基于PLC 和物聯網的現代農業溫室監控系統設計

閆金鑫 白龍＊ 付東輝 熊峰 王仁杰

(牡丹江師范學院物理與電子工程學院，黑龍江牡丹江 157000)

溫室監控系統技術是一項綜合性的控制工程，它是現代農業植物學、環境控制學、計算機信息網絡及監控管理學、自動控制等多種技術的綜合應用。[1]建造農業溫室監控系統主要宗旨是為了通過模擬和改善適于農作物健康成長的諸多環境和條件, 創造一種人工的室內環境以及消除各種外界對于作物健康成長所帶來的環境影響和因素的不良條件, 這樣才能夠來有效地促進農村作物的健康成長,使溫室能夠克服外界氣候的限制,促進各種植株的生長和發育,有效縮減農村作物的成熟周期,防治各種病蟲害增加，提高了作物的產率從而獲得可觀的社會經濟效益[2]。

1 系統總體設計

本文主要通過可編程控制器、組態王軟件對溫室監控系統進行設計，系統選用西門子的可編程控制器S7-200，傳感器及型號選擇BTR01066 型溫濕度傳感器、HS1101 型濕度傳感器、GMD20 型CO2傳感器、GVGR-T10GD 型光敏傳感器。用GM5516 型光敏電阻對室內的溫濕度、二氧化碳及氧氣、光照度進行檢測，采用德國西門子公司的SIMATIC S7-200 Micro 軟件進行上位機軟件程序的設計，上位機選用的是北京亞控科技有限公司的組態王kingview6.55 軟件，它可以完成系統的大數據實時顯示、參數設定、手動/ 自動切換、用戶信息管理等功能。

2 系統硬件設計

采用西門子S7-200PLC 為系統硬件控制核心，通過溫度傳感器，濕度傳感器，光照傳感器，CO2濃度傳感器，土壤濕度傳感器，電導傳感器來檢測溫室大棚內環境的參數，在通過傳感器和變送器轉成0～10V 或者4～20mA 的電信號，接可編程控制器的em231 模擬量輸入模塊，根據種植作物不同和作物生長周期不同，設定不同的參數，控制加熱器，加濕器，開關窗，開關遮陽網，啟動循環風機，啟動排風風機，啟動CO2補充閥，啟動補光燈，啟動施肥閥，啟動滴灌閥等，控制溫室大棚環境，滿足作物生長需求。

噴淋式除草器主要作用之一就是為了保障室內農作物成熟所需水分和土壤中所必須的水分供應量是否充裕, 當室內溫度偏高時,通過這種噴淋式除草器可適當地降低室內的溫度;供暖系統主要是保證作物生長在最適合的溫度環境下生長，當室內溫度偏低時，供暖系統就會啟動，通過電加熱器和日照來提高溫室內的溫度；通風系統的作用是排除濕氣和補充二氧化碳，也可調節溫室內的溫度。遮陽系統是用來保障室內光照的強度；施肥系統用來保障農作物的營養使其在最適合的土壤中生長[3]。

溫濕度主要通開關量控制設備的啟停，如環流風機、水肥水泵等，PLC 控制起保停電路，另一種就是通過不同的控制開關控制電機正反轉的電路，主要有遮陽系統電路和開窗系統電路。自動操作程序以對溫度控制系統進行實驗,控制系統在上電后,首先要對系統初始化, 然后用手機讀取傳感器所測量的模擬數據,按鍵盤、開關等輸出的溫度值,將其中的溫度值與所設定的溫度值范圍之間進行比較, 當其中的溫度值小于或者低于設定溫度下限時,關閉一個通風窗,打開遮陽窗,打開一個加熱器進行加熱,測量到的溫度值要高于設定溫度的上限時,關閉加熱器,打開通風窗，關閉遮陽網。如果，室內光照低于光照設定值還需要打開補光燈進行補光操作。系統硬件機構如圖1 所示。

3 系統軟件設計

通過Portal 直接編寫，西門子s7 -200 plc 來執行應用程序,該軟件最方便的就是它支持了模塊化的編程,可以把需要進行實現的各種特殊功能都編寫成不同的模塊, 既可以做到邏輯上的簡單易懂,還甚至可以在需要進行修改的任務時候,直接打開一個相應的模塊,具有針對性的完成修改任務, step 7 中提供了四種不同類型和功能的塊,包括ob (組織塊)、fb (功能塊)、fc (功能)、db (數據塊)。ob (組織塊)控制器就是所有塊里的主體塊,只有控制器經由ob (組織塊)進行編寫后, 才可以由控制器cpu 進行讀取并執行，FB(功能塊)和FC (功能)是用來編寫用戶子程序或者函數的塊，這兩個塊可以被主程序調用，也可以互相調用，DB (數據塊)是用來保存信號信息和各種狀態信息的塊。PLC 控制流程圖如圖2 所示。

圖1 系統硬件結構圖

圖2 PLC 控制流程圖

4 上位機系統設計

本設計選用的是亞控科技有限公司的組態王軟件來進行人機通訊。根據控制要求建立監控畫面。建立了溫度控制,溫度顯示和設置儀表;建立了濕度控制,濕度顯示和溫濕度設定的儀表;建立光照控制，光照顯示和光照設定儀表；建立CO2濃度控制，CO2濃度顯示和CO2濃度設定；建立土壤濕度控制，土壤濕度顯示和土壤濕度設定；建立施肥控制，電導率顯示和電導率設定儀表。建立各指示燈，指示溫度，濕度，光照，CO2濃度，土壤濕度，電導率等高報警，低報警。建立畫面切換按鈕，用于切換畫面。組態界面如圖3 所示。

圖3 系統組態界面

結束語

我國目前作為世界農業強國，但農業智能技術并不完善。隨著農業設施智能化的發展，智能溫室系統在農業生產中所占的比重將越來越大，高效、安全、便于操作、運行穩定性高的智能監控系統將逐步替代原有的傳統溫室。本系統設計方案通過應用PLC 和組態軟件對各種智能化溫室的溫濕度、氧氣濃度、光照強度等數據進行了自動調控, 滿足了我國現代農業生產中所需要的溫室智能化水平要求。