智能溫室遠程監控系統的設計

成慧翔，張 虎，樊建強，董燕麗

（山西農業大學信息學院，山西 太谷 030800）

在生產生活中，溫濕度扮演著非常重要的角色。農業作為國家經濟的根基，借助智能溫室的普及，可消除溫濕度對農作物生長的限制，減少對自然條件的依賴，且可使農民增收。隨著科技的發展，應用自動控制技術和工業計算機實現農業生產和管理的自動化是農業現代化的重要標志之一。農業生產的智能化和信息化將給溫室控制和管理帶來一場變革加快農業現代化發展的進程，在園藝種植、農業生產、動植物培養等多方面有著廣泛應用，將降低農業生產成本并提高農業產量，同時產生良好的經濟效益。

國外發達國家的溫室智能化技術處于領先地位，他們既可以對溫室中的相關參數實現集中控制與調節，也可以節約能源節省人力提高產能效率。國內發展相對滯后，引進國外溫室技術的同時，受國內氣候及地理環境的影響，效果欠佳。為了解決國內溫室技術水平低下、收益較低的問題，我國相關部門開始對溫室控制系統深入研究，但智能化程度不高。民營溫室發展步伐較快，但依然存在不合理、技術水平低等很多問題。

本文針對上述問題，提出以PLC為核心，基于觸摸屏的智能溫室遠程監控系統的解決方案。智能溫室遠程監控系統的應用，真正實現了農業生產自動化、管理智能化，使溫室種植管理智能化調溫、精細化施肥，可提高產量、改善品質、節省人力、降低人工誤差、提高經濟效益的目的，實現溫室種植的高效和精準化管理，可為人們供應健康、安全、優質的綠色產品。

1 智能溫室遠程監控系統整體方案的確定

溫室環境的調節相對復雜，對智能溫室監控系統的設計則提出更高的要求。溫室監控系統必須具有良好的穩定性、較強的功能性和實時性、較低的成本及較高的收益。

本系統整體分為以PLC為核心的控制系統和以觸摸屏為平臺的遠程監控系統，PLC對溫室內遠程監控的數據經數據采集模塊回傳進行分析并處理，然后驅動執行機構實現遠程控制。遠程監控的參數主要包括溫度、濕度、光照強度、二氧化碳濃度等，遠程控制的執行機構主要包括濕度調節模塊、光照調節模塊、溫度調節模塊、二氧化碳濃度調節模塊。智能溫室遠程監控系統采集溫室內的空氣溫濕度、土壤溫度與濕度等環境參數與預設值進行比較，若不符則啟動相關設備調節溫室溫濕度。系統整體結構框圖如圖1所示。

2 智能溫室控制系統的設計

智能溫室控制系統是智能溫室遠程監控系統重要的管理模塊。該控制系統包含控溫模塊、控濕模塊、二氧化碳補給模塊和補光模塊。控溫模塊中可以利用水箱加熱升溫、利用冷凝系統降溫，使得溫室內溫度適中保持在適宜農作物成長的水平；控濕模塊可能會影響植物生長，也可能會導致農作物產生病狀而影響產量，該系統可根據土壤和空氣的濕度傳感器檢測到的數據進行分析，然后判斷是都需要啟動濕簾水泵電機或霧化加濕器；二氧化碳補給模塊通過PLC的輸出確定是否啟動循環風機；補光模塊為了提高資源利用率，通過調節遮光簾調節光照強度。

其中，控制核心PLC選擇S7-200CPU226與西門子觸摸屏采用PROFINET協議建立通信，輸入設備包括手動與自動切換開關、若干限位開關、若干啟動開關、環境監測傳感器等；輸出設備包括遮光簾電機、濕簾水泵電機、加濕器、補光燈、報警燈等。通過擴展EM232模塊增加模擬量IO點。

該控制系統中PLC控制模式可選面板控制、遠程手動軟件控制即智能控制、自動控制。其控制流程圖如圖2所示。

3 智能溫室遠程監控系統的設計

為了便于操作人員管理，現場設置有觸摸屏，遠程設置有數據采集與監控系統，為操作員與PLC之間雙向溝通搭建了橋梁。該觸摸屏采用西門子KTP900F，其操作畫面可以組態為固定站操作和移動操作，可組態移動應用的特定功能。其操作界面包括：監控系統歡迎界面、設備運行狀態監控界面、數據記錄與查詢界面、參數設置界面與報警記錄。遠程監控系統采用WinCCFlexible制作，用戶可遠程查看或操控該系統。遠程監控終端設置界面與觸摸屏監控界面類似，有智能溫室遠程監控系統登錄界面、設備運行狀態監控界面、數據記錄與趨勢視圖、報警記錄界面等。

監控系統歡迎界面為操作員登錄頁面；設備運行狀態監控界面主要包括智能溫室中所有設備的運行狀態、各類開關、各傳感器的實時狀態及數值；數據記錄與查詢界面包括各類監測傳感器檢測到的歷史數據、當前數據及趨勢分布曲線等；參數設置界面包括系統運行模式的設置及控制過程中有關時間等參數的設定；報警記錄包括系統運行狀態和故障報警以及參數異常報警，報警時間、類別、狀態、確認取消等功能。

本文以觸摸屏監控畫面中設備運行狀態監控界面為例做出說明，如圖3所示。

4 調試與總結

本文針對我國農業的現狀對智能溫室控制的需求，提出了一種智能溫室遠程監控系統的解決方案，可實時監測溫室內溫度、濕度、二氧化碳濃度、光照強度等參數，通過各傳感器檢測采集并由PLC進行數據處理，與系統設定值進行比較，從而驅動現場的執行機構遮陽板、濕簾、風機等設備實現自動控制。操作員或管理員可以遠程監控現場設備運行狀態及各數據的實時走勢。經上位機下位機聯機調試，結果表明，本系統可以實現現場設備的自動控制，降低了人力成本，提高了工作效率，節約了能源，對農業向智能化和現代化發展起到了推動作用，具有一定的實際意義。