張?？担顫商?/p>

（貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴陽 550025）

0 引 言

農(nóng)業(yè)發(fā)展是中國未來可持續(xù)發(fā)展的重中之重，作為農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)種植技術(shù)的發(fā)展在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)著很大的比例，實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)是中國未來農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。目前，農(nóng)業(yè)溫室前景好，種植業(yè)成為了最重要的發(fā)展之一［1－2］。但目前中國許多農(nóng)業(yè)種植技術(shù)仍然是從國外引進(jìn)的，盡管自動(dòng)化程度有所提高，實(shí)現(xiàn)了智能控制的需求，卻在諸多方面存在著不足，一方面設(shè)備成本較高，不利于普及；另一方面，由于是從國外引進(jìn)的設(shè)備，其控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大多是根據(jù)國外氣候條件設(shè)計(jì)的，這與中國自然環(huán)境氣候明顯不符［3］。因此，從世界各地引進(jìn)的諸多設(shè)備，大量農(nóng)作物出現(xiàn)了“水土不服”，產(chǎn)出效益低下的情況。

基于這種狀況，本設(shè)計(jì)從中國實(shí)際情況出發(fā)，結(jié)合PLC、上位機(jī)組態(tài)、以及物聯(lián)網(wǎng)3 種技術(shù)，開發(fā)出了一套具有成本較低、普適性較強(qiáng)、智能化成度水平較高的高性價(jià)比溫室種植設(shè)備。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本次系統(tǒng)一共采用了4 種類型的模擬量傳感器：溫度傳感器、濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器以及二氧化碳傳感器，并且將4 個(gè)傳感器收集到的模擬量數(shù)據(jù)通過擴(kuò)展的模擬量輸入模塊、數(shù)字量輸入模塊轉(zhuǎn)化為PLC 可以識(shí)別的數(shù)字量；通過PLC 控制鍋爐、遮陽幕、保溫幕以及排風(fēng)機(jī)4 個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來維持溫室內(nèi)的溫度；最后，通過下位機(jī)WINCC 設(shè)計(jì)人機(jī)交互界面，設(shè)定所需的溫室環(huán)境參數(shù)，執(zhí)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。為了避免后期某一器件出現(xiàn)故障，不能保證自動(dòng)控制的正常運(yùn)行，該控制系統(tǒng)還通過選擇開關(guān)，實(shí)現(xiàn)了手／自動(dòng)兩種模式的切換。

系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架圖Fig.1 The overall structure of the system

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器的選型

溫度濕度傳感器：系統(tǒng)選用由瑞士盛思瑞（Sensirion）傳感器公司生產(chǎn)的SHTIX 系列新型集成溫濕度傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和濕度兩種參數(shù)同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。

根據(jù)系統(tǒng)要求，控制的溫度范圍以及濕度范圍分別為：5 ℃～55 ℃，0%～100%RH，且要求選用的傳感器具有體積小、靈敏度高、測試電路簡單，輸出電壓值較大，故系統(tǒng)選用由瑞士盛思瑞（Sensirion）傳感器公司生產(chǎn)的SHTIX 系列新型集成溫濕度傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和濕度兩種參數(shù)同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。

其主要技術(shù)參數(shù)如下：

（1）測溫區(qū)間和測濕區(qū)間分別為：－40 ℃～123.8 ℃（默認(rèn)－40 ℃～＋80 ℃）和0%－100%RH；

（2）測濕精度以及測溫精度分別為：±4.S%RH和±0.5 ℃（25 ℃）；

（3）易于連接（2－wire），傳輸效率高；

（4）采用全量程標(biāo)定、兩線數(shù)字輸出的方式，能耗較低、自動(dòng)休眠；

（5）相對(duì)濕度分辨率和相對(duì)溫度分辨率為：0.05%RH 和0.01 ℃；時(shí)間響應(yīng)的典型值與響應(yīng)區(qū)間分別為：5 s 和5～30 s。

光照度傳感器：為了便于安裝和增加光照傳感器的使用年限，本次設(shè)計(jì)選用檢測探頭外部為壁掛防水外殼封裝的新型NHZD203T 光照度傳感器，其測量輸出值單位為Lux。

其主要技術(shù)參數(shù)如下：

（1）能耗較低，最大可輸出1.2 W 的電流功率；

（2）運(yùn)行時(shí)需提供穩(wěn)定的24 V 直流電壓源；

（3）具有0～200 000Lux 的超高精度檢測范圍；

（4）可輸出4～20 mA 范圍內(nèi)的電信號(hào)；

（5）易于操作，外接設(shè)備較少；

（6）響應(yīng)較快，其測量精度為0.07。

二氧化碳傳感器：為盡可能使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕，滿足對(duì)檢測和分辨率的高精度需求，系統(tǒng)采用由紅外線檢測儀、調(diào)制器以及電子放大器等電子元器件共同組成的微型、高精度的NH－ZI4A 型二氧化碳?xì)怏w傳感器。該傳感器不僅能很好適用于溫室環(huán)境，還能在一定程度上進(jìn)行室內(nèi)溫度補(bǔ)償，其輸出值的電流范圍為4～20 mA。

其主要技術(shù)參數(shù)如下：

（1）需外接24 V 直流電壓源；

（2）可測量0～500 ppm 變化范圍內(nèi)的CO2；

（3）測量精度值可達(dá)±（40 ppm＋3%F.S）（25 ℃）；

（4）輸出平均電流值小于85 mA；

（5）響應(yīng)時(shí)間小于90 s。

2.2 控制器設(shè)計(jì)

控制器主要由數(shù)據(jù)采集模塊，控制模塊以及報(bào)警模塊3 大部分組成?？刂破鞯闹饕蝿?wù)是通過控制鍋爐、遮陽幕、保溫幕以及排風(fēng)機(jī)的啟停來維持溫室內(nèi)的溫度值和濕度值，從而保證農(nóng)作物生長的條件。

數(shù)據(jù)采集模塊的主要任務(wù)是進(jìn)行溫室環(huán)境參數(shù)的采集，傳感器在獲取環(huán)境參數(shù)后，通過擴(kuò)展的模擬量模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸入到PLC 中；PLC 將采集到的參數(shù)和上位機(jī)所設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行比較，不同的比較結(jié)果進(jìn)入不同的狀態(tài)，相應(yīng)的執(zhí)行裝置在對(duì)應(yīng)的狀態(tài)下開始動(dòng)作，直到所有參數(shù)在預(yù)先所設(shè)定的區(qū)間內(nèi)。報(bào)警模塊是當(dāng)各環(huán)境因素超出所設(shè)定的范圍時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警。

控制器的端口接線圖如圖2 所示。

圖2 控制器端口接線圖Fig.2 The wiring diagram of controller port

根據(jù)農(nóng)業(yè)溫室的種植需求，本系統(tǒng)選用具有40個(gè)I／O 點(diǎn)的S7－200 CPU226CN PLC 作為主控制器，該控制器能同時(shí)擴(kuò)展7 個(gè)模塊，具有24 個(gè)輸入點(diǎn)位，16 個(gè)輸出點(diǎn)位，可存儲(chǔ)10KB 容量的數(shù)據(jù)。此外，為了增強(qiáng)控制器的通信能力，還采用了雙通訊口的通訊方式。

模塊的選型主要是根據(jù)設(shè)計(jì)所需的數(shù)字量與模擬量端口的多少而決定的，本次設(shè)計(jì)選用了EM235模擬量輸入模塊和EM221 數(shù)字量輸入模塊，與PLC的連接方式如圖3 所示。

圖3 采集模塊連接圖Fig.3 Controller port distribution

2.3 I／O 地址分配

由于控制器自身只攜帶一定量的I／O 點(diǎn)，因此需額外加裝EM235 和EM221 兩個(gè)擴(kuò)展模塊來滿足溫室控制系統(tǒng)的功能需要。

EM221 是擁有8 個(gè)輸入點(diǎn)的數(shù)字量輸入擴(kuò)展模塊，運(yùn)行時(shí)需為其提供穩(wěn)定的24V 直流電壓源；EM235 為擁有可擴(kuò)展4 個(gè)模擬量輸入的模擬量模塊，內(nèi)部采用光耦隔離。其模擬量信號(hào)的輸入方式為差分方式輸入，輸入響應(yīng)值為1.5ms，電流值輸入范圍為4－20mA。輸出電壓值精度較高，其精度可達(dá)滿量程的±0.5%左右。測量精度也較高，通常情況誤差值不高于0.5%［4］。

輸入輸出點(diǎn)代碼和地址編號(hào)見表1。

表1 輸入輸出點(diǎn)代碼和地址編號(hào)Tab.1 Code and address number of input and output point

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 溫度控制程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)啟動(dòng)后，程序?qū)⑴袛喈?dāng)前實(shí)際溫度值是否在用戶預(yù)先設(shè)定的溫度區(qū)間范圍內(nèi)，當(dāng)PLC 接收到的值低于用戶設(shè)定的下限溫度時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出指令使各個(gè)有助于溫度上升的機(jī)構(gòu)開始動(dòng)作，直到溫度高于設(shè)定的下限。同理，當(dāng)傳感器采集到的溫度高于用戶設(shè)定范圍時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)控制升溫，這樣溫度的變化幅度始終都在一定的范圍內(nèi)，避免了極端溫度值的出現(xiàn)，保證了農(nóng)作物的正常生長。溫度控制程序的流程圖，如圖4 所示。

圖4 溫度控制流程圖Fig.4 Temperature control flow chart

3.2 報(bào)警程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)啟動(dòng)初始化后，開始采集溫度值、濕度值、二氧化碳值以及光照強(qiáng)度值，采集值與設(shè)定范圍比較，超出上限或者低于下限時(shí)均產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

報(bào)警程序流程圖如圖5 所示。

圖5 報(bào)警程序流程圖Fig.5 Alarm program flow chart

以溫度報(bào)警為例，Q0.6、Q0.7 和Q1.0 分別為溫度正常、溫度低于下限、溫度高于上限時(shí)的報(bào)警指示燈地址編號(hào)，當(dāng)達(dá)到報(bào)警值時(shí)，相應(yīng)的報(bào)警指示燈就會(huì)點(diǎn)亮。

3.3 采集程序設(shè)計(jì)

傳感器將采集到的環(huán)境參數(shù)經(jīng)過變送器的輸出，變?yōu)殡娏?、電壓信?hào)；通過擴(kuò)展的EM235模擬量輸入模塊將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，傳送到PLC，實(shí)現(xiàn)溫室的智能控制。

以溫度采集為例，溫度采集梯形圖如圖6 所示，傳感器會(huì)通過變送器將在溫室中檢測到的溫度轉(zhuǎn)換為4～20 mA 的電流信號(hào)輸入到模擬量模塊，轉(zhuǎn)化為PLC 內(nèi)部可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，緊接著傳遞給PLC 的CPU。

圖6 溫度采集梯形圖Fig.6 Temperature acquisition trapezoid diagram

4 可視化界面

首先，上位機(jī)WINCC與控制器PLC 的通信采用OPC 通信方式，并通過在OPC 上定義PLC 的輸入輸出變量，再在WINCC 上調(diào)用OPC 中定義好的變量組，從而建立PLC 同WINCC 之間的通信。

其次，通過WINCC 建立人機(jī)界面，如圖7 所示，可以觀察溫室大棚里的運(yùn)行狀態(tài)，也可以通過WINCC 界面直接控制溫室大棚，打開溫室內(nèi)的各種設(shè)備，以及修改參數(shù)，還可以通過各種數(shù)據(jù)曲線，觀察植物生長的狀態(tài)，達(dá)到智能化生產(chǎn)的目的。

圖7 WINCC 人機(jī)主界面Fig.7 Main interface of WINCC man－machine

5 結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)采用S7－200PLC控制器，設(shè)計(jì)了一套現(xiàn)代智能化的農(nóng)業(yè)溫室控制系統(tǒng)。通過傳感器將采集到的各種模擬量數(shù)據(jù)傳遞給模擬量模塊，再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳遞給PLC，利用PLC 控制系統(tǒng)各種執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)不僅有效緩解了溫室種植人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了溫室種植效率，還基本實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室控制智能化，滿足了現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)溫室智能控制的各項(xiàng)指標(biāo)要求。