李鵬欽,李金燦,陳錠霖,陳慶煥
(華南農(nóng)業(yè)大學(xué)珠江學(xué)院,廣東 廣州 510900)
近年來(lái)我國(guó)城市化程度越來(lái)越高,農(nóng)村土地被閑置的情況越來(lái)越嚴(yán)重,而農(nóng)場(chǎng)式的集中管理可以讓土地的利用率得到提升,效率得到提高,智能農(nóng)場(chǎng)應(yīng)此而生[1-3]。
本設(shè)計(jì)將整個(gè)智能農(nóng)場(chǎng)分為三塊區(qū)域,其中主要區(qū)域是溫室農(nóng)場(chǎng)。在溫室農(nóng)場(chǎng)中使用傳感器,如溫濕度傳感器、光照度傳感器、氣體濃度傳感器等采集農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境信息。然后通過(guò)嵌入式系統(tǒng)STM32對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,進(jìn)而對(duì)溫室農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整與監(jiān)測(cè)[4]。利用PLC控制步進(jìn)電機(jī)正、反轉(zhuǎn),使搭載在步進(jìn)電機(jī)上的攝像頭模塊實(shí)現(xiàn)上下左右移動(dòng),進(jìn)而監(jiān)控整個(gè)溫室農(nóng)場(chǎng)農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況[5]。第二個(gè)區(qū)域是室外農(nóng)場(chǎng),主要通過(guò)土壤濕度傳感器采集土壤的濕度,然后用PLC控制水泵電機(jī)抽水,對(duì)室外農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行自動(dòng)定時(shí)噴灑[6]。第三個(gè)區(qū)域是家畜養(yǎng)殖場(chǎng),用PLC控制電機(jī)定時(shí)正、反轉(zhuǎn),進(jìn)而控制飼料閘門打開或關(guān)閉,投放飼料,供給家畜食用[7]。
在本設(shè)計(jì)中,土壤濕度傳感器、光照度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、溫濕度傳感器作為輸入設(shè)備,采集農(nóng)場(chǎng)數(shù)據(jù),并送入嵌入式控制器STM32F407進(jìn)行處理[8]。中間繼電器、步進(jìn)電機(jī)、減速電機(jī)作為輸出設(shè)備。PLC接收STM處理信號(hào)和功能按鈕信號(hào),然后控制中間繼電器,驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)攝像頭的移動(dòng);控制減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),打開飼料閥門,并利用PLC的內(nèi)部定時(shí)功能,實(shí)現(xiàn)定時(shí)噴灑、飼養(yǎng)功能[9]。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)
本次設(shè)計(jì)采用2塊PLC分別控制智能農(nóng)場(chǎng)的室內(nèi)與室外[10]。室外農(nóng)牧場(chǎng)PLC的I/O分配表見(jiàn)表1所列。
表1 室外農(nóng)牧場(chǎng)PLC的I/O分配表
室內(nèi)溫室農(nóng)場(chǎng)PLC的I/O分配表見(jiàn)表2所列。
表2 室內(nèi)溫室農(nóng)場(chǎng)PLC的I/O分配表
室外農(nóng)牧場(chǎng)PLC的I/O接線圖如圖2所示。
圖2 室外農(nóng)牧場(chǎng)PLC的I/O接線圖
圖中:SB1作為農(nóng)場(chǎng)噴灑灌溉按鈕,SB2作為農(nóng)場(chǎng)噴灑灌溉停止按鈕,SB3作為農(nóng)場(chǎng)定時(shí)噴灑按鈕,分別接于PLC的輸入端口X0,X1,X2;輸出口Y0接中間繼電器KM1,使減速電機(jī)正轉(zhuǎn),輸出口Y1接中間繼電器KM2,使減速電機(jī)反轉(zhuǎn)。SB3作為家畜養(yǎng)殖場(chǎng)定時(shí)喂養(yǎng)啟動(dòng)按鈕,接于PLC輸入端口的X3,SB4作為家畜養(yǎng)殖場(chǎng)定時(shí)喂養(yǎng)停止按鈕,接于PLC輸入端口的X4,輸出口Y2接中間繼電器KM3。將PLC輸入端的COM口與按鈕連接,構(gòu)成輸入回路;將PLC輸出端的COM0口與PLC的0 V相連接,構(gòu)成輸出回路。再將中間繼電器KM1,KM2,KM3接回PLC的24 V,構(gòu)成輸出回路;將24 V電源正負(fù)極接于PLC的24 V與0 V,將輸出端的COM口接回PLC的0 V構(gòu)成輸出回路。
溫室農(nóng)場(chǎng)PLC的I/O接線圖如圖3所示。
圖3 溫室農(nóng)場(chǎng)PLC的I/O接線圖
圖中:SB1作為步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕,SB2作為步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)按鈕,分別接于PLC的輸入端口X0,X1;輸出口Y0接中間繼電器KM1,輸出口Y1接中間繼電器KM2。將PLC的輸入端的COM口與按鈕相連接,構(gòu)成輸入回路,將24 V電源正負(fù)極接于PLC的24 V與0 V,將輸出端的COM口接回PLC的0 V,構(gòu)成輸出回路。
用亞克力板、支架、人工草皮搭建一個(gè)智能農(nóng)場(chǎng)模型,并將整個(gè)智能農(nóng)場(chǎng)分為溫室農(nóng)場(chǎng)、室外農(nóng)場(chǎng)、家畜養(yǎng)殖場(chǎng)三部分。攝像頭模塊安裝在由2個(gè)步進(jìn)電機(jī)、螺旋桿、亞克力板搭建的載體上,對(duì)溫室農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況進(jìn)行監(jiān)控。然后將PLC與4個(gè)中間繼電器相連,每2個(gè)中間繼電器控制一個(gè)步進(jìn)電機(jī),帶動(dòng)螺旋桿使攝像頭模塊隨之移動(dòng)。之后再搭建水箱,用于農(nóng)場(chǎng)灌溉。完成后的智能農(nóng)場(chǎng)模型如圖4所示。
圖4 智能農(nóng)場(chǎng)硬件模型
攝像頭移動(dòng)操作的流程如圖5所示。
圖5 攝像頭移動(dòng)操作工作流程
圖中,使用PLC控制步進(jìn)電機(jī)1和步進(jìn)電機(jī)2,步進(jìn)電機(jī)1帶動(dòng)攝像頭上移或下移,步進(jìn)電機(jī)2帶動(dòng)攝像頭左移和右移。由于步進(jìn)電機(jī)為脈沖輸入型,所以需要脈沖輸入型的功能指令。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)1正轉(zhuǎn)時(shí),螺旋桿也跟著正轉(zhuǎn),使攝像頭上升;反轉(zhuǎn)時(shí),螺旋桿也跟著反轉(zhuǎn),從而使搭載在其結(jié)構(gòu)上的攝像頭下降。同理,當(dāng)步進(jìn)電機(jī)2轉(zhuǎn)動(dòng),螺旋桿跟著轉(zhuǎn)動(dòng),使攝像頭左移或右移。
露天農(nóng)場(chǎng)噴灑操作流程如圖6所示。
圖6 露天農(nóng)場(chǎng)噴灑操作流程
首先確定是否需要定時(shí)噴灑灌溉,如果需要就用計(jì)數(shù)器進(jìn)行定時(shí)。據(jù)考察得知,如果天氣比較炎熱,農(nóng)作物的噴灑需要一天一次,如僅僅用定時(shí)器梯形圖會(huì)比較繁瑣,所以使用定時(shí)器加計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)延時(shí)。當(dāng)延時(shí)到,通過(guò)PLC控制電機(jī)打開水泵,進(jìn)行噴灑。
家畜養(yǎng)殖場(chǎng)定時(shí)喂養(yǎng)操作流程如圖7所示。
圖7 定時(shí)喂養(yǎng)操作流程
先設(shè)定一個(gè)定時(shí),使喂養(yǎng)家畜時(shí)能定量控制,然后用繼電器控制電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)閘門的開與關(guān)。
硬件結(jié)構(gòu)搭建完成后,按照每個(gè)模塊的功能作用,對(duì)與之相應(yīng)的結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行調(diào)試,最后再進(jìn)行整機(jī)調(diào)試。首先,檢測(cè)PLC是否正常運(yùn)行,輸入/輸出端口接線是否正確;接著對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行檢測(cè),查看電機(jī)接線、轉(zhuǎn)動(dòng)方向、扭力是否正常;然后檢測(cè)中間繼電器的觸點(diǎn)和線圈是否準(zhǔn)確動(dòng)作;最后用萬(wàn)用表查看是否有虛焊、短路、斷路等問(wèn)題,排除因線路問(wèn)題而導(dǎo)致硬件故障的情況。
首先用PLC開發(fā)軟件GX Developer對(duì)編寫好的梯形圖進(jìn)行軟件仿真,通過(guò)監(jiān)視各內(nèi)部繼電器的運(yùn)行狀態(tài),判斷梯形圖是否有語(yǔ)法或功能問(wèn)題。當(dāng)仿真測(cè)試通過(guò)后,可將梯形圖寫入PLC,進(jìn)行硬件模型功能測(cè)試。這個(gè)過(guò)程比較復(fù)雜,要根據(jù)各模塊的運(yùn)行情況,對(duì)梯形圖、硬件做出微調(diào),使系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)。
通過(guò)多次調(diào)校,本智能農(nóng)場(chǎng)系統(tǒng)測(cè)試的效果如下:
(1)能對(duì)溫室農(nóng)場(chǎng)準(zhǔn)確監(jiān)控;
(2)能對(duì)露天農(nóng)場(chǎng)里的農(nóng)作物進(jìn)行定時(shí)噴水澆灌;
(3)能對(duì)家畜養(yǎng)殖場(chǎng)里的家畜進(jìn)行定時(shí)投喂。
本設(shè)計(jì)主要對(duì)智能農(nóng)場(chǎng)的運(yùn)行進(jìn)行分析,并搭建智能農(nóng)場(chǎng)模型,基本上模擬了智能農(nóng)場(chǎng)各功能模塊的工作過(guò)程。采用PLC結(jié)合STM32的控制方式,通過(guò)對(duì)不同環(huán)境變量的需求進(jìn)行系統(tǒng)分化,形成多個(gè)子模塊,使智能農(nóng)場(chǎng)系統(tǒng)能夠?qū)Νh(huán)境的溫濕度、氣體濃度以及光照度等環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)控,并遠(yuǎn)程控制執(zhí)行機(jī)構(gòu),如對(duì)電機(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)等做出調(diào)整。該系統(tǒng)功能齊全,滿足現(xiàn)代智能農(nóng)場(chǎng)的技術(shù)要求,有較好的社會(huì)效益。