調(diào)試

基于Web訪問(wèn)的本質(zhì)是客戶端應(yīng)用軟件訪問(wèn)服務(wù)器，本系統(tǒng)利用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了服務(wù)器與PLC之間的通信，服務(wù)器通過(guò)西門子PC Access軟件建立參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，開(kāi)發(fā)軟件讀取PC Access數(shù)據(jù)，然后在服務(wù)器上建立數(shù)據(jù)庫(kù)，客戶端開(kāi)發(fā)界面訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)，從而實(shí)現(xiàn)了基于Web的訪問(wèn)，系統(tǒng)PC Access參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖4所示。調(diào)試時(shí)，先給PLC和服務(wù)器設(shè)定相同段的IP地址：192.168.1.100和192.168.1.101，PC Access順利從PLC讀取生產(chǎn)要素和控制狀態(tài)值后，系統(tǒng)軟件將獲取的數(shù)據(jù)存入服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)，調(diào)試應(yīng)用軟件，客戶端輸入網(wǎng)址(服務(wù)器地址)訪問(wèn)服務(wù)器，獲取智慧溫室監(jiān)控狀態(tài)[20-21]。

圖4 PC access參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文在對(duì)溫室智慧生產(chǎn)需求進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，確定了溫室生產(chǎn)要素監(jiān)控需求，人工環(huán)境自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成需求，研制了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧溫室裝置。

首先設(shè)計(jì)了一款具備真實(shí)溫室生產(chǎn)要素調(diào)節(jié)功能的人工模型，按照實(shí)際溫室進(jìn)行等比例縮小，保留了溫室遮陽(yáng)機(jī)構(gòu)、天窗控制機(jī)構(gòu)、灌溉系統(tǒng)、輔助加熱照明系統(tǒng)和排風(fēng)扇等生產(chǎn)要素調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，并繪制好機(jī)械結(jié)構(gòu)圖紙，完成了實(shí)訓(xùn)模型的加工制作。

接著完成了監(jiān)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)，選擇西門子CPU224XP和CP243-1作為系統(tǒng)控制核心，控制器提供兩個(gè)串口和以太網(wǎng)接口，為裝置通信實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)提供多種接口，系統(tǒng)信息采集模塊選擇基于Modbus協(xié)議的RS-485通信模塊，天窗選擇直流電機(jī)控制，遮陽(yáng)機(jī)構(gòu)選擇交流電機(jī)和限位開(kāi)關(guān)相結(jié)合控制，風(fēng)扇、灌溉系統(tǒng)、輔助加熱照明選擇普通開(kāi)關(guān)控制，所有控制對(duì)象均采用繼電器控制。

在硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上完成了控制界面和控制程序設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)了信息采集和設(shè)備控制2個(gè)操作界面，分別在觸摸屏和上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)要素的實(shí)時(shí)監(jiān)控。信息采集界面實(shí)現(xiàn)了大氣溫度濕度、光照度、土壤溫度濕度等生產(chǎn)要素信息的實(shí)時(shí)顯示和設(shè)置功能，控制界面實(shí)現(xiàn)了遮陽(yáng)機(jī)構(gòu)收放和限位、天窗開(kāi)關(guān)、加熱照明開(kāi)關(guān)、灌溉系統(tǒng)啟停、風(fēng)扇開(kāi)關(guān)等控制設(shè)備的實(shí)時(shí)手動(dòng)、自動(dòng)和基于Web的遠(yuǎn)程控制功能。

本文設(shè)計(jì)的智慧溫室實(shí)訓(xùn)裝置技術(shù)問(wèn)題已經(jīng)得到解決，實(shí)驗(yàn)運(yùn)行可靠，目前正在應(yīng)用于教學(xué)中，并且已經(jīng)取得了有關(guān)公司的合作意向，準(zhǔn)備將其產(chǎn)品化，應(yīng)用于更多更廣的領(lǐng)域。

[1] 姚世鳳,馮春貴,賀園園,等.物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究,2011(7):190-193.

[2] 徐海斌,王鴻翔,楊曉琳,曹繼文.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2013,41(5):398-400.

[3] Amardeo C. Sarma, Jo?o Gir?o. Identities in the Future Internet of Things[J].Wireless Personal Communications, 2009, 49(3):353-363.

[4] 劉志輝,朱旭東.物聯(lián)網(wǎng)在設(shè)施農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2014(33):11946-11948.

[5] 葛 瑜.基于PLC和組態(tài)王的智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,42(12):439-441.

[6] 張曉燕.基于觸摸屏和PLC的番茄醬蒸發(fā)器自動(dòng)控制系統(tǒng)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2011, 39(2):501-502.

[7] 張鳳西,鄭 萍,馮濟(jì)武,等.基于西門子PLC的超純水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2014,33(2):112-118.

[8] 周 敏,韓宇光,王軍安,等.基于西門子PLC 的智能溫室控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2014,33(12):99-102.

[9] 王淑英.S7-200西門子PLC基礎(chǔ)教程[M].北京:人民郵電出版社,2010.

[10] 廖常初.S7-200PLC編程及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[11] 廖常初.西門子人機(jī)界面觸摸屏組態(tài)與應(yīng)用技術(shù)[M].2版. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[12] 束長(zhǎng)寶,蔣步軍,于 照,等.多功能PLC實(shí)踐教學(xué)裝置研制[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2014,31(12):70-73.

[13] 沈燦鋼,孫曉明.西門子全集成工業(yè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)訓(xùn)室設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2015,32(2):170-172.

[14] 陳鴻龍,涂 玲,孫 良,等.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的抽油機(jī)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2014,31(9):95-97.

[15] 吳 巍,吳 渭.物聯(lián)網(wǎng)與泛在網(wǎng)通信技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.

[16] 高守瑋,吳燦陽(yáng). ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程[M].北京:航空航天大學(xué)出版社,2009.

[17] 孫曉明,馬 青,曹 虎,等.自適應(yīng)模糊PID 控制在PLC 變頻調(diào)速同步測(cè)試中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2014,33(6):16-19.

[18] 孫松麗,王榮林,張桂新.基于MCGS 的PLC 仿真實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2015,34(1):87-91.

[19] 楊 鴿,鄭 萍,葉建平,等.基于PLC和單片機(jī)的多模式綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2013,30(10):83-86.

[20] 汪光華.智能安防:視頻監(jiān)控全面解析與實(shí)例分析[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[21] 鄭阿奇.SQL Server教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

A Study on Real-time Monitoring System of Smart Greenhouse

ZHANGYun1,2,YANGHong-wei2

(1. School of Electromechanical Technology, Wuxi Institute of Commerce, Wuxi 214153, China;2. College of Science, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

This article studies the smart greenhouse real-time monitoring system based on the Internet of Things and Web technology. The system is cored by PLC controller, and can monitor the real-time information of production factors like atmospheric temperature, relative humidity, light intensity and the temperature and humidity of soil in the greenhouse. By regulating the mechanisms of production factors like shading, roof vent opener, fan, irrigation and heating, manual, automatic and remote control can be operated. This article introduces the realizing process and adjusting method of parameters in detail. Application and the result of this system show that the system is stable and easy to operate. It has reliable information collecting systems and controlling termination and can be used as training equipment in schools for studying and helping students achieve experiences. It is also suitable to be promoted into the farmlands.

smart greenhouse; real-time monitoring; remote control; production factors

2015-10-29

江蘇省無(wú)線傳感系統(tǒng)應(yīng)用工程技術(shù)研究開(kāi)發(fā)中心專項(xiàng)課題(SYKJ13D15)；南京農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)改革課題(2015)

張 云(1980-)男,江蘇泰興人,碩士,講師,研究方向:物聯(lián)網(wǎng)及其應(yīng)用。Tel.:17092583979

楊宏偉(1963-)男,河南汝州人,博士,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向:應(yīng)用物理學(xué),農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。

E-mail:phd_hwyang@126.com

TP 274

A

1006-7167(2016)02-0098-04