黃瓜大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

吳峰，鄭海英，李大鵬，金銳，王浩

（遼寧工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001）

作物生長(zhǎng)主要受溫度、濕度、光照強(qiáng)度、濃度等因素的影響，而建造智能溫室的目的就是為了對(duì)這些環(huán)境參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)控制。溫室農(nóng)業(yè)避免了作物受到自然環(huán)境因素的限制，能夠使作物按照自身的最佳模式生長(zhǎng)，讓作物與環(huán)境統(tǒng)一起來，對(duì)農(nóng)業(yè)的發(fā)展有重大意義。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)是基于PLC的溫室自動(dòng)控制系統(tǒng)，由PLC、數(shù)據(jù)采集單元及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。各傳感器對(duì)溫室內(nèi)溫度、濕度等參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)，檢測(cè)信號(hào)送入PLC，完成數(shù)據(jù)采集，采集的信號(hào)有溫度、濕度、光照強(qiáng)度、濃度，將采集信號(hào)與預(yù)設(shè)范圍進(jìn)行比較，如超出范圍則報(bào)警。采用PLC為核心控制器，觸摸屏與組態(tài)軟件作為監(jiān)控模塊，輸出信號(hào)控制天窗電機(jī)、遮陽電機(jī)、通風(fēng)電機(jī)、加熱閥門、水泵等，完成各參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，實(shí)現(xiàn)作物各生產(chǎn)時(shí)期的最佳生長(zhǎng)環(huán)境，總體框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)的構(gòu)建

2.1 智能溫室大棚外形圖及規(guī)模

目前生產(chǎn)中應(yīng)用的大棚，按棚頂形狀可以分為拱圓形和屋脊形，我國(guó)絕大多數(shù)為拱圓形，本次設(shè)計(jì)棚頂形狀即選擇拱圓形，大棚棚頂拱圓形為棚頂受力情況最佳狀態(tài)，可有效防止雪壓塌大棚。另外，棚內(nèi)冷凝水可順著棚膜流下，操作空間也是相對(duì)較大，方便安裝設(shè)備，而且成本低。

本次溫室大棚的骨架選用熱鍍鋅鋼材料，熱鍍鋅鋼板材質(zhì)獨(dú)特的“幾”字結(jié)構(gòu)可以有效解決溫室內(nèi)外溫差造成的滴露現(xiàn)象，耐腐蝕性好，壽命更長(zhǎng)，而且10m跨度無需中間支柱，性價(jià)比更高。覆蓋材料選用傳統(tǒng)薄膜覆蓋，本身自重輕，可承受較大的吊掛載荷。所以，本次設(shè)計(jì)的智能溫室大棚是為拱圓形頂部，鋼架結(jié)構(gòu)的骨架，四周由塑料薄膜覆蓋的單棟大棚。大棚規(guī)模、外形圖如圖2所示。

圖1 總體方案框圖

圖2 大棚規(guī)模及外觀圖

2.2 智能溫室大棚各執(zhí)行機(jī)構(gòu)排布

本次設(shè)計(jì)的智能溫室大棚具有較高的自動(dòng)控制機(jī)制，PLC對(duì)傳感器檢測(cè)發(fā)送來的各信號(hào)進(jìn)行分析，輸出不同的控制信號(hào)，以控制天窗的開、關(guān)，遮陽簾的開合，補(bǔ)光燈，二氧化碳發(fā)生器以及加熱器的開關(guān)對(duì)智能溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)的改變，以達(dá)到黃瓜的各個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期的最佳生長(zhǎng)環(huán)境，整個(gè)溫室大棚各執(zhí)行器按前30m比例及間距排列。

2.3 智能溫室大棚傳感器分布

智能溫室大棚主要實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)與控制，以達(dá)到作物最佳生長(zhǎng)狀態(tài)，所以，在整個(gè)自動(dòng)控制過程各環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)部分十分重要，用于環(huán)境檢測(cè)的各傳感器的選擇排布也是尤為重要。本次設(shè)計(jì)共用四個(gè)溫度傳感器，四個(gè)濕度傳感器，三個(gè)二氧化碳傳感器濕度傳感器，兩個(gè)光強(qiáng)傳感器采用壁掛式等間距排布。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)

（1）主程序流程。黃瓜大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)中環(huán)境參數(shù)包括溫室、濕度、二氧化碳濃度和光照強(qiáng)度，這些環(huán)境參數(shù)的檢測(cè)、顯示與控制由主程序、定時(shí)采集數(shù)據(jù)中斷程序組成，其中主程序由初始化和各子程序組成。

（2）溫度控制。溫室內(nèi)的溫度調(diào)節(jié)和控制包括保溫、加溫和降溫。溫度的調(diào)節(jié)和控制是通過溫度傳感器來檢測(cè)溫室內(nèi)的溫度參數(shù)，傳感器檢測(cè)的信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)送入到PLC，通過與PLC內(nèi)部設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行比較后轉(zhuǎn)化為電信號(hào)來控制執(zhí)行器，改變溫室內(nèi)的溫度，使溫室內(nèi)溫度保持在設(shè)定的范圍內(nèi)。

（3）濕度控制。溫室內(nèi)濕度的控制也是由濕度傳感器去檢測(cè)溫室的濕度信號(hào)，把采集的濕度信號(hào)送到PLC中，當(dāng)溫室大棚內(nèi)的濕度低于最低設(shè)定值時(shí)，使用加濕器濕度會(huì)增加；溫室大棚內(nèi)的濕度過大時(shí)也會(huì)使植物的生長(zhǎng)受到影響，降濕的主要方法是通風(fēng)，利用開啟天窗和通風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)降低濕度。

（4）CO2濃度控制。CO2低于最低設(shè)定值，適當(dāng)?shù)赝L(fēng)換氣可以增加室內(nèi)二氧化碳濃度，或通過發(fā)生器沖入進(jìn)行調(diào)節(jié)，使植物充分地進(jìn)行光合作用。當(dāng)二氧化碳濃度過高時(shí)可開窗打開風(fēng)機(jī)通風(fēng)，以降低二氧化碳濃度。

（5）光照強(qiáng)度控制黃瓜的光補(bǔ)償點(diǎn)為1500勒克斯，光飽和點(diǎn)為5.5萬勒克斯，光照強(qiáng)度過大時(shí)，開啟遮陽網(wǎng)，可以使光照下降到對(duì)作物來說較為合適的范圍之內(nèi)；當(dāng)室內(nèi)光照強(qiáng)度過低時(shí)要關(guān)閉遮陽網(wǎng)，同時(shí)可通過補(bǔ)光燈進(jìn)行補(bǔ)光，光照強(qiáng)度控制流程圖如圖3所示。

4 上位機(jī)MCGS組態(tài)設(shè)計(jì)

4.1 創(chuàng)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)

在MCGS組態(tài)軟件中，首先要建立一個(gè)合理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，要建立一個(gè)合理的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，在建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)之前，首先應(yīng)了解整個(gè)工程的系統(tǒng)構(gòu)成和工藝流程，弄清被控對(duì)象特征，明確主要的監(jiān)控要求和技術(shù)要求。數(shù)據(jù)對(duì)象是構(gòu)成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的基本單元，建立數(shù)據(jù)對(duì)象的過程，實(shí)際就是構(gòu)造實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的過程，數(shù)據(jù)對(duì)象有開關(guān)型、數(shù)值型、字符型、事件型、組對(duì)象和內(nèi)部數(shù)據(jù)對(duì)象等六種類型，要根據(jù)控制過程對(duì)控制變量需求特性、對(duì)數(shù)據(jù)對(duì)象的屬性進(jìn)行設(shè)置。

進(jìn)入“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)”窗口頁(yè)定義變量，本次設(shè)計(jì)共需37個(gè)變量，包括13個(gè)數(shù)值型數(shù)據(jù)對(duì)象和24個(gè)開關(guān)型數(shù)據(jù)變量。

圖3 光照強(qiáng)度控制流程圖

4.2 組態(tài)畫面設(shè)計(jì)

4.2.1 監(jiān)控系統(tǒng)主畫面組態(tài)

建立溫室大棚模型，通過啟動(dòng)、停止按鈕完成整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止，各指示燈用于顯示各執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否工作，正常狀態(tài)指示燈熄滅狀態(tài)，對(duì)應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作時(shí)指示燈點(diǎn)亮。方便監(jiān)視溫室大棚內(nèi)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否工作，報(bào)警燈在各環(huán)境參數(shù)超出范圍時(shí)點(diǎn)亮，方便及時(shí)觀測(cè)到溫室內(nèi)各環(huán)境是否在正常范圍內(nèi)，組態(tài)畫面如圖4所示。

圖4 監(jiān)控系統(tǒng)主畫面

4.2.2 各環(huán)境參數(shù)監(jiān)視畫面組態(tài)

各環(huán)境參數(shù)監(jiān)視畫面組態(tài)主要用于顯示黃瓜溫室大棚內(nèi)各環(huán)境參數(shù)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)值，各時(shí)間段的各環(huán)境參數(shù)傳感器檢測(cè)值得出的平均值，以及通過環(huán)境參數(shù)平均值繪制出的各環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)曲線，實(shí)時(shí)曲線用絕對(duì)時(shí)間為橫軸標(biāo)度，將實(shí)時(shí)記錄溫室中的溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度變化情況。各環(huán)境參數(shù)監(jiān)視畫面在實(shí)際應(yīng)用中運(yùn)行時(shí)可通過按鈕與主畫面相互轉(zhuǎn)換。

5 結(jié)語

本次設(shè)計(jì)的智能黃瓜溫室大棚投入運(yùn)行后可以很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)環(huán)境因子的監(jiān)控，為黃瓜創(chuàng)造良好的生長(zhǎng)環(huán)境。本系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠，實(shí)用性強(qiáng)，適應(yīng)當(dāng)前農(nóng)業(yè)現(xiàn)化的需要，可用于各種作物的自動(dòng)控制系統(tǒng)中，有好很的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃鴻.傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2010：68-105.

[2]王阿根.過程控制原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010：95-143.

[3]白濤，王鵬.園林苗圃[M].黃河水利出版社，2010，10.

[4]何獻(xiàn)忠.電氣控制與PLC應(yīng)用技術(shù)（西門子S7-200系列）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

[5]彭杰剛，寧?kù)o.傳感器原理及應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社，2012.

[6]T.J.byers.Electronic Test Equipment-principles and Applications,2013（06）.

[7]Ren Sheng-le. Development of PLC-based Tension Control System.Chinese Journal of Aeronautics,2012：266-271.