溫室大棚自動監控系統的集成

夏菽蘭+邵茗+紀正飚

【摘 要】農產品的健康生長主要受溫度、濕度、光照強度和CO2濃度等環境因素的影響。溫室大棚能夠對植物的成長環境起到一定的調節作用，從而為植物提供最好的生存條件。針對溫室大棚控制系統對環境控制的需求，以溫度、濕度、CO2濃度和光照強度為實現溫室控制的環境參數，集成一種基于PLC和環境因素傳感器的參數自動監控系統，系統以組態軟件為開發平臺。

【關鍵詞】溫室大棚；集成；傳感器；PLC

溫室大棚作為現代農作物生產的一種技術手段，利用先進的技術來完成生產與管理上的自動化的控制，從而減少了在人力物力上的投入。溫室技術最關鍵的部分是對溫室中各個環境參數的采集以及控制。手動操作控制、計算機控制和機電一體化操作控制是發展農業環境控制系統的三個重要階段。大棚自動控制技術是將網絡通信技術、電氣工程技術以及自然科學等先進技術結合在一起，根據植物健康成長的自然規律，對大棚內的各個影響參數進行適當的調控，從而使農作物的自然生長不受制于空氣水分、氣溫、CO2濃度以及光線照射等的外部環境影響，使農作物一直保持在最好的生長狀態，以此來完成高品質和高產量的目標。溫室大棚是農業發展過程中的一個主要構成部分。集成一個基于PLC的溫室大棚自動控制系統，當檢測到水分、光線照射強度、氣溫等環境因素脫離限定范圍時，打開調控設備，從而實現對各個環境參數的自主調節、自主控制，提高環境因子的控制精度、控制穩定性和控制水平。系統主要對水分、氣溫、光線照射強度以及CO2濃度等環境參數進行研究，并對其進行數據的收集以及分析。

1 系統硬件集成

可編程序控制器采用S7-200，主要是由擴展模塊（如EM231等）、CPU（CPU226等）以及編程軟件等組成。由主電路以及控制電路組成溫室大棚自動控制系統的硬件電路。主電路主要由多個中間繼電器來對外遮陽、內遮陰、內保溫、頂開窗、補光燈、加濕器以及內循環風機進行控制；接口電路主要為各個采集點的模擬量輸入模塊EM231與空氣溫度傳感器、空氣濕度傳感器、土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器、光照強度傳感器、二氧化碳傳感器等之間的連接；安全柵電路，其作用是當現場設備出現故障、損壞或者與之連接的PLC以及電源等設備出現問題時，保證儀表與設備之間產生的熱效應不會超出安全范圍之內，同時也可提高系統的抗電磁干擾的能力。

2 系統軟件集成

在硬件的基礎上，使用組態軟件對溫室環境進行調控，檢測農作物生長環境的二氧化碳濃度、濕度、溫度、光照強度和設備的狀態信號，并且控制設備的關閉和打開，進而調控各個環境因子。調控大棚內的影響參數是通過計算機提供的操作界面來完成的。用戶根據自己的實際需要擴展硬件平臺，將設備與傳感器相連接，形成一定的控制邏輯；或根據時間先后順序來控制相應的設備，從而實現對設備的自動調控。溫室環境參數是使用相應的傳感器進行采集，再通過系統算法進行處理，從而對溫室環境進行最好的調節與控制。

系統以組態軟件為開發平臺，本系統是基于上位機軟件的監控平臺，需要對數據庫以及環境變量進行組態設計、由溫室大棚環境因子監控部分、設備運行狀態監控部分、報警系統部分以及數據報表這四個模塊組成。

2.1 系統軟件監控方案

溫室監控系統是由數據報表的系統畫面、設備運行狀態的監控畫面、報警系統的畫面以及環境因子監控的畫面這四部分組成。用戶利用遠程設備如計算機對各個運行的設備進行觀察監控，如溫室補光燈的開啟與關閉，經過系統自動或者是手動控制對現場的設備進行遠程控制，同時也能通過遠程監控的畫面監測與控制環境因子。實時數據報表是對當前監測數據的記錄，而歷史數據報表是對過去的監測數據的記錄。用戶能夠通過查看數據報表了解、掌握溫室環境變化，做出正確的分析與決策，合理的調整控制系統，獲得最合適的控制方式。當環境因素值超過或者低于設定值時，報警系統會對用戶進行及時的提醒，并對其進行適當的調整，從而使參數值回到設定值范圍之內，以保證溫室自動系統的正常工作。

PLC是可編程控制器，主要是由CPU、擴展接口、輸入輸出單元以及通信接口等組成。遠程手動控制與力控軟件的自動控制共同組成溫室自動控制系統。流程是先利用組態軟件對環境參數初始化，并將各個環境參數的數值限定范圍輸入數據庫中，方便日后對超出限定值的環境參數進行報警以及處理。

用上位機來顯示獲取的現場環境參數。在遠程控制狀態時，工作人員可以根據現場反饋的數據任意調節和控制執行設備，以保證參數值在合理的范圍內。當系統是處于自動控制的狀態時，系統隨時將采集的參數數值與用戶一開始設置的環境參數數值進行比較，依據比較結果運行設備開關，以此來達到自動調節溫室環境的目的。

2.2 主程序

主要包括：對空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度以及二氧化碳濃度進行初始測量的程序設計；外遮陽控制系統程序（確保溫室環境避免太過強烈的陽光照射，維持在適宜的光照強度范圍）；內遮陰控制系統程序（確保溫室環境不會太過陰暗，維持溫室的溫度在適宜的范圍內）；內保溫控制系統程序，保證環境溫度維持在最佳的程度；頂開窗控制系統程序（保證溫室環境空氣的流通、清新，給植物一個良好的生長環境）；補光燈控制系統程序（保證溫室內的植物能夠得到充足的光照進行光合作用，從而茁壯成長）；加濕器控制系統程序（確保大棚內空氣濕度適宜，從而避免植物產生干燥枯萎現象；內循環風機控制系統，保證溫室內空氣流通）。

2.3 觸摸屏程序

組態工程的主窗口是所有設備與用戶的父窗口，它可以利用一個或幾個窗口繼續調控。主控窗口是主框架，可以設置流程及參數，使用戶操作簡便。一個應用系統只能擁有一個主控窗口，主控窗口是獨立存在的，準確設置窗口屬性。

2.4 數據庫組態設計

監控系統的開發平臺是使用組態軟件來擔任的，從而創建出一個控制現場與采集溫室環境參數的系統。系統的上位機是PC機，獨立于PLC之上。使用組態軟件進行設計開發，其中設計內容包含數據庫、畫面的實現、報表的生成、現場設備的實時控制等等。用戶可以查詢傳感器上傳的溫室環境參數，也可以讓系統自動進行調節、監控，從而達到監控溫室的目的。對現場進行過程控制和數據采集的專用軟件是力控組態軟件，它的最大特點是“組態方式”的多樣性，它擁有優良的開發界面的功能、簡潔的工程方式，監控功能的實現只要對預設的軟件模塊進行簡單組態。數據庫組態是力控組態軟件的核心，實時數據庫是系統正常運行的基本前提，實時數據庫的設計和管理是構建力控組態軟件系統的難點和重點。通訊是完成良好調控的前提，系統通訊是現場設備和計算機之間的通訊，利用網絡能夠實現遠程通訊。

組態軟件提供安保措施來保證系統的可靠安全。無論是系統的管理或操作人員，還是查看人員都會對監控系統進行操作和管理。為了對不同的操作進行區分，組態系統設置了權限訪問，經過設置，能夠預防特定人員外的人故意或者無意的修改、關閉系統參數。

數字點與模擬點是溫室自動控制系統的主要兩點，傳感器的濕度值、光線照射強度的數值、CO2濃度值以及溫度值等包含于模擬點，暖風機開關、補光燈開關、二氧化碳閥門與電機開關等包含于數字點。數據點與I/O設備連接在一起，從而控制環境因子。

3 結語

溫室中用來監控環境參數的系統是使用各種傳感器來采集溫室中的環境數據，再根據一定的方式方法來運行執行設備，以達到調節與控制溫室環境的目的。集成的系統功能主要有：輸入和存儲溫室數據的功能；調用歷史數據和管理數據的功能；顯示和打印實時數據動態的功能；調控現場設備的功能；處理故障的功能。系統能夠統一協調各模塊使之正常運行，能夠實時監控溫室大棚內的環境和環境設備的實時自動控制。

【參考文獻】

[1]董燕，張自強，李建.電氣控制與PLC技術[M].北京：電子工業出版社，2011.

[2]程睿，吳澤全，徐東，蔡曉華.PLC在溫室控制系統中的應用[J].農機化研究所，2011（01）：77-81.

[3]王建平，朱成輝.電氣控制與PLC[M].北京：機械工業出版社，2012.

[4]章海亮，劉雪梅，劉燕德.溫室環境下多變量的控制系統的設計[J].工業控制計算機，2014（27）：132-134.

[責任編輯：王偉平]