閆金鑫 白龍＊ 付東輝 熊峰 王仁杰

(牡丹江師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院，黑龍江牡丹江 157000)

溫室監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)是一項(xiàng)綜合性的控制工程，它是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)植物學(xué)、環(huán)境控制學(xué)、計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)及監(jiān)控管理學(xué)、自動(dòng)控制等多種技術(shù)的綜合應(yīng)用。[1]建造農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控系統(tǒng)主要宗旨是為了通過模擬和改善適于農(nóng)作物健康成長的諸多環(huán)境和條件, 創(chuàng)造一種人工的室內(nèi)環(huán)境以及消除各種外界對于作物健康成長所帶來的環(huán)境影響和因素的不良條件, 這樣才能夠來有效地促進(jìn)農(nóng)村作物的健康成長,使溫室能夠克服外界氣候的限制,促進(jìn)各種植株的生長和發(fā)育,有效縮減農(nóng)村作物的成熟周期,防治各種病蟲害增加，提高了作物的產(chǎn)率從而獲得可觀的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益[2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文主要通過可編程控制器、組態(tài)王軟件對溫室監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)選用西門子的可編程控制器S7-200，傳感器及型號(hào)選擇BTR01066 型溫濕度傳感器、HS1101 型濕度傳感器、GMD20 型CO2傳感器、GVGR-T10GD 型光敏傳感器。用GM5516 型光敏電阻對室內(nèi)的溫濕度、二氧化碳及氧氣、光照度進(jìn)行檢測，采用德國西門子公司的SIMATIC S7-200 Micro 軟件進(jìn)行上位機(jī)軟件程序的設(shè)計(jì)，上位機(jī)選用的是北京亞控科技有限公司的組態(tài)王kingview6.55 軟件，它可以完成系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、參數(shù)設(shè)定、手動(dòng)/ 自動(dòng)切換、用戶信息管理等功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

采用西門子S7-200PLC 為系統(tǒng)硬件控制核心，通過溫度傳感器，濕度傳感器，光照傳感器，CO2濃度傳感器，土壤濕度傳感器，電導(dǎo)傳感器來檢測溫室大棚內(nèi)環(huán)境的參數(shù)，在通過傳感器和變送器轉(zhuǎn)成0～10V 或者4～20mA 的電信號(hào)，接可編程控制器的em231 模擬量輸入模塊，根據(jù)種植作物不同和作物生長周期不同，設(shè)定不同的參數(shù)，控制加熱器，加濕器，開關(guān)窗，開關(guān)遮陽網(wǎng)，啟動(dòng)循環(huán)風(fēng)機(jī)，啟動(dòng)排風(fēng)風(fēng)機(jī)，啟動(dòng)CO2補(bǔ)充閥，啟動(dòng)補(bǔ)光燈，啟動(dòng)施肥閥，啟動(dòng)滴灌閥等，控制溫室大棚環(huán)境，滿足作物生長需求。

噴淋式除草器主要作用之一就是為了保障室內(nèi)農(nóng)作物成熟所需水分和土壤中所必須的水分供應(yīng)量是否充裕, 當(dāng)室內(nèi)溫度偏高時(shí),通過這種噴淋式除草器可適當(dāng)?shù)亟档褪覂?nèi)的溫度;供暖系統(tǒng)主要是保證作物生長在最適合的溫度環(huán)境下生長，當(dāng)室內(nèi)溫度偏低時(shí)，供暖系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng)，通過電加熱器和日照來提高溫室內(nèi)的溫度；通風(fēng)系統(tǒng)的作用是排除濕氣和補(bǔ)充二氧化碳，也可調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的溫度。遮陽系統(tǒng)是用來保障室內(nèi)光照的強(qiáng)度；施肥系統(tǒng)用來保障農(nóng)作物的營養(yǎng)使其在最適合的土壤中生長[3]。

溫濕度主要通開關(guān)量控制設(shè)備的啟停，如環(huán)流風(fēng)機(jī)、水肥水泵等，PLC 控制起保停電路，另一種就是通過不同的控制開關(guān)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的電路，主要有遮陽系統(tǒng)電路和開窗系統(tǒng)電路。自動(dòng)操作程序以對溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),控制系統(tǒng)在上電后,首先要對系統(tǒng)初始化, 然后用手機(jī)讀取傳感器所測量的模擬數(shù)據(jù),按鍵盤、開關(guān)等輸出的溫度值,將其中的溫度值與所設(shè)定的溫度值范圍之間進(jìn)行比較, 當(dāng)其中的溫度值小于或者低于設(shè)定溫度下限時(shí),關(guān)閉一個(gè)通風(fēng)窗,打開遮陽窗,打開一個(gè)加熱器進(jìn)行加熱,測量到的溫度值要高于設(shè)定溫度的上限時(shí),關(guān)閉加熱器,打開通風(fēng)窗，關(guān)閉遮陽網(wǎng)。如果，室內(nèi)光照低于光照設(shè)定值還需要打開補(bǔ)光燈進(jìn)行補(bǔ)光操作。系統(tǒng)硬件機(jī)構(gòu)如圖1 所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通過Portal 直接編寫，西門子s7 -200 plc 來執(zhí)行應(yīng)用程序,該軟件最方便的就是它支持了模塊化的編程,可以把需要進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的各種特殊功能都編寫成不同的模塊, 既可以做到邏輯上的簡單易懂,還甚至可以在需要進(jìn)行修改的任務(wù)時(shí)候,直接打開一個(gè)相應(yīng)的模塊,具有針對性的完成修改任務(wù), step 7 中提供了四種不同類型和功能的塊,包括ob (組織塊)、fb (功能塊)、fc (功能)、db (數(shù)據(jù)塊)。ob (組織塊)控制器就是所有塊里的主體塊,只有控制器經(jīng)由ob (組織塊)進(jìn)行編寫后, 才可以由控制器cpu 進(jìn)行讀取并執(zhí)行，F(xiàn)B(功能塊)和FC (功能)是用來編寫用戶子程序或者函數(shù)的塊，這兩個(gè)塊可以被主程序調(diào)用，也可以互相調(diào)用，DB (數(shù)據(jù)塊)是用來保存信號(hào)信息和各種狀態(tài)信息的塊。PLC 控制流程圖如圖2 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

圖2 PLC 控制流程圖

4 上位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用的是亞控科技有限公司的組態(tài)王軟件來進(jìn)行人機(jī)通訊。根據(jù)控制要求建立監(jiān)控畫面。建立了溫度控制,溫度顯示和設(shè)置儀表;建立了濕度控制,濕度顯示和溫濕度設(shè)定的儀表;建立光照控制，光照顯示和光照設(shè)定儀表；建立CO2濃度控制，CO2濃度顯示和CO2濃度設(shè)定；建立土壤濕度控制，土壤濕度顯示和土壤濕度設(shè)定；建立施肥控制，電導(dǎo)率顯示和電導(dǎo)率設(shè)定儀表。建立各指示燈，指示溫度，濕度，光照，CO2濃度，土壤濕度，電導(dǎo)率等高報(bào)警，低報(bào)警。建立畫面切換按鈕，用于切換畫面。組態(tài)界面如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)組態(tài)界面

結(jié)束語

我國目前作為世界農(nóng)業(yè)強(qiáng)國，但農(nóng)業(yè)智能技術(shù)并不完善。隨著農(nóng)業(yè)設(shè)施智能化的發(fā)展，智能溫室系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所占的比重將越來越大，高效、安全、便于操作、運(yùn)行穩(wěn)定性高的智能監(jiān)控系統(tǒng)將逐步替代原有的傳統(tǒng)溫室。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案通過應(yīng)用PLC 和組態(tài)軟件對各種智能化溫室的溫濕度、氧氣濃度、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)進(jìn)行了自動(dòng)調(diào)控, 滿足了我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所需要的溫室智能化水平要求。