鐘聞宇，王永江，陳旭彬

（吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，吉林吉林 132101）

對于學(xué)習(xí)自動化控制的電氣、電子、計算機(jī)專業(yè)類的非農(nóng)學(xué)專業(yè)學(xué)生來說，進(jìn)入農(nóng)業(yè)類實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行操作具有一定的不現(xiàn)實(shí)性，不能隨意操控農(nóng)業(yè)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，進(jìn)而觀察環(huán)境變化對植物生長的影響。與此同時，植物生長周期長且數(shù)據(jù)變化緩慢，自動化設(shè)備在實(shí)際監(jiān)控中的控制效果反映不明顯。因此，設(shè)計一套模擬系統(tǒng)，讓教師和學(xué)生既能用作教學(xué)，又可以用作科研，實(shí)現(xiàn)快速調(diào)控植物生長環(huán)境的同時又不會因植物損傷而出現(xiàn)巨大損失的系統(tǒng)顯得十分必要。

1 整體設(shè)計

選用豆瓣綠作為此次項(xiàng)目的植物研究對象。此植物特點(diǎn)是耐寒、耐旱，繁殖快，易更換，成本低。

采用溫濕度傳感器、光照傳感器、土壤綜合傳感器、植物補(bǔ)光燈、二氧化碳傳感器及灌溉設(shè)備對植物沙盤中的植物進(jìn)行監(jiān)測和調(diào)控。

分別利用單片機(jī)、可編程邏輯控制器（PLC）、計算機(jī)作為中央控制器，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和控制存儲。

2 環(huán)境監(jiān)測

無論是野外還是溫室大棚，土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照度、土壤氮磷鉀含量、土壤pH 值及空氣CO2含量等數(shù)據(jù)采集對植物生長來說都是必不可少的環(huán)境因素［1］。同時，這些數(shù)據(jù)具有普遍性，可以適用于多種植物的生長檢測，是研究植物生長的主要和重要數(shù)據(jù)［2-3］。本次研究以這些信息和數(shù)據(jù)的采集為基礎(chǔ)進(jìn)行深入研究，溫室大棚環(huán)境監(jiān)控如圖1 所示。

圖1 溫室大棚環(huán)境監(jiān)控示意圖

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

針對沙盤種植植物的特點(diǎn)，選擇合適設(shè)備和元器件作為此次研究的硬件基礎(chǔ)。本系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要是設(shè)計采集設(shè)備、執(zhí)行設(shè)備和中央控制器組成［4］。

3.1 數(shù)據(jù)采集傳感器

數(shù)據(jù)采集傳感器主要包括溫濕度傳感器、光照傳感器、土壤氮磷鉀傳感器、土壤pH 值傳感器、空氣CO2傳感器［5］。

考慮到信號統(tǒng)一性和單片機(jī)、PLC 及計算機(jī)采集模塊的輸入信號容量，所有傳感器均采用RS485 通信與控制器連接，這種選擇形式信號即統(tǒng)一，又能避免模擬量信號多控制器成本增加，而且接線簡單，安裝調(diào)試也很方便。數(shù)據(jù)采集傳感器接線原理圖如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集傳感器接線原理圖

3.2 執(zhí)行設(shè)備

執(zhí)行設(shè)備主要由灌溉設(shè)備、加熱設(shè)備、補(bǔ)光設(shè)備和通風(fēng)設(shè)備組成。

3.3 中央控制器

中央控制器采用單片機(jī)控制、PLC 控制、計算機(jī)控制3 種模式，3 種模式屬于并行關(guān)系。通過開關(guān)進(jìn)行切換。單片機(jī)采用51 系列，用液晶屏顯示所有數(shù)據(jù)。PLC 采用西門子S7-200 系列與觸摸屏結(jié)合進(jìn)行控制和顯示［6］。計算機(jī)系統(tǒng)采用開關(guān)量模塊和RS232 轉(zhuǎn)RS485 通訊模塊與上位機(jī)連接采集和傳輸數(shù)據(jù)［7］。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

4.1 系統(tǒng)控制流程

單片機(jī)控制、PLC 控制和計算機(jī)控制的軟件編制過程思路相同，只是表現(xiàn)形式不同。

系統(tǒng)控制流程如圖3 所示。系統(tǒng)上電后，運(yùn)行進(jìn)行初始化，檢測系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行是否正常，如有故障給出提示，否則開始采集并顯示各種傳感器信號［8］；同時與設(shè)置值進(jìn)行比對，出現(xiàn)偏差則控制輸出設(shè)備如灌溉設(shè)備、補(bǔ)光燈或者通風(fēng)設(shè)備來調(diào)整環(huán)境參數(shù)從而達(dá)到植物生長正常條件。

圖3 系統(tǒng)控制流程圖

4.2 控制模塊

控制模塊主要是控制灌溉系統(tǒng)設(shè)備、補(bǔ)光燈、通風(fēng)設(shè)備的輸出。

根據(jù)植物生長過程中的水分要求及采集土壤的濕度，控制水泵補(bǔ)水［9］。根據(jù)水量需求的大小，控制水泵長時間運(yùn)行和間隔運(yùn)行。當(dāng)水箱水位過低時，提示水箱補(bǔ)水；當(dāng)一段時間內(nèi)光度不足，則開啟補(bǔ)光燈。補(bǔ)光時間的長短根據(jù)不同季節(jié)和天氣情況進(jìn)行連續(xù)補(bǔ)光和間隔補(bǔ)光［10］。

當(dāng)沙盤內(nèi)溫度過高或者土壤濕度過大、二氧化碳濃度過高時，開啟通風(fēng)設(shè)備使沙盤空氣流通，調(diào)整沙盤內(nèi)溫濕度和二氧化碳濃度。

4.3 數(shù)據(jù)存儲模塊

夏季，特別是7 月、8 月室內(nèi)和沙盤內(nèi)溫度都很高，控制頻率相對較高，因此每隔10 min 采集一次數(shù)據(jù)并存儲；春季、秋季和冬季，室內(nèi)及沙盤內(nèi)溫度相對穩(wěn)定，控制頻率低，每隔30 min 或者60 min 采集并存儲數(shù)據(jù)。同時，與設(shè)置值比對繪制曲線，提供歷史數(shù)據(jù)顯示。

5 結(jié)論與討論

本次模擬植物生長環(huán)境平臺搭建，從實(shí)用角度來看：1）用簡單的設(shè)備控制真實(shí)的植物種植過程；2）充分利用電子傳感器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使電子、電氣、計算機(jī)專業(yè)教師及學(xué)生能夠?qū)⒗碚撝R和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合并獲得最真實(shí)的材料和經(jīng)驗(yàn)；3）因?yàn)槭亲灾餮邪l(fā)的系統(tǒng)，無論修改和擴(kuò)充功能都十分方便，為教師和學(xué)生的科研及教學(xué)工作提供了恰當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)平臺。