温室大棚自动监控系统的集成

夏菽兰+邵茗+纪正飚

【摘 要】农产品的健康生长主要受温度、湿度、光照强度和CO2浓度等环境因素的影响。温室大棚能够对植物的成长环境起到一定的调节作用，从而为植物提供最好的生存条件。针对温室大棚控制系统对环境控制的需求，以温度、湿度、CO2浓度和光照强度为实现温室控制的环境参数，集成一种基于PLC和环境因素传感器的参数自动监控系统，系统以组态软件为开发平台。

【关键词】温室大棚；集成；传感器；PLC

温室大棚作为现代农作物生产的一种技术手段，利用先进的技术来完成生产与管理上的自动化的控制，从而减少了在人力物力上的投入。温室技术最关键的部分是对温室中各个环境参数的采集以及控制。手动操作控制、计算机控制和机电一体化操作控制是发展农业环境控制系统的三个重要阶段。大棚自动控制技术是将网络通信技术、电气工程技术以及自然科学等先进技术结合在一起，根据植物健康成长的自然规律，对大棚内的各个影响参数进行适当的调控，从而使农作物的自然生长不受制于空气水分、气温、CO2浓度以及光线照射等的外部环境影响，使农作物一直保持在最好的生长状态，以此来完成高品质和高产量的目标。温室大棚是农业发展过程中的一个主要构成部分。集成一个基于PLC的温室大棚自动控制系统，当检测到水分、光线照射强度、气温等环境因素脱离限定范围时，打开调控设备，从而实现对各个环境参数的自主调节、自主控制，提高环境因子的控制精度、控制稳定性和控制水平。系统主要对水分、气温、光线照射强度以及CO2浓度等环境参数进行研究，并对其进行数据的收集以及分析。

1 系统硬件集成

可编程序控制器采用S7-200，主要是由扩展模块（如EM231等）、CPU（CPU226等）以及编程软件等组成。由主电路以及控制电路组成温室大棚自动控制系统的硬件电路。主电路主要由多个中间继电器来对外遮阳、内遮阴、内保温、顶开窗、补光灯、加湿器以及内循环风机进行控制；接口电路主要为各个采集点的模拟量输入模块EM231与空气温度传感器、空气湿度传感器、土壤温度传感器、土壤水分传感器、光照强度传感器、二氧化碳传感器等之间的连接；安全栅电路，其作用是当现场设备出现故障、损坏或者与之连接的PLC以及电源等设备出现问题时，保证仪表与设备之间产生的热效应不会超出安全范围之内，同时也可提高系统的抗电磁干扰的能力。

2 系统软件集成

在硬件的基础上，使用组态软件对温室环境进行调控，检测农作物生长环境的二氧化碳浓度、湿度、温度、光照强度和设备的状态信号，并且控制设备的关闭和打开，进而调控各个环境因子。调控大棚内的影响参数是通过计算机提供的操作界面来完成的。用户根据自己的实际需要扩展硬件平台，将设备与传感器相连接，形成一定的控制逻辑；或根据时间先后顺序来控制相应的设备，从而实现对设备的自动调控。温室环境参数是使用相应的传感器进行采集，再通过系统算法进行处理，从而对温室环境进行最好的调节与控制。

系统以组态软件为开发平台，本系统是基于上位机软件的监控平台，需要对数据库以及环境变量进行组态设计、由温室大棚环境因子监控部分、设备运行状态监控部分、报警系统部分以及数据报表这四个模块组成。

2.1 系统软件监控方案

温室监控系统是由数据报表的系统画面、设备运行状态的监控画面、报警系统的画面以及环境因子监控的画面这四部分组成。用户利用远程设备如计算机对各个运行的设备进行观察监控，如温室补光灯的开启与关闭，经过系统自动或者是手动控制对现场的设备进行远程控制，同时也能通过远程监控的画面监测与控制环境因子。实时数据报表是对当前监测数据的记录，而历史数据报表是对过去的监测数据的记录。用户能够通过查看数据报表了解、掌握温室环境变化，做出正确的分析与决策，合理的调整控制系统，获得最合适的控制方式。当环境因素值超过或者低于设定值时，报警系统会对用户进行及时的提醒，并对其进行适当的调整，从而使参数值回到设定值范围之内，以保证温室自动系统的正常工作。

PLC是可编程控制器，主要是由CPU、扩展接口、输入输出单元以及通信接口等组成。远程手动控制与力控软件的自动控制共同组成温室自动控制系统。流程是先利用组态软件对环境参数初始化，并将各个环境参数的数值限定范围输入数据库中，方便日后对超出限定值的环境参数进行报警以及处理。

用上位机来显示获取的现场环境参数。在远程控制状态时，工作人员可以根据现场反馈的数据任意调节和控制执行设备，以保证参数值在合理的范围内。当系统是处于自动控制的状态时，系统随时将采集的参数数值与用户一开始设置的环境参数数值进行比较，依据比较结果运行设备开关，以此来达到自动调节温室环境的目的。

2.2 主程序

主要包括：对空气温湿度、土壤温湿度、光照强度以及二氧化碳浓度进行初始测量的程序设计；外遮阳控制系统程序（确保温室环境避免太过强烈的阳光照射，维持在适宜的光照强度范围）；内遮阴控制系统程序（确保温室环境不会太过阴暗，维持温室的温度在适宜的范围内）；内保温控制系统程序，保证环境温度维持在最佳的程度；顶开窗控制系统程序（保证温室环境空气的流通、清新，给植物一个良好的生长环境）；补光灯控制系统程序（保证温室内的植物能够得到充足的光照进行光合作用，从而茁壮成长）；加湿器控制系统程序（确保大棚内空气湿度适宜，从而避免植物产生干燥枯萎现象；内循环风机控制系统，保证温室内空气流通）。

2.3 触摸屏程序

组态工程的主窗口是所有设备与用户的父窗口，它可以利用一个或几个窗口继续调控。主控窗口是主框架，可以设置流程及参数，使用户操作简便。一个应用系统只能拥有一个主控窗口，主控窗口是独立存在的，准确设置窗口属性。

2.4 数据库组态设计

监控系统的开发平台是使用组态软件来担任的，从而创建出一个控制现场与采集温室环境参数的系统。系统的上位机是PC机，独立于PLC之上。使用组态软件进行设计开发，其中设计内容包含数据库、画面的实现、报表的生成、现场设备的实时控制等等。用户可以查询传感器上传的温室环境参数，也可以让系统自动进行调节、监控，从而达到监控温室的目的。对现场进行过程控制和数据采集的专用软件是力控组态软件，它的最大特点是“组态方式”的多样性，它拥有优良的开发界面的功能、简洁的工程方式，监控功能的实现只要对预设的软件模块进行简单组态。数据库组态是力控组态软件的核心，实时数据库是系统正常运行的基本前提，实时数据库的设计和管理是构建力控组态软件系统的难点和重点。通讯是完成良好调控的前提，系统通讯是现场设备和计算机之间的通讯，利用网络能够实现远程通讯。

组态软件提供安保措施来保证系统的可靠安全。无论是系统的管理或操作人员，还是查看人员都会对监控系统进行操作和管理。为了对不同的操作进行区分，组态系统设置了权限访问，经过设置，能够预防特定人员外的人故意或者无意的修改、关闭系统参数。

数字点与模拟点是温室自动控制系统的主要两点，传感器的湿度值、光线照射强度的数值、CO2浓度值以及温度值等包含于模拟点，暖风机开关、补光灯开关、二氧化碳阀门与电机开关等包含于数字点。数据点与I/O设备连接在一起，从而控制环境因子。

3 结语

温室中用来监控环境参数的系统是使用各种传感器来采集温室中的环境数据，再根据一定的方式方法来运行执行设备，以达到调节与控制温室环境的目的。集成的系统功能主要有：输入和存储温室数据的功能；调用历史数据和管理数据的功能；显示和打印实时数据动态的功能；调控现场设备的功能；处理故障的功能。系统能够统一协调各模块使之正常运行，能够实时监控温室大棚内的环境和环境设备的实时自动控制。

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[4]章海亮，刘雪梅，刘燕德.温室环境下多变量的控制系统的设计[J].工业控制计算机，2014（27）：132-134.

[责任编辑：王伟平]