基于PLC和嵌入式的智能農(nóng)場

李鵬欽，李金燦，陳錠霖，陳慶煥

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)珠江學(xué)院，廣東 廣州 510900）

0 引 言

近年來我國城市化程度越來越高，農(nóng)村土地被閑置的情況越來越嚴(yán)重，而農(nóng)場式的集中管理可以讓土地的利用率得到提升，效率得到提高，智能農(nóng)場應(yīng)此而生[1-3]。

本設(shè)計將整個智能農(nóng)場分為三塊區(qū)域，其中主要區(qū)域是溫室農(nóng)場。在溫室農(nóng)場中使用傳感器，如溫濕度傳感器、光照度傳感器、氣體濃度傳感器等采集農(nóng)作物的生長環(huán)境信息。然后通過嵌入式系統(tǒng)STM32對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，進(jìn)而對溫室農(nóng)場進(jìn)行調(diào)整與監(jiān)測[4]。利用PLC控制步進(jìn)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)，使搭載在步進(jìn)電機(jī)上的攝像頭模塊實(shí)現(xiàn)上下左右移動，進(jìn)而監(jiān)控整個溫室農(nóng)場農(nóng)作物的生長情況[5]。第二個區(qū)域是室外農(nóng)場，主要通過土壤濕度傳感器采集土壤的濕度，然后用PLC控制水泵電機(jī)抽水，對室外農(nóng)場進(jìn)行自動定時噴灑[6]。第三個區(qū)域是家畜養(yǎng)殖場，用PLC控制電機(jī)定時正、反轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制飼料閘門打開或關(guān)閉，投放飼料，供給家畜食用[7]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在本設(shè)計中，土壤濕度傳感器、光照度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、溫濕度傳感器作為輸入設(shè)備，采集農(nóng)場數(shù)據(jù)，并送入嵌入式控制器STM32F407進(jìn)行處理[8]。中間繼電器、步進(jìn)電機(jī)、減速電機(jī)作為輸出設(shè)備。PLC接收STM處理信號和功能按鈕信號，然后控制中間繼電器，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)攝像頭的移動；控制減速電機(jī)轉(zhuǎn)動，打開飼料閥門，并利用PLC的內(nèi)部定時功能，實(shí)現(xiàn)定時噴灑、飼養(yǎng)功能[9]。系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)

1.1 PLC的I/O分配表

本次設(shè)計采用2塊PLC分別控制智能農(nóng)場的室內(nèi)與室外[10]。室外農(nóng)牧場PLC的I/O分配表見表1所列。

表1 室外農(nóng)牧場PLC的I/O分配表

室內(nèi)溫室農(nóng)場PLC的I/O分配表見表2所列。

表2 室內(nèi)溫室農(nóng)場PLC的I/O分配表

1.2 PLC的I/O接線圖

室外農(nóng)牧場PLC的I/O接線圖如圖2所示。

圖2 室外農(nóng)牧場PLC的I/O接線圖

圖中：SB1作為農(nóng)場噴灑灌溉按鈕，SB2作為農(nóng)場噴灑灌溉停止按鈕，SB3作為農(nóng)場定時噴灑按鈕，分別接于PLC的輸入端口X0，X1，X2；輸出口Y0接中間繼電器KM1，使減速電機(jī)正轉(zhuǎn)，輸出口Y1接中間繼電器KM2，使減速電機(jī)反轉(zhuǎn)。SB3作為家畜養(yǎng)殖場定時喂養(yǎng)啟動按鈕，接于PLC輸入端口的X3，SB4作為家畜養(yǎng)殖場定時喂養(yǎng)停止按鈕，接于PLC輸入端口的X4，輸出口Y2接中間繼電器KM3。將PLC輸入端的COM口與按鈕連接，構(gòu)成輸入回路；將PLC輸出端的COM0口與PLC的0 V相連接，構(gòu)成輸出回路。再將中間繼電器KM1，KM2，KM3接回PLC的24 V，構(gòu)成輸出回路；將24 V電源正負(fù)極接于PLC的24 V與0 V，將輸出端的COM口接回PLC的0 V構(gòu)成輸出回路。

溫室農(nóng)場PLC的I/O接線圖如圖3所示。

圖3 溫室農(nóng)場PLC的I/O接線圖

圖中：SB1作為步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)啟動按鈕，SB2作為步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)按鈕，分別接于PLC的輸入端口X0，X1；輸出口Y0接中間繼電器KM1，輸出口Y1接中間繼電器KM2。將PLC的輸入端的COM口與按鈕相連接，構(gòu)成輸入回路，將24 V電源正負(fù)極接于PLC的24 V與0 V，將輸出端的COM口接回PLC的0 V，構(gòu)成輸出回路。

1.3 硬件制作

用亞克力板、支架、人工草皮搭建一個智能農(nóng)場模型，并將整個智能農(nóng)場分為溫室農(nóng)場、室外農(nóng)場、家畜養(yǎng)殖場三部分。攝像頭模塊安裝在由2個步進(jìn)電機(jī)、螺旋桿、亞克力板搭建的載體上，對溫室農(nóng)作物的生長情況進(jìn)行監(jiān)控。然后將PLC與4個中間繼電器相連，每2個中間繼電器控制一個步進(jìn)電機(jī)，帶動螺旋桿使攝像頭模塊隨之移動。之后再搭建水箱，用于農(nóng)場灌溉。完成后的智能農(nóng)場模型如圖4所示。

圖4 智能農(nóng)場硬件模型

2 智能農(nóng)場功能實(shí)現(xiàn)

2.1 攝像頭移動

攝像頭移動操作的流程如圖5所示。

圖5 攝像頭移動操作工作流程

圖中，使用PLC控制步進(jìn)電機(jī)1和步進(jìn)電機(jī)2，步進(jìn)電機(jī)1帶動攝像頭上移或下移，步進(jìn)電機(jī)2帶動攝像頭左移和右移。由于步進(jìn)電機(jī)為脈沖輸入型，所以需要脈沖輸入型的功能指令。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)1正轉(zhuǎn)時，螺旋桿也跟著正轉(zhuǎn)，使攝像頭上升；反轉(zhuǎn)時，螺旋桿也跟著反轉(zhuǎn)，從而使搭載在其結(jié)構(gòu)上的攝像頭下降。同理，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)2轉(zhuǎn)動，螺旋桿跟著轉(zhuǎn)動，使攝像頭左移或右移。

2.2 露天農(nóng)場噴灑

露天農(nóng)場噴灑操作流程如圖6所示。

圖6 露天農(nóng)場噴灑操作流程

首先確定是否需要定時噴灑灌溉，如果需要就用計數(shù)器進(jìn)行定時。據(jù)考察得知，如果天氣比較炎熱，農(nóng)作物的噴灑需要一天一次，如僅僅用定時器梯形圖會比較繁瑣，所以使用定時器加計數(shù)器來實(shí)現(xiàn)延時。當(dāng)延時到，通過PLC控制電機(jī)打開水泵，進(jìn)行噴灑。

2.3 家畜養(yǎng)殖場喂養(yǎng)

家畜養(yǎng)殖場定時喂養(yǎng)操作流程如圖7所示。

圖7 定時喂養(yǎng)操作流程

先設(shè)定一個定時，使喂養(yǎng)家畜時能定量控制，然后用繼電器控制電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)閘門的開與關(guān)。

3 系統(tǒng)測試

3.1 硬件測試

硬件結(jié)構(gòu)搭建完成后，按照每個模塊的功能作用，對與之相應(yīng)的結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行調(diào)試，最后再進(jìn)行整機(jī)調(diào)試。首先，檢測PLC是否正常運(yùn)行，輸入/輸出端口接線是否正確；接著對電動機(jī)進(jìn)行檢測，查看電機(jī)接線、轉(zhuǎn)動方向、扭力是否正常；然后檢測中間繼電器的觸點(diǎn)和線圈是否準(zhǔn)確動作；最后用萬用表查看是否有虛焊、短路、斷路等問題，排除因線路問題而導(dǎo)致硬件故障的情況。

3.2 軟件測試

首先用PLC開發(fā)軟件GX Developer對編寫好的梯形圖進(jìn)行軟件仿真，通過監(jiān)視各內(nèi)部繼電器的運(yùn)行狀態(tài)，判斷梯形圖是否有語法或功能問題。當(dāng)仿真測試通過后，可將梯形圖寫入PLC，進(jìn)行硬件模型功能測試。這個過程比較復(fù)雜，要根據(jù)各模塊的運(yùn)行情況，對梯形圖、硬件做出微調(diào)，使系統(tǒng)運(yùn)行在最佳狀態(tài)。

3.3 測試結(jié)果

通過多次調(diào)校，本智能農(nóng)場系統(tǒng)測試的效果如下：

（1）能對溫室農(nóng)場準(zhǔn)確監(jiān)控；

（2）能對露天農(nóng)場里的農(nóng)作物進(jìn)行定時噴水澆灌；

（3）能對家畜養(yǎng)殖場里的家畜進(jìn)行定時投喂。

4 結(jié) 語

本設(shè)計主要對智能農(nóng)場的運(yùn)行進(jìn)行分析，并搭建智能農(nóng)場模型，基本上模擬了智能農(nóng)場各功能模塊的工作過程。采用PLC結(jié)合STM32的控制方式，通過對不同環(huán)境變量的需求進(jìn)行系統(tǒng)分化，形成多個子模塊，使智能農(nóng)場系統(tǒng)能夠?qū)Νh(huán)境的溫濕度、氣體濃度以及光照度等環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)控，并遠(yuǎn)程控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，如對電機(jī)、水泵、風(fēng)機(jī)等做出調(diào)整。該系統(tǒng)功能齊全，滿足現(xiàn)代智能農(nóng)場的技術(shù)要求，有較好的社會效益。