智能溫室監控系統設計

程麗霞

(太原工業學院 機械工程系，山西 太原 030008)

0 引言

我國人口基數大，農業用地數量緊張，雖然目前已經解決了溫飽問題，但吃的健康和安全才是現在人們更為關注的問題。冬季人們對新鮮蔬菜以及其他植物的需求依然很高，但受傳統農業的限制，該需求無法得到解決。大棚的出現為緩解此問題提供了較好的條件，但是其效果有限，而智能溫室成為更好的選擇。國內外的智能溫室技術在不斷發展，有些發達國家已經實現了智能的現代化溫室。雖然我國的智能溫室技術也在不斷發展，但與國外相比較，在一些關鍵技術上仍處于較低的水平，普通塑料大棚較為常見，智能溫室依然沒有得到普及。為了促進我國農業現代化的發展以及滿足廣大人民的生活需求，研究一套簡便而高效的智能溫室系統十分必要。本文設計了一種基于PLC的智能溫室控制系統，根據智能溫室的技術要求，確定了需要檢測的溫室環境參數與控制方法，利用組態王對溫室的監控界面進行了繪制，同時利用仿真軟件對基于PLC的梯形圖進行了仿真檢驗，為智能溫室的設計提供了一種新的思路。

1 智能溫室監控系統總體方案設計

溫室為作物的生長創造合適的環境，使它能夠擺脫自然環境和氣候變化的束縛。智能溫室監控系統要能夠監控溫室內的溫度、濕度、光照強度、土壤水分等。結合生產實際，該系統分為自動和手動兩種操作方式，這兩種操作方式之間可以互相切換。日常生產常使用自動模式，當處于該工作模式時，PLC會根據設置的參數與環境參數進行分析比較，自動決策后使執行元件動作，從而使溫室的環境參數滿足作物的生長要求。手動控制模式是在需要檢測與維護或有特殊情況發生時使用，手動控制模式又分為本地控制和遠程控制兩種。整個智能溫室系統分為檢測部分、執行機構部分和監控部分。檢測部分主要由各種傳感器構成，實現對溫室環境因素的自動檢測。執行機構包括通風扇、加熱器、卷簾電機等，可根據處理器的運算結果通過不同的執行機構動作來實現對溫室參數的調控。監控系統包括上位機與PLC，PLC通過檢測機構傳回的實時數據與上位機進行通訊，完成自動調整相應信息的過程。該系統主要包括啟動與停止按鈕、模式轉換開關、傳感器、執行元件、狀態指示燈、各類限位開關等。當溫室在初始狀態下，各執行元件處于不工作狀態，遮光簾關閉，保溫層關閉；通過手動控制與自動控制選擇開關確定工作模式，如果選擇自動模式，按下啟動按鈕后，溫室進入自動運行模式，各執行元件自動工作，對應的狀態指示燈顯示工作狀態，按下停止按鈕時，整個系統停止工作。

2 溫室監控系統的硬件設計

在作物的生長過程中，有許多因素都對其有較大的影響，但在智能控制過程中，并不能對所有的影響因素都進行檢測和控制，因此選擇主要的影響因素作為檢測對象，并選擇適合于整個系統使用的檢測器件。溫室系統內部的環境參數主要有空氣溫度、空氣濕度、光照強度、二氧化碳濃度、土壤溫度和土壤濕度等，根據這些檢測參數確定相應的傳感器。最終確定了檢測空氣溫度和濕度的傳感器型號為SHT75,它通過與模數轉換器相連，將檢測的模擬量信號轉換為數字信號并存入存儲器中，并對測量的數據進行校準，提高了檢測精度與速率。光照傳感器選擇了型號為TSL230的傳感器，它可以將光信號轉換為電流信號，該傳感器具有三個量程，可以根據使用場合來選擇合適的檔位，電流輸出范圍為4 mA～20 mA。檢測二氧化碳濃度的傳感器選擇的型號為RS-CO2，其性能優良，具有靈敏的檢測元件，整體密封好，能夠在高溫高濕度的場合工作，同時具有較高的可靠性[1]。檢測土壤濕度的傳感器選擇的型號為ZKYC-8FF,其密封性好，可直接埋入土壤中使用，且耐腐蝕，測量精度高，響應速度快。

當溫室內的溫度高于實際生產需求時需采取降溫措施，主要方式為通風與遮陽；當溫室內的溫度低于實際生產需求時需采取保溫措施。溫室環境中濕度高于作物生長所需，可通過通風來解決；當溫室中環境濕度低于所需值，則通過運作濕水簾來加濕。當夜晚等光照強度不足時，需要通過補光燈給作物補光。當環境中二氧化碳濃度低于需求值時，可采取通風與二氧化碳發生器來補充。為了使溫室中溫濕度等參數分布均勻，還需在室內采用循環機構。這些執行元件并非獨立運行，單一元件動作時會對其他環境因素產生影響，所以使各執行元件相互協作共同運作，從而為作物創造適宜的生長環境。在溫室系統的電路設計中，部分執行元件采用了啟停電路，如暖風機、補光燈、通風機和二氧化碳發生器等；另外一些執行元件采用了正反轉電路，如遮陽簾和保溫層。啟動這種執行元件，到達一定位置后會觸發限位開關停止動作，當啟動反轉按鈕后，執行元件反向動作，到達一定位置后停止。

3 溫室監控系統的軟件設計

由于PLC具有體積小、可靠性高、方便易用等特點，被用于各種工業生產中[2]。本設計選用了西門子S7-200系列的PLC，型號為CPU226。一個智能溫室系統涉及到的輸入設備有啟動按鈕1個、停止按鈕1個、急停按鈕1個、切換開關1個、限位開關4個、傳感器4個(溫濕度、二氧化碳、光照、土壤濕度)、手動模式下執行元件開關9個(暖風機、保溫層的正反轉、遮陽簾的正反轉、加濕器、補光燈、通風機、噴淋機)，共計輸入21個。系統涉及到的輸出設備有24 V繼電器7個、啟動指示燈1個、停止指示燈1個、設備運行指示燈9個、急停輸出1個，共計輸出19個。經統計，輸入有4個模擬信號、17個數字信號，輸出全為數字信號。為了滿足輸出數量，選擇增加數字量混合模塊EM223-8;為了滿足模擬量的輸入，選擇增加模擬量輸入模塊EM231-8。選擇的擴展模塊大于實際所需，一方面是為了保證系統的穩定性，另一方面是為以后的系統升級預留端口。為了方便編程，需要對輸入、輸出量進行I/O地址分配，主要輸入量和輸出量的I/O地址分配分別如表1和表2所示。

表1 輸入量I/O地址分配

表2 輸出量I/O地址分配

在實現溫室智能控制的過程中應滿足如下要求：在所有接觸器的使用中，系統應具有互鎖機制，同時具備自動診斷功能。該系統設有通風系統、加濕器、補光燈、遮陽簾和保溫層等。系統開始運行后，采集溫室中的主要環境因素，此時各類傳感器工作，將收集到的信息轉換為模擬量信號，經過處理后，模擬信號從PLC的模擬量擴展模塊EM231-8中輸入，EM231-8將輸入的模擬信號轉換成數字信號，PLC將此信號與預設定的范圍進行比較，當在設定范圍內時，PLC不會控制執行元件動作，當高于或者低于這個設定范圍時，PLC將會控制對應的執行元件動作，從而使溫室中的主要環境參數達到作物適應生長的范圍。溫室監控系統工作流程如圖1所示。

圖1 溫室監控系統工作流程

工控組態軟件為工程人員提供了一種工具和方法，可以靈活地建立一套工業自動監控系統。組態王軟件是我國開發較早的一種組態軟件，界面靈活并具有很好的通信功能，主要由工程管理器、工程瀏覽器和畫面運行系統三部分構成[3]。本系統采用的組態軟件為組態王6.55，上位機需要完成溫室中主要環境參數的實時顯示、溫室中所有執行元件的當前運行狀態顯示、手自動切換按鈕顯示、各主要環境參數的歷史曲線顯示等。上位機需要與PLC進行連接，首先完成上位機與PLC之間的接線，PLC通過串行接口與上位機進行連接；隨后進入組態王軟件中進行PLC型號選擇，在組態王軟件的工程瀏覽器點擊COM1，點擊新建設備項，給設備分配正確的地址，從而實現組態王軟件與PLC之間的通訊。通過組態王建立的監控畫面，能夠反映溫室系統中各環境參數的設定值及實時數據、各執行元件當前的運行狀態、手動模式與自動模式的切換等。為了實現溫室系統的遠程操作，設置了手動模式與自動模式，操作人員不僅可以在現場操作，還可在控制室進行遠程操作，兩種操作模式可以互相切換。智能溫室監控系統主界面如圖2所示。

圖2 智能溫室監控系統主界面

4 溫室監控系統的模擬仿真

在系統設計完成后，采用S7-200的仿真軟件對PLC程序系統圖進行仿真。在仿真軟件中，選擇型號為S7-200CPU226的PLC，拓展模塊選擇EM223的數字量模塊與EM231的模擬量模塊[4]。將編譯好的梯形圖載入到模擬PLC中，點擊運行程序，監控各I/O端口的運行狀況是否與設計意圖一致，監控系統的仿真界面如圖3所示。當按下啟動按鈕，梯形圖監控中M0.0中間繼電器導通，同時Q0.0得電，啟動指示燈點亮，按下SB2整個系統停止工作，Q0.1點亮，停止指示燈亮。系統默認的工作模式為自動模式，旋轉轉換開關SB4后，監控畫面中I0.3導通，M0.1導通，切換為手動運行模式。在手動模式下，撥動通風機開關SB9，監控畫面中I1.4得電，M0.6得電，通風機工作。暖風機、加濕器、補光燈、噴淋器的啟停方式與此類似。手動模式下，按下遮陽網正轉按鈕SB5，監控畫面中I0.4得電，M0.2得電后同時自鎖，運行到限位開關SQ1(手動撥動開關模擬)后I0.6斷開，M0.2失電，遮陽網停止。按下遮陽網反轉按鈕SB6，監控畫面中I0.5得電，M0.3得電后同時自鎖，運行到限位開關SQ2(手動撥動開關模擬)后I0.7斷開，M0.3失電，遮陽網停止。將手動模式切換為自動模式后，監控畫面中M0.1失電，系統轉為自動運行模式，手動輸入模擬溫度高于設定值30 ℃后(模擬量電壓為1.5 V)，比較器得電，M1.3得電，通風機工作。低于設定值20 ℃后(模擬量電壓為1 V),暖風機工作。當按下急停按鈕SB3后，監控畫面中所有輸出失電，I0.2得電，M2.5得電后同時自鎖，蜂鳴器Q1.6與警示燈Q0.2得電后工作。按下停止按鈕后，監控畫面中I0.1斷開，蜂鳴器Q1.6與警示燈Q0.2熄滅。仿真結果表明該系統能夠模擬溫室的運行情況，驗證了所編程序的正確性。

圖3 智能溫室監控系統的仿真界面

5 結語

本文設計了基于PLC的智能溫室監控系統，確定了智能溫室系統的主要環境參數和檢測方法，選擇了西門子S7-200CPU226的PLC作為控制器，同時采用組態王軟件對溫室的監控界面進行繪制，最后利用仿真軟件對梯形圖進行檢驗，驗證了程序的正確性。本設計對今后智能溫室監控系統的開發有一定的借鑒意義。