吳峰，鄭海英，李大鵬，金銳，王浩

（遼寧工業(yè)大學 電氣工程學院，遼寧 錦州 121001）

作物生長主要受溫度、濕度、光照強度、濃度等因素的影響，而建造智能溫室的目的就是為了對這些環(huán)境參數(shù)進行自動控制。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，讓作物與環(huán)境統(tǒng)一起來，對農(nóng)業(yè)的發(fā)展有重大意義。

1 系統(tǒng)方案設計

本次設計是基于PLC的溫室自動控制系統(tǒng)，由PLC、數(shù)據(jù)采集單元及執(zhí)行機構(gòu)組成。各傳感器對溫室內(nèi)溫度、濕度等參數(shù)實時檢測，檢測信號送入PLC，完成數(shù)據(jù)采集，采集的信號有溫度、濕度、光照強度、濃度，將采集信號與預設范圍進行比較，如超出范圍則報警。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，輸出信號控制天窗電機、遮陽電機、通風電機、加熱閥門、水泵等，完成各參數(shù)的實時監(jiān)測與控制，實現(xiàn)作物各生產(chǎn)時期的最佳生長環(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)中應用的大棚，按棚頂形狀可以分為拱圓形和屋脊形，我國絕大多數(shù)為拱圓形，本次設計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，操作空間也是相對較大，方便安裝設備，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，而且10m跨度無需中間支柱，性價比更高。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，本次設計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)行機構(gòu)排布

本次設計的智能溫室大棚具有較高的自動控制機制，PLC對傳感器檢測發(fā)送來的各信號進行分析，輸出不同的控制信號，以控制天窗的開、關，遮陽簾的開合，補光燈，二氧化碳發(fā)生器以及加熱器的開關對智能溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照強度、二氧化碳濃度進行實時的改變，以達到黃瓜的各個生長時期的最佳生長環(huán)境，整個溫室大棚各執(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現(xiàn)對溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照強度、二氧化碳濃度進行實時的檢測與控制，以達到作物最佳生長狀態(tài)，所以，在整個自動控制過程各環(huán)境參數(shù)的檢測部分十分重要，用于環(huán)境檢測的各傳感器的選擇排布也是尤為重要。本次設計共用四個溫度傳感器，四個濕度傳感器，三個二氧化碳傳感器濕度傳感器，兩個光強傳感器采用壁掛式等間距排布。

3 軟件設計

3.1 軟件設計

（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度，這些環(huán)境參數(shù)的檢測、顯示與控制由主程序、定時采集數(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溫室內(nèi)的溫度參數(shù)，傳感器檢測的信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號送入到PLC，通過與PLC內(nèi)部設定的參數(shù)進行比較后轉(zhuǎn)化為電信號來控制執(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溫室的濕度信號，把采集的濕度信號送到PLC中，當溫室大棚內(nèi)的濕度低于最低設定值時，使用加濕器濕度會增加；溫室大棚內(nèi)的濕度過大時也會使植物的生長受到影響，降濕的主要方法是通風，利用開啟天窗和通風機進行通風降低濕度。

（4）CO2濃度控制。CO2低于最低設定值，適當?shù)赝L換氣可以增加室內(nèi)二氧化碳濃度，或通過發(fā)生器沖入進行調(diào)節(jié)，使植物充分地進行光合作用。當二氧化碳濃度過高時可開窗打開風機通風，以降低二氧化碳濃度。

（5）光照強度控制黃瓜的光補償點為1500勒克斯，光飽和點為5.5萬勒克斯，光照強度過大時，開啟遮陽網(wǎng)，可以使光照下降到對作物來說較為合適的范圍之內(nèi)；當室內(nèi)光照強度過低時要關閉遮陽網(wǎng)，同時可通過補光燈進行補光，光照強度控制流程圖如圖3所示。

4 上位機MCGS組態(tài)設計

4.1 創(chuàng)建實時數(shù)據(jù)庫

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

進入“實時數(shù)據(jù)庫”窗口頁定義變量，本次設計共需37個變量，包括13個數(shù)值型數(shù)據(jù)對象和24個開關型數(shù)據(jù)變量。

圖3 光照強度控制流程圖

4.2 組態(tài)畫面設計

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、停止按鈕完成整個系統(tǒng)的啟動和停止，各指示燈用于顯示各執(zhí)行機構(gòu)是否工作，正常狀態(tài)指示燈熄滅狀態(tài)，對應執(zhí)行機構(gòu)工作時指示燈點亮。方便監(jiān)視溫室大棚內(nèi)各執(zhí)行機構(gòu)是否工作，報警燈在各環(huán)境參數(shù)超出范圍時點亮，方便及時觀測到溫室內(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)傳感器實時檢測值，各時間段的各環(huán)境參數(shù)傳感器檢測值得出的平均值，以及通過環(huán)境參數(shù)平均值繪制出的各環(huán)境參數(shù)的實時曲線，實時曲線用絕對時間為橫軸標度，將實時記錄溫室中的溫度、濕度、光照和二氧化碳濃度變化情況。各環(huán)境參數(shù)監(jiān)視畫面在實際應用中運行時可通過按鈕與主畫面相互轉(zhuǎn)換。

5 結(jié)語

本次設計的智能黃瓜溫室大棚投入運行后可以很好地實現(xiàn)對各個環(huán)境因子的監(jiān)控，為黃瓜創(chuàng)造良好的生長環(huán)境。本系統(tǒng)操作簡單、工作穩(wěn)定可靠，實用性強，適應當前農(nóng)業(yè)現(xiàn)化的需要，可用于各種作物的自動控制系統(tǒng)中，有好很的發(fā)展前景。

參考文獻：

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