蔬菜大棚恒溫恒濕控制系統設計

戚洪峰

（青島工學院，山東 青島 266300）

1 緒論

蔬菜大棚存在的價值就是為蔬菜提供最適宜的生長環境，從而避免了氣候的差異和惡劣的天氣環境。雖然我國是世界第一農業大國，但由于我國對蔬菜大棚的控制技術研究比較晚，所以我國蔬菜大棚的控制大部分處于手動控制階段，主要靠農民師傅的實際經驗來完成，技術比起發達國家還相對落后。無法發揮大棚的高效性，影響了農業現代化進程的發展。

本設計主要研究蔬菜大棚恒溫恒濕的控制問題。其核心部件是PLC，PLC作為一款工業微型控制器，其結構可靠而且它使用較高的供電電壓，減少了外設的驅動電路，解決了很大一部分的外設問題。

（1）掌握蔬菜大棚的主要功能及控制系統設計。

（2）對蔬菜大棚的運行模式進行邏輯分析并選擇合理的控制方式。

（3）對PLC的硬件部分進行設計。

（4）對整個系統做整體的測試分析。

2 系統硬件設計

蔬菜大棚的控制系統是用于控制蔬菜的溫濕度，可以用來完成信息采集、信息處理。本設計可以使大棚的溫濕度到達指定參數。

本設計由TM200CE40RS可編程控制器、觸摸屏、傳感器、報警器和輸出設備組成。采用兩組溫濕度傳感器并且布置在不同的位置，來測量出大棚的溫度和濕度情況。傳感器將所測量的信息發送給PLC，PLC將其測量值與設定值進行比較，從而發出對應的指令來調整大棚內部的溫濕度。

其完成的功能如下：

（1）能夠實時采集與顯示環境溫度、濕度等參數。

（2）能夠根據要求變化通過鍵盤輸入改變對參數的設置，以滿足不同的要求達到最佳效果。

（3）聲音報警功能。

（4）根據檢測到的信號，實時控制執行機構的開啟與關斷。

伴隨著PLC技術的不斷發展，可編程控制器的種類和型號也越來越多，它們的功能、價格、使用條件也各不相同。由于本設計的控制對PLC要求不是很高，調試和故障查找非常方便，而且價格低廉與和同類型的PLC相比，施耐德公司生產的PLC質量好、運行速度快、可擴展性強、抗干擾能力強。因此本設計采用施耐德公司生產的PLC。

采用TM200CE40R型PLC，此類型的PLC是施耐德公司生產的一種小型的PLC，其功能不比大、中型PLC的水平差，而且TM200CE40R型PLC價格低廉，完全在農民師傅的經濟承受能力之內。當時剛剛推出此產品就引起了自動化工作者的廣泛好評。在本設計中共用到了十個輸入，九個輸出，其中有八個輸入分別給兩路溫度和濕度傳感器。

觸摸屏人機界面模塊可以操控PLC，通過觸摸屏上的按鍵完全可以實時調控和監視大棚內的參數，使該設計系統能達到自動化甚至是無人化的控制。考慮到蔬菜大棚內的環境因素，如果在大棚內安裝各種電氣設備則會在大棚中產生比較多的電磁干擾，會導致信號傳輸的錯誤故采用RS485實現觸摸屏與PLC的通訊。RS485協議下數據信號采用差分傳輸方式，這樣可以有效的解決共模干擾問題，其最大傳輸距離可以達到一千二百米，而且同一條總線上可以連接多個收發設備。RS485協議設備價格低廉性能可靠適合小企業安裝。

溫濕度傳感器的種類很多，其測量精度、性能也不盡相同，而且傳感器會受到各種因素的影響。所以傳感器的選擇對測量的精度起著關鍵的作用。這就需要根據實際的環境，多方面的考察，選擇最合適的傳感器。

傳感器的精度是控制系統重要的性能指標，它就相當于人的眼睛一樣重要。傳感器精度越高測量越準確價格愈昂貴，所以傳感器的精度選擇只要滿足整個系統的精度要求即可。傳感器的穩定性是本設計的關鍵，穩定性除了受到自身結構的影響還與其所在的環境有著密切的關聯。因此，這就要求所選擇的傳感器應具備較高穩定性較強的抗干擾能力靈敏度高等特點。

（1）溫度傳感器。本設計采用PT100溫度傳感器來測量大棚的溫度。采集大棚的溫度時要考慮兩種情況，一類是大棚內的土壤溫度另一類是大棚內部空氣溫度。經過詳細的勘察兩個溫度并沒有太大的差別故溫度傳感器直接懸空測量即可。根據傳感器所能采集的范圍和精度來選擇傳感器的個數。兩路溫度傳感器足以覆蓋整個蔬菜大棚。

（2）濕度傳感器。濕度傳感器即測量環境相對濕度的電子式敏感元器件。濕度傳感器選用型號為HS1101的電容傳感器。其濕度允許誤差：±2%RH，量程為1%～99%RH。HS1101電容式傳感器具有靈敏度高、互換性好、響應速度快等特點而且其抗干擾能力、防灰塵能力也特別強，可以抵抗如二氧化碳、二氧化硫、二氧化氮等腐蝕性氣體。經過實際應用發現其穩定性及可靠性也超出一般電阻式好多倍。所以選用HS1101電容式濕度傳感器更實用。

根據大棚的面積和植物的高度選擇合適的位置固定傳感器，使得檢測更準確。信息量的采集是本設計研究的關鍵。采集不到數據或者采集的數據不準確本設計就體現不了它的價值。首先是溫、濕度采集的區域，起初將溫濕度傳感器放在一起但彼此之間會相互干擾，使得采集的數據失真。經過研究發現溫度和濕度兩類傳感器要分別安放在不同的區域才能使采集的數據更精準。

四季的溫濕度各有不同，考慮到這方面的因素，再結合師傅們的經驗，選用人機界面進行控制。這樣可以隨時調節大棚內空氣的溫濕度其操作方式可以通過人機界面進行手動和自動兩種模式的切換。

3 系統軟件設計

本設計的關鍵問題在于控制大棚內的溫濕度。這不僅需要傳感器本身的精度和測量范圍更需要程序的算法。

（1）信息采集功能：模擬量的采集需要溫度和濕度兩類傳感器。兩類傳感器直接和PLC串口連接即可。

（2）時時通訊功能：手動的方式完成對大棚溫濕度的調節。一年四季氣候各異，每個季節都要需要按照植物的生長環境找到其適宜的生活條件調控好不同的溫濕度，采用觸摸屏人機界面完成對信息的監控和調試。其通訊方式采用RS485串口通訊。

（3）安全保障功能：本設計系統還有安全保障性能，如果在高溫的天氣下，降溫效果不明顯時，則開啟有效的緊急措施，不僅打開風扇降溫，還會開啟水閥進行灑水。如果在斷電的情況下會自動保存系統的數據不丟失。如果在大棚內溫度特別高時煙霧報警模塊便會啟動，使整個大棚沒有任何安全隱患。

系統開始工作時，溫、濕度傳感器將土壤的溫、濕度測量值傳送給PLC，PLC將檢測到的溫濕度與設定值進行邏輯運算。若測量值大于設定值，則打開通風扇降低室內溫度并且打開除濕器。若測量值比設定值小，立即啟動供熱系統和灑水裝置分別提高溫度和濕度，當測量的溫濕度達到設定值時，則停止供熱和灑水。如果檢測到的溫濕度值等于設定值，則保持大棚的溫濕度。

4 總結

本設計系統有兩種工作模式分別是手動和自動。自動模式是系統正常運行下的狀態，手動模式主要應用于應對一些突發的情況比如火災。在正常運行的模式下，溫度和濕度傳感器實時采集數據并將采集到的數據傳送給PLC，PLC再將測量值與系統的設定值進行簡單的邏輯比較，若測量值低于設定值則開啟加熱器和熱風機；若測量值高于設定值則開啟風扇和空調降溫；若大棚內的測量值與設定值之差在允許的波動范圍之內，系統處于保持狀態，輸出設備不工作。

本設計是在前人原有經驗的基礎上，再結合農業知識和各種已經收集到的實驗數據，來進行控制的。這種控制方式可以使系統更精確更穩定運行。為了滿足蔬菜大棚在不同的反季節中有不同的溫濕度的標準，我設計了可以通過人機界面自動調控蔬菜大棚內環境的溫度和濕度，從而達到適宜植物生長的環境。蔬菜大棚的控制系統可以使大棚工作在經濟節能的狀態，而且無污染、壽命長、易更換，操作簡單。其發展前景很樂觀。未來，隨著對可編程控制器的深入了解，還可以豐富遠程控制模塊，通過計算機網絡來實時監測和控制大棚內的溫濕度。保證系統正常穩定的運行。也可以再增加多款PLC，通過構建復雜的多級網絡來適應大型的農業控制，使該系統運行時更加穩定可靠，性能更加完善，最終達到智能化和無人化。