智能溫室控制系統(tǒng)的設(shè)計方案初探

杜少媛

摘 要：近年來，智慧溫室是我國設(shè)施農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)向現(xiàn)代化、科技化的發(fā)展方向。智慧溫室解決方案的研究和應(yīng)用應(yīng)緊密結(jié)合作物栽培技術(shù)和溫室種植的實(shí)際需要。本文對智能溫室控制系統(tǒng)方案的研究結(jié)合了本地溫室作物種植的實(shí)際種植過程和栽培技術(shù)，給出了一個較為完整的、較強(qiáng)適應(yīng)性的整體規(guī)劃。

關(guān)鍵詞：PLC;智能溫室;設(shè)施農(nóng)業(yè)

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）18-0049-02

課題研究所在地地處我國北方邊部，農(nóng)牧業(yè)是本地的主要經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)之一。近年來，設(shè)施農(nóng)業(yè)已成為本地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個重要組成部分。農(nóng)民利用溫室大棚，種植蔬菜、花卉、菌類等作物，提高了土地的利用率，提升了作物的產(chǎn)量、質(zhì)量，溫室作物成為了本地的一張名片，本市的設(shè)施農(nóng)業(yè)已占比自治區(qū)整體規(guī)模的50%以上。溫室、大棚種植作物，可以人為的調(diào)控植物生長環(huán)境的各項(xiàng)參數(shù)，促進(jìn)增產(chǎn)，也能實(shí)現(xiàn)反季作物的培育和種植。不過，單純依靠人力，手工為溫室加熱、降溫、通風(fēng)、灌溉，不利于提高勞動生產(chǎn)率。受人為因素影響，作物的生成環(huán)境較理想值仍有差距。因此，智能溫室、智慧大棚的研究與應(yīng)用，成為了當(dāng)今我國設(shè)施農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化、科技化轉(zhuǎn)變的一個方向，也是本地設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)需要。

農(nóng)作物生長主要受溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2含量等環(huán)境因素的影響，智能溫室可以通過控制系統(tǒng)，自動實(shí)施對環(huán)境物理量的采集、傳輸、處理，并根據(jù)物理量的當(dāng)前值，決定是否自動或手動操控溫室的窗、簾、棉被、升降溫裝置、風(fēng)機(jī)、水泵等設(shè)施，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化環(huán)境參數(shù)，科學(xué)種植的目的。

1 影響溫室作物的環(huán)境因素分析及其控制

1.1 影響本地作物生長的相關(guān)環(huán)境因素

對本地主要溫室作物的種植技術(shù)進(jìn)行調(diào)研后，確定溫度、光照、水量、濕度、二氧化碳均是當(dāng)?shù)馗鞑绶?、黃瓜、辣椒等作物種植過程中重要的影響因素。每種農(nóng)作物在栽培過程中對環(huán)境因素的要求各不相同，本系統(tǒng)的設(shè)計主要考慮一般性需求。方案具體實(shí)施時，可根據(jù)溫室作物的種類增加必要的檢測元件和控制元件，也可根據(jù)實(shí)際情況，去掉對某種次要因素的檢測和控制環(huán)節(jié)，以簡化系統(tǒng)和降低成本。

1.2 溫度是本地作物栽培技術(shù)重點(diǎn)關(guān)注的要素

在各種本地作物的栽培技術(shù)中，溫度的影響較大，且可控性更強(qiáng)。溫度控制貫穿育苗、定植、傳粉、開花、結(jié)果的整個過程，且存在一定的差異性。越夏茬作物需要做到溫室的降溫通風(fēng)、而冬春茬作物要做到保溫;一天當(dāng)中需要設(shè)置多個控溫時段，溫度調(diào)控范圍多變。傳統(tǒng)的溫室管理工作全部靠人工，通過人為加簾、卷簾、增遮陽層或板、自然通風(fēng)等方式實(shí)施溫度調(diào)控，費(fèi)力且效果易受自然條件影響。采用智能控制可以更加精準(zhǔn)、方便地進(jìn)行溫控。

1.3 濕度

作物生長對環(huán)境濕度有一定要求，對濕度檢測也可以為澆水量提供精準(zhǔn)依據(jù)，自動調(diào)節(jié)溫室濕度。

1.4 光照

陽光是作物進(jìn)行光合作用的基本條件，充足而合理的光照可以保障作物質(zhì)量，避免作物“生病”。應(yīng)當(dāng)通過智能監(jiān)測，為是否卷簾、打燈提供依據(jù)。本地作物也不例外。

1.5 二氧化碳

本地作物的栽培技術(shù)中強(qiáng)調(diào)，栽培過程中增施二氧化碳。

1.6 灌溉與施肥

作物的栽培技術(shù)的一個重要的內(nèi)容是灌溉和施肥技術(shù)，各種作物需求的灌溉、施肥的時間、方法很有講究。為了做到合理、科學(xué)的施肥，有必要采用智能控制對相關(guān)要素檢測和控制。

2 智能溫室控制系統(tǒng)的整體解決方案

智能溫室是以可編程控制器即PLC為核心，通過布置在種植區(qū)及澆灌區(qū)的溫度、濕度、光照、CO2濃度、土壤的EC/PH等傳感器，即時獲取作物生長環(huán)境的各項(xiàng)物理量的當(dāng)前值，利用PLC的數(shù)據(jù)處理功能，將當(dāng)前值與標(biāo)準(zhǔn)值比較，或進(jìn)一步處理，并根據(jù)結(jié)果，由PLC驅(qū)動溫室現(xiàn)場的各種執(zhí)行元件，如開關(guān)窗電機(jī)、濕簾展閉電機(jī)、風(fēng)機(jī)、CO2發(fā)生器、補(bǔ)光燈等的立即通斷或延時通斷，從而實(shí)現(xiàn)對作物栽培過程的自動化生產(chǎn)和管理，大幅度提高作物的質(zhì)量和產(chǎn)量的智能控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，PLC做為下位機(jī)，其數(shù)據(jù)可以通過串行接口直接傳遞到上位PC機(jī)中。在PC機(jī)中，安裝組態(tài)王等組態(tài)軟件，就能夠?qū)崿F(xiàn)對作物區(qū)、灌區(qū)的溫度、濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度等動態(tài)變量的顯示與監(jiān)視，同時還能夠使用組態(tài)軟件，直接控制現(xiàn)場的電機(jī)、風(fēng)機(jī)等各種執(zhí)行元件。對于各種數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)視與掌握，實(shí)現(xiàn)了溫室的智能化工作模式。

2.1 按季節(jié)更替工作模式

根據(jù)溫室種植作物的季節(jié)，考慮到本地主要溫室作物的種植月份，系統(tǒng)分別設(shè)置了越夏工作模式和冬季早春工作模式。

2.1.1 越夏工作模式

在該模式下工作的環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備有自然通風(fēng)系統(tǒng)（天窗和側(cè)窗）、強(qiáng)制通風(fēng)濕簾降溫系統(tǒng)（濕簾一風(fēng)機(jī)）和水平遮陽網(wǎng)。此時室外溫度很高，溫室降溫以強(qiáng)制通風(fēng)濕簾降溫為主。遮陽網(wǎng)可以起到遮蔭和降溫的作用。

2.1.2 冬季早春工作模式

在該模式下工作的環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備有保溫被加溫系統(tǒng)、水平保溫遮蔭幕。在此模式下自然通風(fēng)系統(tǒng)不工作。

2.2 按需求切換工作模式

根據(jù)自動或手動操作田間控制裝置，設(shè)置自動工作模式和手動工作模式。

2.2.1 手動控制模式

手動控制簡單可靠，由繼電器、接觸器、按鈕、限位開關(guān)等電氣元器件組成?？梢允謩又苯涌刂扑械膱?zhí)行元件。

2.2.2 自動控制模式

我們采用計算機(jī)自動控制模式，通過傳感器對環(huán)境因子進(jìn)行監(jiān)測，并對其設(shè)定上限和下限值，當(dāng)檢測到某一值超過設(shè)定值，便發(fā)出信號自動對驅(qū)動設(shè)備進(jìn)行開啟和關(guān)閉，從而使溫室環(huán)境因子控制在設(shè)定的范圍內(nèi)。其運(yùn)行成本較低，可以大大節(jié)約勞動力，降低勞動者的勞動強(qiáng)度。

3 智能溫室整體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能溫室控制系統(tǒng)以PLC作為下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場裝置的動作控制，以PC機(jī)作為上位機(jī)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和監(jiān)視，并對現(xiàn)場裝置做遠(yuǎn)程控制。其整體系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

溫室智能控制系統(tǒng)的控制器一般多分為單片機(jī)、可編程控制器或工控機(jī)三種類型。本系統(tǒng)最終選擇PLC作為控制部分，考慮到了PLC作為控制核心，具有適應(yīng)性、靈活性更強(qiáng)。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)基本不改變的情況下，可以任意修改、增減檢測元件，同時根據(jù)其更改情況，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)做增減和升級。在系統(tǒng)軟件中，也只需要對相應(yīng)的軟件部分進(jìn)行修改。原有的硬件和軟件結(jié)構(gòu)幾乎不受影響。

這種靈活性在硬件結(jié)構(gòu)中的備選PLC子系統(tǒng)（圖中可見）也有所體現(xiàn)。本地溫室作物的栽培技術(shù)都包含為作物施加、補(bǔ)充肥料及營養(yǎng)液。本智能溫室控制系統(tǒng)因采用PLC做為控制器，可根據(jù)現(xiàn)場需求，對系統(tǒng)做修改、升級。在解決方案中設(shè)置預(yù)留的灌溉與施肥模塊。如果需要智能灌溉施肥功能，僅需在硬件上增加PLC數(shù)量，與原有PLC組成通信網(wǎng)絡(luò)，共同做為下位機(jī)。備選PLC可以單獨(dú)來完成智能精量施肥，提高水費(fèi)資源利用率。

4 智能溫室控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

PLC的選型應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)I/O分配、經(jīng)濟(jì)成本選擇適當(dāng)?shù)钠放坪托吞枴Ｏ到y(tǒng)的軟件設(shè)計使用PLC對應(yīng)的編程軟件進(jìn)行編寫。系統(tǒng)軟件分為溫度控制程序、濕度控制程序、光照延長和補(bǔ)充程序、CO2增施程序、灌溉程序、灌溉與施肥程序等部分。各程序均考慮手動和自動控制，并充分考慮到電機(jī)和其他設(shè)備的安全保護(hù)措施，正反轉(zhuǎn)電路可以利用定時器進(jìn)行延時保護(hù)?？紤]到本地溫室溫度等量變化幅度大，風(fēng)機(jī)采用變頻器控制技術(shù)。

系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控軟件。系統(tǒng)組態(tài)監(jiān)控軟件，所實(shí)現(xiàn)的功能主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計以及分析處理等等。首先，軟件可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，對溫室內(nèi)的環(huán)境因素以及各類硬件設(shè)施的運(yùn)行情況進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控。其次，軟件具有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計以及記錄功能，可以將溫室內(nèi)的各項(xiàng)環(huán)境參數(shù)統(tǒng)計下來，并記錄到軟件系統(tǒng)中，以此來指導(dǎo)后續(xù)的環(huán)境因素控制。最后，軟件具有遠(yuǎn)程控制功能，可以對一些自動化的參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

綜合以上的整體設(shè)計方案，可以結(jié)合考慮經(jīng)濟(jì)因素和實(shí)際需求，開展具體的硬件電路設(shè)計和軟件編程，以求獲得適合本地溫室的種植需要的智能控制系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉希琴.赤峰寧城高效節(jié)能日光溫室冬春茬黃瓜水肥氣熱協(xié)調(diào)技術(shù)[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，2018（4）：23-24.

[2] 鞠麗梅，劉立恒，韓玥，等.智能溫室環(huán)境參數(shù)的復(fù)合控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù)，2011，38（3）：11-13.