戚洪峰

（青島工學(xué)院，山東 青島 266300）

1 緒論

蔬菜大棚存在的價(jià)值就是為蔬菜提供最適宜的生長(zhǎng)環(huán)境，從而避免了氣候的差異和惡劣的天氣環(huán)境。雖然我國(guó)是世界第一農(nóng)業(yè)大國(guó)，但由于我國(guó)對(duì)蔬菜大棚的控制技術(shù)研究比較晚，所以我國(guó)蔬菜大棚的控制大部分處于手動(dòng)控制階段，主要靠農(nóng)民師傅的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成，技術(shù)比起發(fā)達(dá)國(guó)家還相對(duì)落后。無(wú)法發(fā)揮大棚的高效性，影響了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的發(fā)展。

本設(shè)計(jì)主要研究蔬菜大棚恒溫恒濕的控制問題。其核心部件是PLC，PLC作為一款工業(yè)微型控制器，其結(jié)構(gòu)可靠而且它使用較高的供電電壓，減少了外設(shè)的驅(qū)動(dòng)電路，解決了很大一部分的外設(shè)問題。

（1）掌握蔬菜大棚的主要功能及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

（2）對(duì)蔬菜大棚的運(yùn)行模式進(jìn)行邏輯分析并選擇合理的控制方式。

（3）對(duì)PLC的硬件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（4）對(duì)整個(gè)系統(tǒng)做整體的測(cè)試分析。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

蔬菜大棚的控制系統(tǒng)是用于控制蔬菜的溫濕度，可以用來(lái)完成信息采集、信息處理。本設(shè)計(jì)可以使大棚的溫濕度到達(dá)指定參數(shù)。

本設(shè)計(jì)由TM200CE40RS可編程控制器、觸摸屏、傳感器、報(bào)警器和輸出設(shè)備組成。采用兩組溫濕度傳感器并且布置在不同的位置，來(lái)測(cè)量出大棚的溫度和濕度情況。傳感器將所測(cè)量的信息發(fā)送給PLC，PLC將其測(cè)量值與設(shè)定值進(jìn)行比較，從而發(fā)出對(duì)應(yīng)的指令來(lái)調(diào)整大棚內(nèi)部的溫濕度。

其完成的功能如下：

（1）能夠?qū)崟r(shí)采集與顯示環(huán)境溫度、濕度等參數(shù)。

（2）能夠根據(jù)要求變化通過(guò)鍵盤輸入改變對(duì)參數(shù)的設(shè)置，以滿足不同的要求達(dá)到最佳效果。

（3）聲音報(bào)警功能。

（4）根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)，實(shí)時(shí)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開啟與關(guān)斷。

伴隨著PLC技術(shù)的不斷發(fā)展，可編程控制器的種類和型號(hào)也越來(lái)越多，它們的功能、價(jià)格、使用條件也各不相同。由于本設(shè)計(jì)的控制對(duì)PLC要求不是很高，調(diào)試和故障查找非常方便，而且價(jià)格低廉與和同類型的PLC相比，施耐德公司生產(chǎn)的PLC質(zhì)量好、運(yùn)行速度快、可擴(kuò)展性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)。因此本設(shè)計(jì)采用施耐德公司生產(chǎn)的PLC。

采用TM200CE40R型PLC，此類型的PLC是施耐德公司生產(chǎn)的一種小型的PLC，其功能不比大、中型PLC的水平差，而且TM200CE40R型PLC價(jià)格低廉，完全在農(nóng)民師傅的經(jīng)濟(jì)承受能力之內(nèi)。當(dāng)時(shí)剛剛推出此產(chǎn)品就引起了自動(dòng)化工作者的廣泛好評(píng)。在本設(shè)計(jì)中共用到了十個(gè)輸入，九個(gè)輸出，其中有八個(gè)輸入分別給兩路溫度和濕度傳感器。

觸摸屏人機(jī)界面模塊可以操控PLC，通過(guò)觸摸屏上的按鍵完全可以實(shí)時(shí)調(diào)控和監(jiān)視大棚內(nèi)的參數(shù)，使該設(shè)計(jì)系統(tǒng)能達(dá)到自動(dòng)化甚至是無(wú)人化的控制?？紤]到蔬菜大棚內(nèi)的環(huán)境因素，如果在大棚內(nèi)安裝各種電氣設(shè)備則會(huì)在大棚中產(chǎn)生比較多的電磁干擾，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸?shù)腻e(cuò)誤故采用RS485實(shí)現(xiàn)觸摸屏與PLC的通訊。RS485協(xié)議下數(shù)據(jù)信號(hào)采用差分傳輸方式，這樣可以有效的解決共模干擾問題，其最大傳輸距離可以達(dá)到一千二百米，而且同一條總線上可以連接多個(gè)收發(fā)設(shè)備。RS485協(xié)議設(shè)備價(jià)格低廉性能可靠適合小企業(yè)安裝。

溫濕度傳感器的種類很多，其測(cè)量精度、性能也不盡相同，而且傳感器會(huì)受到各種因素的影響。所以傳感器的選擇對(duì)測(cè)量的精度起著關(guān)鍵的作用。這就需要根據(jù)實(shí)際的環(huán)境，多方面的考察，選擇最合適的傳感器。

傳感器的精度是控制系統(tǒng)重要的性能指標(biāo)，它就相當(dāng)于人的眼睛一樣重要。傳感器精度越高測(cè)量越準(zhǔn)確價(jià)格愈昂貴，所以傳感器的精度選擇只要滿足整個(gè)系統(tǒng)的精度要求即可。傳感器的穩(wěn)定性是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，穩(wěn)定性除了受到自身結(jié)構(gòu)的影響還與其所在的環(huán)境有著密切的關(guān)聯(lián)。因此，這就要求所選擇的傳感器應(yīng)具備較高穩(wěn)定性較強(qiáng)的抗干擾能力靈敏度高等特點(diǎn)。

（1）溫度傳感器。本設(shè)計(jì)采用PT100溫度傳感器來(lái)測(cè)量大棚的溫度。采集大棚的溫度時(shí)要考慮兩種情況，一類是大棚內(nèi)的土壤溫度另一類是大棚內(nèi)部空氣溫度。經(jīng)過(guò)詳細(xì)的勘察兩個(gè)溫度并沒有太大的差別故溫度傳感器直接懸空測(cè)量即可。根據(jù)傳感器所能采集的范圍和精度來(lái)選擇傳感器的個(gè)數(shù)。兩路溫度傳感器足以覆蓋整個(gè)蔬菜大棚。

（2）濕度傳感器。濕度傳感器即測(cè)量環(huán)境相對(duì)濕度的電子式敏感元器件。濕度傳感器選用型號(hào)為HS1101的電容傳感器。其濕度允許誤差：±2%RH，量程為1%～99%RH。HS1101電容式傳感器具有靈敏度高、互換性好、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)而且其抗干擾能力、防灰塵能力也特別強(qiáng)，可以抵抗如二氧化碳、二氧化硫、二氧化氮等腐蝕性氣體。經(jīng)過(guò)實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)其穩(wěn)定性及可靠性也超出一般電阻式好多倍。所以選用HS1101電容式濕度傳感器更實(shí)用。

根據(jù)大棚的面積和植物的高度選擇合適的位置固定傳感器，使得檢測(cè)更準(zhǔn)確。信息量的采集是本設(shè)計(jì)研究的關(guān)鍵。采集不到數(shù)據(jù)或者采集的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確本設(shè)計(jì)就體現(xiàn)不了它的價(jià)值。首先是溫、濕度采集的區(qū)域，起初將溫濕度傳感器放在一起但彼此之間會(huì)相互干擾，使得采集的數(shù)據(jù)失真。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)溫度和濕度兩類傳感器要分別安放在不同的區(qū)域才能使采集的數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)。

四季的溫濕度各有不同，考慮到這方面的因素，再結(jié)合師傅們的經(jīng)驗(yàn)，選用人機(jī)界面進(jìn)行控制。這樣可以隨時(shí)調(diào)節(jié)大棚內(nèi)空氣的溫濕度其操作方式可以通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式的切換。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題在于控制大棚內(nèi)的溫濕度。這不僅需要傳感器本身的精度和測(cè)量范圍更需要程序的算法。

（1）信息采集功能：模擬量的采集需要溫度和濕度兩類傳感器。兩類傳感器直接和PLC串口連接即可。

（2）時(shí)時(shí)通訊功能：手動(dòng)的方式完成對(duì)大棚溫濕度的調(diào)節(jié)。一年四季氣候各異，每個(gè)季節(jié)都要需要按照植物的生長(zhǎng)環(huán)境找到其適宜的生活條件調(diào)控好不同的溫濕度，采用觸摸屏人機(jī)界面完成對(duì)信息的監(jiān)控和調(diào)試。其通訊方式采用RS485串口通訊。

（3）安全保障功能：本設(shè)計(jì)系統(tǒng)還有安全保障性能，如果在高溫的天氣下，降溫效果不明顯時(shí)，則開啟有效的緊急措施，不僅打開風(fēng)扇降溫，還會(huì)開啟水閥進(jìn)行灑水。如果在斷電的情況下會(huì)自動(dòng)保存系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不丟失。如果在大棚內(nèi)溫度特別高時(shí)煙霧報(bào)警模塊便會(huì)啟動(dòng)，使整個(gè)大棚沒有任何安全隱患。

系統(tǒng)開始工作時(shí)，溫、濕度傳感器將土壤的溫、濕度測(cè)量值傳送給PLC，PLC將檢測(cè)到的溫濕度與設(shè)定值進(jìn)行邏輯運(yùn)算。若測(cè)量值大于設(shè)定值，則打開通風(fēng)扇降低室內(nèi)溫度并且打開除濕器。若測(cè)量值比設(shè)定值小，立即啟動(dòng)供熱系統(tǒng)和灑水裝置分別提高溫度和濕度，當(dāng)測(cè)量的溫濕度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，則停止供熱和灑水。如果檢測(cè)到的溫濕度值等于設(shè)定值，則保持大棚的溫濕度。

4 總結(jié)

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)有兩種工作模式分別是手動(dòng)和自動(dòng)。自動(dòng)模式是系統(tǒng)正常運(yùn)行下的狀態(tài)，手動(dòng)模式主要應(yīng)用于應(yīng)對(duì)一些突發(fā)的情況比如火災(zāi)。在正常運(yùn)行的模式下，溫度和濕度傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并將采集到的數(shù)據(jù)傳送給PLC，PLC再將測(cè)量值與系統(tǒng)的設(shè)定值進(jìn)行簡(jiǎn)單的邏輯比較，若測(cè)量值低于設(shè)定值則開啟加熱器和熱風(fēng)機(jī)；若測(cè)量值高于設(shè)定值則開啟風(fēng)扇和空調(diào)降溫；若大棚內(nèi)的測(cè)量值與設(shè)定值之差在允許的波動(dòng)范圍之內(nèi)，系統(tǒng)處于保持狀態(tài)，輸出設(shè)備不工作。

本設(shè)計(jì)是在前人原有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，再結(jié)合農(nóng)業(yè)知識(shí)和各種已經(jīng)收集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，來(lái)進(jìn)行控制的。這種控制方式可以使系統(tǒng)更精確更穩(wěn)定運(yùn)行。為了滿足蔬菜大棚在不同的反季節(jié)中有不同的溫濕度的標(biāo)準(zhǔn)，我設(shè)計(jì)了可以通過(guò)人機(jī)界面自動(dòng)調(diào)控蔬菜大棚內(nèi)環(huán)境的溫度和濕度，從而達(dá)到適宜植物生長(zhǎng)的環(huán)境。蔬菜大棚的控制系統(tǒng)可以使大棚工作在經(jīng)濟(jì)節(jié)能的狀態(tài)，而且無(wú)污染、壽命長(zhǎng)、易更換，操作簡(jiǎn)單。其發(fā)展前景很樂觀。未來(lái)，隨著對(duì)可編程控制器的深入了解，還可以豐富遠(yuǎn)程控制模塊，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制大棚內(nèi)的溫濕度。保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定的運(yùn)行。也可以再增加多款PLC，通過(guò)構(gòu)建復(fù)雜的多級(jí)網(wǎng)絡(luò)來(lái)適應(yīng)大型的農(nóng)業(yè)控制，使該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)更加穩(wěn)定可靠，性能更加完善，最終達(dá)到智能化和無(wú)人化。