智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
——以大棚系統(tǒng)為例

吳寧 尚坡利 高迪

（1蘭州工業(yè)學(xué)院 計(jì)算機(jī)與人工智能學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；2蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730060；3蘭州工業(yè)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

農(nóng)業(yè)對(duì)于大棚的需求量不斷增加，室內(nèi)種植產(chǎn)業(yè)被不少地方當(dāng)作支柱產(chǎn)業(yè)大力培育，相關(guān)建設(shè)項(xiàng)目呈遍地開花之勢。為了更好實(shí)現(xiàn)種植效果，各地投入了大量的人力物力，但目前多數(shù)大棚內(nèi)的培育過程仍主要由人工來完成，自動(dòng)化程度較低，種植效率不高。一些大型企業(yè)也采用了自動(dòng)控制程度較高的大棚系統(tǒng)，但由于結(jié)構(gòu)簡單，種植效果仍待加強(qiáng)。本文設(shè)計(jì)一種智能大棚控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)大棚內(nèi)各種環(huán)境因素的自動(dòng)調(diào)節(jié)，為相關(guān)企業(yè)提供更多的選擇。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)通過多種傳感器實(shí)時(shí)采集環(huán)境信息，將其與預(yù)先設(shè)定的大棚內(nèi)種植植物所需最佳生長條件進(jìn)行比對(duì)，由控制器控制執(zhí)行器件，實(shí)現(xiàn)環(huán)境的有效調(diào)節(jié)和改善，為植物提供最優(yōu)生長環(huán)境。溫度控制方面，加熱器實(shí)現(xiàn)環(huán)境升溫，制冷器實(shí)現(xiàn)環(huán)境降溫；濕度控制方面，噴淋系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)空氣濕度增濕調(diào)節(jié)，噴灌系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)土壤濕度增濕調(diào)節(jié)，換氣設(shè)備實(shí)現(xiàn)空氣去濕調(diào)節(jié)；光線調(diào)節(jié)方面，由窗簾系統(tǒng)和燈光系統(tǒng)配合實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)；二氧化碳發(fā)生器實(shí)現(xiàn)二氧化碳濃度升高調(diào)節(jié)，換氣設(shè)備實(shí)現(xiàn)二氧化碳濃度降低調(diào)節(jié)；空氣調(diào)節(jié)由換氣設(shè)備實(shí)現(xiàn)；土壤酸堿度通過測量獲得。此外，系統(tǒng)中加入啟停模塊和報(bào)警模塊，分別用來完成系統(tǒng)的啟停工作以及系統(tǒng)執(zhí)行部件故障及環(huán)境參數(shù)超限時(shí)的報(bào)警。智能控制系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

2 硬件設(shè)計(jì)方案

2.1 控制模塊

PLC（可編程邏輯控制器）是一種為工業(yè)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字計(jì)算系統(tǒng)，其利用可編程存儲(chǔ)器執(zhí)行各種操作指令，通過數(shù)字或模擬的輸入輸出來控制和實(shí)現(xiàn)各種工業(yè)過程。本設(shè)計(jì)中采用西門子S7-200 CPU226作為控制系統(tǒng)核心，將多種傳感器檢測到的環(huán)境信息送到PLC中，與預(yù)先設(shè)定的給定值進(jìn)行比較，并下達(dá)控制指令以調(diào)整不符合要求的環(huán)境變量，為植物提供最佳的生長環(huán)境。該P(yáng)LC有24點(diǎn)輸入、16點(diǎn)輸出，能連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大可擴(kuò)展至248點(diǎn)數(shù)字量I/O或35點(diǎn)模擬量I/O，具有13KB程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，2個(gè)RS-485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力，具有PID控制功能。

2.2 檢測模塊

本系統(tǒng)涉及較多的環(huán)境變量的采集。

2.2.1 溫、濕度檢測

本系統(tǒng)的溫、濕度檢測采用JWSK-6AC溫濕度變送器。JWSK-6AC溫濕度變送器是一款工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，模擬輸出電流輸出4～20mA，可以針對(duì)-40℃～120℃范圍內(nèi)的溫度、0～100%RH濕度進(jìn)行測量。這款變送器采用全密封防水設(shè)計(jì)，在同類產(chǎn)品中具有體積小、價(jià)格低、壽命長、精度高、漂移低、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、安裝方便、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)[1-2]。

2.2.2 二氧化碳濃度檢測

本系統(tǒng)的二氧化碳濃度檢測采用COZIR-LP傳感器。COZIR-LP是一款性價(jià)較高的紅外CO2傳感器，其工作環(huán)境溫度約為0℃～50℃，量程約為0～2000ppm，0～5000ppm，精度為±50ppm。這款傳感器具有壽命長、精度高、功耗低、抗振動(dòng)及抗沖擊性強(qiáng)、數(shù)字輸出、能夠自校準(zhǔn)等特點(diǎn)[3]。

2.2.3 光照強(qiáng)度檢測

本系統(tǒng)的光照強(qiáng)度檢測采用HB-LX100光照度傳感器。HB-LX100精度為±3%FS，量程為0～2000/200000Lux，重復(fù)性為＜1%FS，具有精度高、壽命長、密封性好、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、穩(wěn)定性好、傳輸距離長、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[4-5]。

2.2.4 土壤酸堿度檢測

本系統(tǒng)的土壤酸堿度檢測采用PHS91.2酸度變送器。PHS91.2電源電壓為24VDC，輸出信號(hào)為4～20mA，檢測范圍為0～14pH，測量精度為±0.1pH，工作環(huán)境為溫度0～50℃及濕度≤85%RH。這款變送器利用不同酸堿度下氯化銀電極和玻璃電極產(chǎn)生不同的直流電勢這一原理，將直流電勢放大以實(shí)現(xiàn)酸堿度的測量，具有穩(wěn)定可靠，使用方便等特點(diǎn)[6]。

2.3 執(zhí)行模塊

2.3.1 溫、濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

溫、濕度調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要包括加熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、噴淋系統(tǒng)、噴灌系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)，主要利用PLC通過繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱器、制冷器、噴淋器、噴灌器和換氣設(shè)備的通斷控制。相關(guān)系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)類似，以制冷器為例，其主電路如圖2所示。其中，KM1控制主電路通斷，熔斷器FU1起過電流保護(hù)，熱繼電器FR1起過載保護(hù)作用。

圖2 制冷系統(tǒng)主電路

2.3.2 二氧化碳調(diào)節(jié)系統(tǒng)

二氧化碳調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要包括二氧化碳發(fā)生系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)，主要利用PLC通過繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)二氧化碳發(fā)生器和換氣設(shè)備的通斷控制，主電路結(jié)構(gòu)與前述制冷器主電路類似。

2.3.3 光線調(diào)節(jié)系統(tǒng)

光線調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要包括窗簾系統(tǒng)和光照系統(tǒng)，主要利用PLC通過繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)燈光設(shè)備的通斷控制及對(duì)窗簾系統(tǒng)的正反轉(zhuǎn)控制。光照系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)與前述制冷器主電路類似。窗簾系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)涉及正反轉(zhuǎn)控制結(jié)構(gòu)，主電路如圖3。其中，KM2控制卷簾正轉(zhuǎn)，KM3控制卷簾反轉(zhuǎn)，熔斷器FU2起過電流保護(hù)，熱繼電器FR2起過載保護(hù)作用。

圖3 窗簾系統(tǒng)主電路

2.3.4 空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)

空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要利用PLC通過繼電器實(shí)現(xiàn)對(duì)換氣設(shè)備的通斷控制，換氣設(shè)備主電路與前述制冷器主電路類似。

2.3.5 啟停模塊和報(bào)警模塊

設(shè)置啟停模塊和報(bào)警模塊。啟停模塊用來完成系統(tǒng)啟動(dòng)及停止功能。系統(tǒng)執(zhí)行部件發(fā)生故障時(shí)會(huì)影響系統(tǒng)的執(zhí)行效果，此外，當(dāng)二氧化碳發(fā)生器或加熱器這類部件突發(fā)故障時(shí)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并報(bào)警可以預(yù)防事故的發(fā)生。對(duì)于環(huán)境指標(biāo)超限的情況，也需要給與報(bào)警指示，以便及時(shí)處理。

3 軟件設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)以PLC為控制核心，系統(tǒng)初始化并啟動(dòng)后將周期性采集環(huán)境信息，然后把各項(xiàng)傳感器檢測到的環(huán)境指標(biāo)與環(huán)境指標(biāo)預(yù)設(shè)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)于符合的指標(biāo)保持監(jiān)測，對(duì)于超過警戒值的指標(biāo)或出現(xiàn)問題的設(shè)施給與報(bào)警，對(duì)于其他不符合的指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。當(dāng)實(shí)時(shí)溫度高于給定值時(shí)，制冷器啟動(dòng)降溫，當(dāng)實(shí)時(shí)溫度低于給定值時(shí)，加熱器啟動(dòng)升溫；當(dāng)實(shí)時(shí)空氣濕度高于給定值時(shí)，換氣設(shè)備啟動(dòng)除濕，當(dāng)實(shí)時(shí)空氣濕度低于給定值時(shí)，噴淋器啟動(dòng)空氣加濕；當(dāng)實(shí)時(shí)土壤濕度低于給定值時(shí)，噴灌器啟動(dòng)土壤加濕；當(dāng)實(shí)時(shí)光線強(qiáng)度高于給定值時(shí)，窗簾系統(tǒng)與燈光系統(tǒng)配合降低光線強(qiáng)度，當(dāng)實(shí)時(shí)光線強(qiáng)度低于給定值時(shí)，窗簾系統(tǒng)與燈光系統(tǒng)配合增加光線強(qiáng)度；當(dāng)實(shí)時(shí)二氧化碳濃度高于給定值時(shí)，換氣設(shè)備啟動(dòng)實(shí)現(xiàn)空氣交換以降低二氧化碳濃度，當(dāng)實(shí)時(shí)二氧化碳濃度低于給定值時(shí)，二氧化碳發(fā)生器啟動(dòng)以增加二氧化碳濃度?？刂葡到y(tǒng)流程圖如圖4所示：

圖4 控制系統(tǒng)流程圖

4 總結(jié)

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一套智能大棚控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)大棚內(nèi)種植植物類型實(shí)時(shí)調(diào)整環(huán)境參數(shù)，以便提供更加適宜的生長環(huán)境，提高生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)大棚作物的智能化培育提供了參考依據(jù)。該系統(tǒng)還有進(jìn)一步提升的空間，如一些控制目標(biāo)存在非線性特征，因此利用無模型自適應(yīng)控制技術(shù)或者模糊控制技術(shù)能更好實(shí)現(xiàn)控制效果，此外，系統(tǒng)可以加入無線功能模塊，以便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)測與控制。