李宗昊，楊 潔，錢蘇珂

（西南林業(yè)大學(xué) 機(jī)械與交通學(xué)院，云南 昆明 650224）

20 世紀(jì)90 年代初期，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院已經(jīng)開始研究大棚自動控制系統(tǒng)[1]。隨著經(jīng)濟(jì)和文化的發(fā)展，人們對花卉的品種、質(zhì)量、產(chǎn)量要求越來越高，如今，花卉除了用于觀賞，還大量用于食用、提取精油等。因此，對大棚內(nèi)種植花卉的生長環(huán)境尤其是溫度、濕度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，對于提高種植花卉的質(zhì)量和產(chǎn)量具有至關(guān)重要的意義。目前，國內(nèi)以可編程控制器（PLC）為核心的花卉大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)多數(shù)以舒宇[1]設(shè)計的利用串行通訊電纜有線傳輸方式的監(jiān)控系統(tǒng)和安寧[2]設(shè)計的利用總線技術(shù)短距離傳輸式觸摸屏的監(jiān)控系統(tǒng)為主，少數(shù)以馮毅等[3]設(shè)計的利用無線通信模塊中遠(yuǎn)距離傳輸式的組態(tài)界面監(jiān)控系統(tǒng)和利用以太網(wǎng)技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)為主，無法將以PLC 為核心的實(shí)時自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能與無距離限制的無線通信監(jiān)控相結(jié)合。基于此，設(shè)計了基于PLC 與組態(tài)王的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，能夠進(jìn)行實(shí)時自適應(yīng)調(diào)節(jié)，同時完成無距離限制的無線通信監(jiān)控。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1 功能與組成

系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)溫濕度檢測顯示、溫濕度自適應(yīng)調(diào)節(jié)和無距離限制的遠(yuǎn)程監(jiān)控3種主要功能。溫濕度的檢測顯示功能需要用溫濕度傳感器和PC 組態(tài)界面來實(shí)現(xiàn)；溫濕度自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能需要通過PLC控制器中編寫的梯形圖程序換算、比較和處理后控制各類執(zhí)行設(shè)備啟停來實(shí)現(xiàn)；無距離限制的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能需要在PLC 的MODBUS RTU 協(xié)議基礎(chǔ)上，通過無線通信模塊與遠(yuǎn)程端的PC 組態(tài)界面進(jìn)行通信連接后，根據(jù)建立的數(shù)據(jù)變量庫與圖素動畫運(yùn)作來實(shí)現(xiàn)。因此，溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計分為四大部分：采集器部分、控制器部分、執(zhí)行器部分、監(jiān)控器部分，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 System composition block diagram

1.2 工作過程及模式

工作過程：傳感器將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬量信號，通過有線傳輸?shù)侥M量接口，接口將模擬量信號轉(zhuǎn)換為0～32 000 的當(dāng)量值后傳輸?shù)絇LC，PLC通過梯形圖程序進(jìn)行換算、比較和處理后，通過輸出指令控制與其有線連接的執(zhí)行設(shè)備啟停，從而調(diào)節(jié)大棚內(nèi)所需的溫濕度環(huán)境參數(shù)；與PLC 建立起無線通信連接的組態(tài)界面實(shí)時同步顯示溫濕度數(shù)值和執(zhí)行設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并且可以對系統(tǒng)的啟動/停止進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

工作模式設(shè)計為手動與自動2 種模式，2 種模式獨(dú)立工作。手動模式下，根據(jù)人為目的和農(nóng)業(yè)知識判斷，手動地按動執(zhí)行設(shè)備按鈕進(jìn)行溫濕度調(diào)節(jié)；自動模式下，通過傳感器、PLC 和執(zhí)行設(shè)備之間的配合，有效地檢測與調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的溫濕度環(huán)境，并且以無線通信方式將PC（上位機(jī)）組態(tài)界面與PLC 建立連接，遠(yuǎn)程實(shí)時地顯示溫濕度數(shù)值和各執(zhí)行設(shè)備工作狀態(tài)，了解大棚內(nèi)的實(shí)時與歷史趨勢，控制系統(tǒng)的啟停。

1.3 PLC連接框圖

溫濕度傳感器以有線方式與PLC連接；增溫/降溫/增濕/除濕設(shè)備以有線方式與PLC 連接，各開關(guān)以有線方式與PLC 連接；PC 端組態(tài)界面通過DTU無線通信模塊與PLC 進(jìn)行通信連接。連接框圖見圖2。

圖2 PLC連接框圖Fig.2 PLC connection block diagram

1.4 硬件選型

1.4.1 控制器 由圖2可知，該系統(tǒng)共有開關(guān)量（數(shù)字量）輸入/輸出信號12個，模擬量輸入信號2個，在滿足控制量基礎(chǔ)上考慮到綜合性價比的情況下，采用艾莫迅公司AMX-200 系列的CPU224XP 的繼電器型PLC（型號214-2BD23-0XB8），開關(guān)量（數(shù)字量）輸入接口14 路和輸出接口10 路，模擬量輸入接口2 路，模擬量分辨率12 位（對于0～32 000 的當(dāng)量值來說位數(shù)越多，劃分的越細(xì)，數(shù)據(jù)的反應(yīng)越靈敏，精度越高）。

1.4.2 傳感器 考慮到常規(guī)大棚種植面積、傳感器的檢測精度和采集范圍，并且對常用的溫濕度自動控制系統(tǒng)的各相關(guān)設(shè)備進(jìn)行調(diào)研與分析，因應(yīng)用場景考慮到防水防潮性，在保證設(shè)備成本合理、滿足采集范圍和精度達(dá)標(biāo)的情況下，挑選出了山東仁科測控技術(shù)有限公司的高精度一體式模擬量溫濕度傳感器RS-WS-V10-9（金屬防水探頭，具有一定防潮防腐功能，0～10 V 電壓輸出，量程-40～80 ℃、0～100%RH，精度±0.5 ℃/±3%RH，自帶溫濕度數(shù)值顯示，采集范圍100 m2、高3 m）。

1.4.3 無線通信模塊 為了能夠無距離限制地通過組態(tài)界面對大棚內(nèi)溫濕度環(huán)境進(jìn)行直觀的了解，挑選出滿足本系統(tǒng)的無線通信模塊，北京天同創(chuàng)新通信公司的4G 全網(wǎng)通DTU 無線通信模塊WL-4011（全雙工工作模式，提供RS485 接口與PLC 連接），通過SIM 卡利用GPRS/Internet，經(jīng)過COMWAY 服務(wù)器（云平臺）達(dá)成有網(wǎng)絡(luò)就可以傳輸數(shù)據(jù)的功能。

1.5 I/O地址分配

根據(jù)圖2 中的控制量對PLC 的I/O 地址進(jìn)行分配，PLC 控制器的輸入點(diǎn)包括系統(tǒng)啟動和停止總開關(guān)、手動/自動模式開關(guān)、增溫/降溫/增濕/除濕設(shè)備開關(guān)（手動工作模式下使用）、溫濕度模擬量數(shù)值；輸出點(diǎn)包括增溫/降溫/增濕/除濕執(zhí)行設(shè)備。具體I/O分配見表1。

表1 PLC的I/O地址分配Tab.1 PLC’s I/O address assignment

2 梯形圖程序設(shè)計

系統(tǒng)開始工作后進(jìn)行參數(shù)初始化，初始化完畢后建立與組態(tài)的通信，啟動溫濕度傳感器進(jìn)行檢測，開始采集數(shù)據(jù)并傳輸?shù)絇LC。

在自動工作模式子程序下，PLC 判斷溫濕度數(shù)值是否處于參數(shù)設(shè)定閾值區(qū)間內(nèi)。若高于上限，則開啟相應(yīng)的執(zhí)行設(shè)備，例如溫度較高時開啟降溫設(shè)備、濕度較高時開啟除濕設(shè)備，在設(shè)定響應(yīng)時間內(nèi)進(jìn)行降溫或除濕處理；若低于下限，則開啟相應(yīng)的執(zhí)行元件，例如溫度較低時開啟增溫設(shè)備、濕度較低時開啟增濕設(shè)備，在設(shè)定響應(yīng)時間內(nèi)進(jìn)行增溫或增濕處理。PLC控制器進(jìn)行反復(fù)的環(huán)境參數(shù)檢測和調(diào)節(jié)，直到相關(guān)參數(shù)保持在設(shè)定閾值區(qū)間內(nèi)，當(dāng)溫濕度參數(shù)均符合要求，控制系統(tǒng)則停止工作，傳感器持續(xù)實(shí)時檢測。設(shè)備響應(yīng)時間的設(shè)定是為了保證某些花卉的生長特性作為一種規(guī)避型設(shè)置（例如防止大棚中濕度檢測與加濕控制響應(yīng)時間內(nèi)造成的根澇）。在手動工作模式子程序下，人為通過各執(zhí)行設(shè)備按鈕控制啟停，根據(jù)人為判斷進(jìn)行控制?？刂屏鞒桃妶D3。

圖3 控制流程圖Fig.3 Software flow chart of control system

3 組態(tài)界面設(shè)計

PC 中采用組態(tài)王軟件根據(jù)控制對象設(shè)計開發(fā)監(jiān)控界面。首先在組態(tài)王的工程瀏覽器中定義外部設(shè)備，建立MODBUS RTU 協(xié)議下的串口信息；其次對監(jiān)控系統(tǒng)中的變量進(jìn)行數(shù)據(jù)詞典定義建立數(shù)據(jù)變量庫；最后進(jìn)行各交互界面的畫面設(shè)計，并對界面中的圖素搭建“動畫連接”和“命令語言”，建立起與數(shù)據(jù)變量庫的聯(lián)系。組態(tài)界面可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的啟動和停止，實(shí)時監(jiān)測溫濕度環(huán)境參數(shù)值、觀察執(zhí)行設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和動態(tài)顯示溫濕度參數(shù)實(shí)時變化趨勢，并可瀏覽一段時間內(nèi)的歷史變化趨勢。數(shù)據(jù)變量庫見表2。

表2 數(shù)據(jù)變量庫Tab.2 Data variable database

組態(tài)界面設(shè)計為3 個界面：溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)人機(jī)交互主界面、溫濕度實(shí)時趨勢曲線界面、溫濕度歷史趨勢曲線界面，各界面見圖4。

圖4 組態(tài)界面圖Fig.4 Configuration interface diagram

4 無線通信連接

PLC 與PC 組態(tài)之間的無線通信通過WL-4011 4GDTU 無線通信模塊完成，PLC 與DTU 無線通信模塊之間通過RS485 串口線連接傳輸，根據(jù)PLC 從站指令、MODBUS RTU 協(xié)議和TCP/UDP 通信模式，通過SIM 卡利用GPRS/Internet 將系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳到COMWAY 通信服務(wù)器（云平臺），再通過聯(lián)網(wǎng)PC 上的COMWAY 無線串口軟件建立的虛擬串口與組態(tài)王進(jìn)行連接，組態(tài)王進(jìn)而從COMWAY 通信服務(wù)器上獲取數(shù)據(jù)達(dá)成無線連接模式，實(shí)現(xiàn)無距離限制的無線通信監(jiān)控。數(shù)據(jù)傳輸路徑見圖5，串口設(shè)置信息見圖6。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸路徑Fig.5 Schematic diagram of data transmission path

圖6 串口設(shè)置信息Fig.6 Setting information

5 試驗(yàn)與分析

5.1 試驗(yàn)材料

所需硬件主要由以下組成：

①1 臺安裝了V4.0 STEP7 Micro/WIN SP9、組態(tài)王6.55 軟件和COMWAY 無線串口軟件的筆記本電腦，Intel（R）Core i5-6533HQ，2.3 GHz，8 G 內(nèi)存，WINDOWS 10操作系統(tǒng)。

②1條USB-PPI通信電纜、1塊北京天同創(chuàng)新通信公司的4G 全網(wǎng)通DTU 無線通信模塊WL-4011、1張電信SIM卡。

③1臺艾莫迅公司AMX-200系列CPU224XP的繼電器型PLC，型號214-2BD23-0XB8，擁有開關(guān)量（數(shù)字量）輸入接口14 路和輸出接口10 路，模擬量輸入接口2路。

④1 臺山東仁科測控技術(shù)有限公司的高精度一體式模擬量溫濕度傳感器（型號RS-WS-V10-9），金屬防水探頭，0～10V 電壓輸出，量程-40～80 ℃、0～100% RH，精度±0.5 ℃/±3% RH，采集范圍100 m2、高3 m，自帶溫濕度數(shù)值顯示。

⑤執(zhí)行設(shè)備：增溫設(shè)備（紅燈二極管代表）、降溫設(shè)備（小風(fēng)扇代表）、增濕設(shè)備（噴霧電磁閥代表）、除濕設(shè)備（綠燈二極管代表）。

⑥導(dǎo)線若干、1 條公頭RS485 線、1 個德力西空氣開關(guān)、萬用板、小按鈕、插頭線、亞克力板等。

實(shí)驗(yàn)箱實(shí)物見圖7。

圖7 實(shí)驗(yàn)箱Fig.7 Experimental box

5.2 方法與結(jié)果

用實(shí)驗(yàn)箱分別在高3 m、面積100 m2的實(shí)驗(yàn)室和長15 m、寬7 m、高3 m、面積約100 m2的普通日光大棚中，通過穩(wěn)定環(huán)境測試和人為改變溫濕度環(huán)境測試進(jìn)行試驗(yàn)。大棚環(huán)境見圖8。

圖8 大棚環(huán)境Fig.8 Greenhouse environment

5.2.1 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境 程序中溫度閾值區(qū)間設(shè)置為23～35 ℃，濕度閾值區(qū)間設(shè)置為40%～65%RH，執(zhí)行設(shè)備響應(yīng)時間設(shè)置為2 min。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)的歷史趨勢曲線見圖9，圖中時段具體數(shù)據(jù)見表3（表3為長時段測試中截取的代表性數(shù)據(jù)，以20 s為間隔）。

表3 實(shí)驗(yàn)室測試具體數(shù)據(jù)（2021-08-11）Tab.3 Specific data of laboratory tests（2021-08-11）

圖9 實(shí)驗(yàn)室測試歷史趨勢曲線Fig.9 Historical trend curve of laboratory test

結(jié)果顯示，無人為改變時溫濕度數(shù)值相對穩(wěn)定，改變后，濕度傳感器能迅速作出檢測響應(yīng)且逐漸恢復(fù)相對恒定，溫度傳感器平緩進(jìn)行響應(yīng)且逐漸恢復(fù)相對恒定，浮動變化在傳感器精度范圍之內(nèi)。設(shè)備響應(yīng)見圖10。5.2.2 大棚環(huán)境 程序中溫度閾值區(qū)間設(shè)置為23～35 ℃,濕度閾值區(qū)間設(shè)置為40%～65%RH,執(zhí)行設(shè)備響應(yīng)時間設(shè)置為2 min。大棚內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)的歷史趨勢曲線見圖11，圖中時段具體數(shù)據(jù)見表4（表4 為長時段測試中截取的代表性數(shù)據(jù)，以20 s為間隔）。

表4 大棚測試具體數(shù)據(jù)（2021-09-04）Tab.4 Specific data of greenhouse test（2021-09-04）

圖10 實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測試的設(shè)備響應(yīng)圖Fig.10 Response diagram of equipment tested in laboratory

圖11 大棚測試歷史趨勢曲線Fig.11 Historical trend curve of greenhouse test

結(jié)果顯示，無人為改變時溫度數(shù)值相對穩(wěn)定、濕度數(shù)值略微浮動，改變后，濕度傳感器能快速作出檢測響應(yīng)且逐漸恢復(fù)相對恒定，溫度傳感器緩慢進(jìn)行響應(yīng)且逐漸恢復(fù)相對恒定，浮動變化在傳感器精度范圍之內(nèi)。設(shè)備響應(yīng)見圖12。

圖12 大棚內(nèi)測試的設(shè)備響應(yīng)圖Fig.12 Response diagram of equipment tested in greenhouse

5.3 試驗(yàn)分析

在實(shí)驗(yàn)室和普通日光大棚分別進(jìn)行了溫濕度監(jiān)控測試。采用一臺傳感器前提下的區(qū)別在于，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境相對穩(wěn)定，易人為改變溫濕度參數(shù)且變化明顯，檢測響應(yīng)迅速、控制功能正常；大棚環(huán)境內(nèi)各類因素互相牽擾呈現(xiàn)相對恒定的狀態(tài)，無改變時溫度數(shù)值相對穩(wěn)定、濕度數(shù)值略微浮動，但處于傳感器的精度與誤差范圍之內(nèi)且對控制的影響極微小，人為改變后溫濕度參數(shù)變化相對緩慢，檢測與控制功能正?？煽?。圖表中斷點(diǎn)是測試系統(tǒng)的啟停造成的，對檢測與控制無妨礙?？梢钥闯?，大棚環(huán)境內(nèi)的環(huán)境因素和其他因素更為復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境比大棚環(huán)境更為簡單穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)人為改變溫濕度更容易且其他因素對設(shè)備影響小，設(shè)備響應(yīng)更快，而大棚內(nèi)的溫度幾乎無波動、濕度波動小，均在系統(tǒng)的可控范圍之內(nèi)。

6 結(jié)論與討論

本研究采用PLC、組態(tài)王軟件和4G DTU 通信模塊為基礎(chǔ)設(shè)計的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)能夠成功且正確運(yùn)行，組態(tài)界面簡單直觀易操作，在2種環(huán)境下進(jìn)行了試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境相對簡單穩(wěn)定，系統(tǒng)響應(yīng)更迅速，大棚環(huán)境相對復(fù)雜，系統(tǒng)響應(yīng)相對緩慢，但都處于可控范圍內(nèi)，經(jīng)過測試每一種出現(xiàn)的狀態(tài)，系統(tǒng)都能及時作出無出錯響應(yīng)且正確運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了溫濕度檢測顯示、溫濕度自適應(yīng)調(diào)節(jié)和無距離限制的遠(yuǎn)程監(jiān)控3種主要功能。與其他溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)不同，本系統(tǒng)側(cè)重點(diǎn)在于滿足檢測與控制效果的情況下，采用手動及自動工作模式，解決了國內(nèi)以PLC為核心的花卉大棚溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)無法將實(shí)時自適應(yīng)調(diào)節(jié)與無距離限制的無線通信監(jiān)控相結(jié)合的問題，并未對電路做出詳盡設(shè)計，后續(xù)將完善電路設(shè)計和控制系統(tǒng)，進(jìn)一步提高自控技術(shù)。