基于PLC的智能農業現場監控系統設計分析

王婷

摘 要 科技的發展不斷革新現代農業的作業方式，當前智慧農業領域已經取得了巨大的發展，在智能農業現場（大棚、溫室）可運用智能感知可靠傳輸和智能處理的系統理念，基于PLC控制器設計一種監控系統，通過大數據、云計算，對農業作物生長環境參數實時采集監控，并實行智能灌溉、精準施肥等，為用戶提供可視化管理、智能化控制、科學化決策。基于此，分析基于PLC的智能農業現場監控系統的設計。

關鍵詞 智能農業;PLC;監控系統

中圖分類號：S126 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.27.092

隨著現代農業產業化水平提升，根據傳統的種植經驗來制定農事管理的措施已顯得不夠精確，把現代控制技術、信息技術融入農事生產和管理中，搭建并完善智慧農業平臺是有效實施鄉村振興戰略的重要措施，是現代農業的一大發展趨勢。在大棚、溫室中，用智能農業監測系統將多信息融合技術應用于其復雜多變的微氣候環境，可創建一個智能農業現場，實現農作物生長信息的多地實時監測與控制，并在專家系統輔助下，實現農業生產管理智能化實施。該類型監測系統采集信息全面，包括各類環境參數和作物的實時圖像、視頻，系統從信息的采集、轉換到傳輸的全過程都是智能化處理，能實現遠程傳輸和控制。

1 系統的總體設計

系統用傳感器采集數據，包括塑料大棚或溫室中環境參數（溫度、濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照強度、土壤pH值、二氧化碳濃度等）的采集。以PLC作為控制核心，能識別并存儲承載參數的電流信號，將采集的信息結合設定值，手動或自動驅動相應的執行器，實現作物生長環境的智能調節。組態軟件用于生成人機交互界面，實施現場監控，PLC云網關模塊不僅可以實現現場設備的遠程控制，還能將PLC數據傳送到專家系統和用戶平臺，一方面，經過大數據處理平臺對信息進行實時分析，根據監測到的數據作出實時預警發送給用戶或管理人員;另一方面，用戶通過電腦或手機登錄網站能對整個生產狀況進行實時監測，有了情況后方便用戶或管理人員及時進行處理。

系統的總體框架分三層結構，分別是信息采集通訊層、遠程傳輸控制層、智能分析與控制層三個部分。

1.1 信息采集通訊層

在進行數據采集時，將空氣溫度傳感器和濕度傳感器、土壤溫度傳感器和濕度傳感器等工作精度高、工作可靠的傳感器安置于智能農業現場，采用多點測量，現場安裝網絡攝像頭對作物生長、生產環境等情況進行視頻監控，將采集數據與傳輸層設備進行交互和共享，數據采集與傳輸設備會自動周期性讀取采集的溫度、濕度等參數，結合實時現場圖像，實現信息的可視化，管理的自動化。

1.2 遠程傳輸控制層

主要對采集的數據進行周期性存儲，為智能分析與控制層提供數據，由PLC、GPRS、通信模塊、繼電器等硬件模塊組成，與Internet建立連接，實現數據的處理、遠程傳輸和設備遠程控制[1]。

1.3 智能分析與控制層

利用組態軟件直觀展示環境參數，遠程或自動控制設備，全面實現人機交互、物物互聯。數據傳輸至專家平臺，經過大數據進一步分析處理，科學種植，精準施策。

2 系統硬件的選型

現場各類環境參數的采集依靠傳感器，傳感器要把各類信號成功采集到PLC，需匹配PLC輸入接口并進行選型。常用的模擬量傳感器分為兩線制和四線制，當四線制傳感器與PLC數據采集的模板輸入通道連接，PLC只采集模擬信號，當兩線制傳感器與PLC數據采集的模板輸入通道連接時，PLC的模擬輸入模板的通道上還要向外輸出一個直流24 V的電源，以驅動傳感器工作。傳感器可通過無線Zigbee連接，通過通信協議輪訓式問答，實時對每臺采集器數據的收集。

PLC控制器的選擇應根據監測環境的規模、監測因子的選擇、控制執行器的數量等確定系統的輸入輸出點數、存儲容量、輸出方式、通訊方式等，從經濟、精度要求多角度考量選擇相應的PLC及擴展模塊，再確定相應的組態軟件。

智能農業現場各執行機構來自控制柜及連接現場的控制設備，其系統組成和原理有所不同，包括遮陽系統、開窗系統、風機降溫系統、灌溉系統、內保溫系統等。系統可根據用戶的需求和實際情況選擇部署控制設備，也可根據栽培作物的品種、生長周期靈活設定自動控制目標，支持手動和自動控制模式。

PLC云網關模塊可選用湖南華辰智通科技有限公司的HINET智能網關。該設備結合WIFI、以太網、4G等多種通訊方式，支持PLC遠程監控、調試、上下載、控制，支持WINCC、組態王、力控等組態軟件遠程組態和遠程監控。

本系統的電源配置根據設備的需求，配置220/380V交流電源和開關電源。PLC處理數據后發出控制信號驅動電氣控制柜中的控制器件（包括接觸器、繼電器、變頻器、電磁閥等）對不同電機實現功能控制。

3 系統軟件的設計

3.1 PLC軟件設計

PLC程序設計分主站控制和從站控制，主站主要用于環境參數的采集，因作物在每個階段所需的溫濕度、光照強度、灌溉量不同，用戶或管理人員可以在組態軟件上修改相應的參數設定值來對比實際環境參數監測結果，同時在人機交互界面中實時觀察智能農業現場的各類參數情況，選擇對設備自動或手動兩種操作模式[2]。

手動模式操作：在組態界面中可選擇設備啟停按鈕或其他操作。若PLC程序出現故障或失效時，也可以用手動模式啟停設備。

自動模式操作：數據采集與設定值的比較參數正常則本次掃描周期結束，進入下一個循環，若參數超出設定的閾值范圍，PLC自行驅動相應執行設備，控制灌溉系統、風機系統等設備工作，直到環境參數回到合理范圍，設備自動停止運行，控制子程序回到主程序，等待下一個檢測掃描周期。

智能農業現場是一個復雜的生態系統，系統中影響作物生長的環境參數較多，且參數受很多不確定因素的影響，同時各參數相互影響，共同作用，具有時變非線性的特點。智能農業現場的執行設備不止影響單一參數，對某一參數的調節需多設備同時工作，比如溫度設定為25 ℃，當溫度傳感器的測量值高出環境溫度的設定值時，PLC會驅動風機系統，一段時間后若風機不能降低溫度，則會驅動濕簾水泵或開啟通風口，又會使環境的濕度和光照度受影響。因此，可以根據作物的需求，設置環境參數的優先級，根據優先級設計程序，滿足不同的需求[3]。

3.2 現場組態設計

應用組態子系統控制現場設備，可以實現多種監控內容。1）系統利用觸摸屏直觀顯示PLC采集傳輸的環境參數及現場設備運行狀態，實現遠程監控;2）實時歷史曲線、報表數據顯示環境變化;3）工作方式（手動、自動）的切換，多種形式報警（適合不同場合需要）;4）通過GSM網絡，實現短信監控，遠程數據傳輸、故障診斷;5）精簡數據，長期保存等。這樣，數據具有可視化、存儲化的特點，生成的圖表可調取、傳送、下載打印，控制參數在用戶權限下方便調整修改，優化用戶的管理。

3.3 遠程云平臺組態設計

遠程監控的應用：針對農作物種植場地地域分散、距離遙遠等特點，本系統采用HINET智能網關分層的B/S軟件架構，在公司官網申請賬號后登陸云平臺，創建項目，上傳PLC數據，關聯到智能網關和云平臺，用戶能夠通過瀏覽網站上系統提供的信息全面掌控地塊情況，作出科學規劃。

3.4 專家系統

經系統采集、分析處理后的信息還可以通過互聯網管理平臺將數據傳遞到農業管理部門、科研部門，可得到專家的指導。當判別環境數據有異時，系統可以通過網站或短信立即提醒用戶及時采取科學的管理措施，通過系統分析，種植戶可以及時發現傳統經驗不能判別的狀況，比如農業氣象災害。

4 結語

本系統設計以傳感器和PLC為監控核心，融合信息技術實現智能農業現場的創建和監測管理，通過對現場各種器件、設備和采集數據的合理支配與使用，打破空間和時間的限制，系統依據優化準則實現數據從采集到傳輸控制，再到智能分析應用，完備監控功能。在實際應用中，該系統有助于用戶更準確地分析智能農業現場內在規律性和動態變化規律，從而進行合理、科學的調節，實現增產創收的目標。

參考文獻：

[1] 肖進.高星星.王琢，等.基于PLC和物聯網技術的設施農業智能監控系統探究[J].湖北農機化，2019（23）：150-152.

[2] 曾令培.基于PLC的智能農業溫室大棚控制系統設計[J].農機裝備研發，2017（10）：38-39.

[3] 范哲超，陸明.基于國產PLC的光伏供電溫室控制系統設計與實現[J].江蘇農業科學，2017，45（15）：225.

（責任編輯：趙中正）