26 智青春·創(chuàng)未來第十一屆“三菱電機杯”全國大學生電氣與自動化大賽論文集 智能溫室大棚控制系統(tǒng) Abstract: Greenhouse is vital in modern agricultural production. To achieve high quality, production and efficiency, it is necessary to detect and control the environmental factors such as temperature, humidity, carbon dioxide content and light intensity. This paper proposes a new detect-and-control system. Specically, MATLAB is rst employed for detecting leaf color, Texture, shape characteristics, and then sensors and MITSUBISHI PLC are utilized for controlling. Results show that the system is capable of accurate detection, control, and real-time monitoring of greenhouse. Thus it meets the requirements of the greenhouse environment. Key words: Greenhouse; Image processing; PLC; Self-control 1 前言 當今農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)越來越受到重視，而溫室大棚是高效 農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個重要組成部分，因此研究開發(fā)適合我國國情及性 能優(yōu)越、低成本且運行可靠的高度智能化溫室控制系統(tǒng)是當前該 領(lǐng)域研究的熱點問題。自檢自控的智能溫室大棚也就成為當前農(nóng) 業(yè)發(fā)展所需。 可編程控制器（Programmer Logic Controller, PLC）作為一種 先進的工業(yè)控制計算機其應(yīng)用非常廣泛，再結(jié)合溫度傳感器、濕 度傳感器、二氧化碳傳感器、光照傳感器及輔助的人機交互和通 信技術(shù)，就能夠有效地控制農(nóng)作物生長所需的主要環(huán)境條件，有 助于溫室種植的發(fā)展，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟效益。本文即基于此 需求設(shè)計出一種自檢并自控的智能化系統(tǒng)。 2 系統(tǒng)整體設(shè)計 本測控系統(tǒng)主要由圖像處理模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集模塊、 PLC 控制模塊、觸摸屏模塊和執(zhí)行機構(gòu)模塊組成，來實現(xiàn)對溫室 大棚中環(huán)境因子的監(jiān)測和控制。其整體結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。 三菱PLC控制器主要實現(xiàn)系統(tǒng)總體控制，包括傳感器數(shù)據(jù)信 息采集、數(shù)據(jù)信息的處理、各種執(zhí)行機構(gòu)的運行。傳感器數(shù)據(jù)采 集和圖像處理決定了整個系統(tǒng)的檢測精度和控制精度。傳感器數(shù) 據(jù)信息采集部分主要是對溫室的各個環(huán)境參數(shù)進行測量，并以 420mA的電流信號輸入到PLC模擬單元。MATLAB圖像處理部 分主要針對植物葉片的顏色特征、紋理特征與形狀特征進行對 比，同時利用概率統(tǒng)計綜合分析計算所采集的葉片，最后輸出高 低電平的結(jié)果以顯示當前葉片的生長狀態(tài)并傳給PLC控制器。觸 摸屏主要是手動控制溫室大棚的操作界面和實時參數(shù)檢測界面。 執(zhí)行機構(gòu)主要包括冷熱風機、卷簾遮陽補光裝置、水泵加濕灌溉 裝置和水泵施肥裝置，對溫室內(nèi)環(huán)境參量的調(diào)整，保證作物的良 好生長。圖1 溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)簡圖3 系統(tǒng)硬件 本控制系統(tǒng)的硬件主要由電源模塊、交流接觸器模塊、PLC 控制模塊、傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和執(zhí)行機構(gòu)組成。 摘 要 溫室大棚在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中至關(guān)重要。想要實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)及高效，就要對溫室大棚的環(huán)境因子如溫度、濕度、二氧化碳含量及 光照強度等有效檢測并控制，對此應(yīng)用了MATLAB的圖像處理檢測葉片顏色、紋理、形狀特征，并結(jié)合傳感器與三菱PLC相連使 用等構(gòu)建了一個自檢自控的系統(tǒng)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對溫室環(huán)境因子準確檢測并且有效控制，很好地實現(xiàn)對溫室中各參 數(shù)的實時監(jiān)控，較好地滿足溫室作物對生長環(huán)境的要求。 關(guān)鍵詞 溫室；圖像處理；PLC；自檢自控 張?，|，武波，楊爽，駱敏，荊帥（天津大學仁愛學院，天津 301636） Intelligent Greenhouse Control System 27 智青春·創(chuàng)未來第十一屆“三菱電機杯”全國大學生電氣與自動化大賽論文集 （1）電源模塊 電源模塊包括一個交流220V供電電源和一個直流24V供電電 源。交流電源分為兩部分，一組用于給PLC的電源模塊（Q61P） 和QY10模塊供電，另一組用于給交流接觸器供電。這里使用的 電源轉(zhuǎn)換模塊，輸入是220V交流電，輸出是24V、4.5A的電流。 24V直流電源給PLC的QX10和觸摸屏供電。傳感器與PLC相連間 接供電；執(zhí)行機構(gòu)和接觸器相連供電。 （2）交流接觸器模塊 交流接觸器主要連接PLC的輸出端和執(zhí)行機構(gòu)，接觸器由 220V交流進行供電，其常開觸點與 PLC輸出端和執(zhí)行機構(gòu)相連， 用于執(zhí)行機構(gòu)的開關(guān)控制。其中，執(zhí)行機構(gòu)由冷熱風機、卷簾遮 陽補光裝置、水泵加濕澆水裝置和水泵施肥裝置五部分組成。 （3）PLC控制模塊 我組的PLC控制模塊主要采用三菱公司的Q系列的PLC并配 用Q64AD系列的A/D轉(zhuǎn)換塊。其中我組選用Q64AD輸入的模擬量 為420mA電流信號，四路通道分別連接二氧化碳、光強度、溫 濕度傳感器。 （4）傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要使用溫濕度、光強度、二氧化碳四種傳 感器來完成對溫室大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的采集工作。 二氧化碳傳感器是精訊暢通的二氧化碳傳感器，它是一款 傳感、變送一體化的傳感器，適用于實驗室及農(nóng)業(yè)大棚等二氧化 碳的測量。其供電方式是直流924V，輸出信號是 420mA 電 流信號，量程是 05000ppm。 光照傳感器是精訊暢通光照度傳感器，傳感器精選優(yōu)質(zhì)感 光球，具有高度靈敏、全防水等特點。其供電方式是直流 24V， 輸出信號是 420mA 電流信號，量程是 065535Lux。 溫濕度傳感器采用瑞士SENSIRION溫濕度傳感器，長期穩(wěn) 定性好。具有低漂流、響應(yīng)速度快、抗干擾能力強等特點。供電 范圍在936VDC，輸出信號是420mA電流信號，溫度量程是 0100，濕度量程是0%100%RH。 （5）執(zhí)行機構(gòu) 執(zhí)行機構(gòu)主要由冷熱風機、卷簾遮陽裝置、水泵加濕澆水 裝置和水泵施肥裝置五部分組成。 冷風機主要用于實現(xiàn)溫室內(nèi)過高溫度的控制和溫室內(nèi)氣體 比例不平衡的調(diào)節(jié)。當溫度高于農(nóng)作物正常生長溫度的上限值 時，則打開左側(cè)風扇，通過風扇對溫室大棚進行降溫處理；當室 溫在正常溫度范圍內(nèi)時，左側(cè)風扇停止轉(zhuǎn)動。當溫室的氣體不平 衡時，則左右兩側(cè)的風扇都會開啟，通過一個風扇吹氣，一個風 扇吸氣，達到氣體交換的目的，從而使溫室氣體比例達到平衡； 當溫室氣體比例平衡時，兩側(cè)的風機停止工作。 熱風機主要用于提高溫室內(nèi)的溫度?？紤]到一年有四季， 隨著天氣變涼，溫室的溫度也會降低，這時就需要開啟熱風機調(diào) 節(jié)溫度來達到植物生長的最適溫度范圍。 卷簾遮陽補光裝置主要用于保證室內(nèi)農(nóng)作物能夠在良好的 光照條件下進行有效的光合作用，促進作物正常生長。 水泵加濕澆水裝置主要應(yīng)用于農(nóng)作物的加濕灌溉工作，通 過濕度傳感器和圖像處理檢測環(huán)境濕度和植物水分是否充足，若 是沒有達到農(nóng)作物正常生長所需濕度環(huán)境，則水泵開始加濕，噴 頭以噴霧式加濕。若是沒有達到農(nóng)作物正常生長的水分要求，則 水泵灌溉開始，噴頭以噴水式灌溉。 水泵施肥裝置主要應(yīng)用于農(nóng)作物施肥工作，本系統(tǒng)主要以 施液體肥料為主。液體肥料具有成分比例可調(diào)節(jié)、施肥方便等特 點。通過PLC定期給植物施肥。 4 系統(tǒng)軟件 系統(tǒng)軟件主要由PLC測控程序、MATLAB圖像處理系統(tǒng) 構(gòu)成。 （1）PLC測控程序 PLC采集和控制溫室內(nèi)環(huán)境參量，采集過程中需將傳感器 輸出電流模擬信號與PLC輸入數(shù)字量之間進行轉(zhuǎn)變，因此在編寫 PLC 程序時，必需把溫濕度的模擬量值與PLC中的數(shù)字量關(guān)系建 立起來。具體計算方法和公式（1）如下： 溫度 25 . 6 4 × = ） （I T 濕度： 25 . 6 4 × = ） （I H 二氧化碳含量： 5 . 312 4 × = ） （I E 光照強度 9375 . 4095 4 × = ） （I G （1） 上式中T表示實際溫度值，單位為；H表示實際濕度值， 單位為%RH；E表示二氧化碳含量，單位為ppm，G表示光照強 度，單位為Lux；I表示傳感器輸出值，通過Q64AD模塊并結(jié)合上 述公式，寫出采集數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)變程序，采集和控制程序流程 圖如圖2所示。圖2 采集和控制程序流程圖 28 智青春·創(chuàng)未來第十一屆“三菱電機杯”全國大學生電氣與自動化大賽論文集 （2）MATLAB圖像處理系統(tǒng) 本系統(tǒng)利用了MATLAB軟件對植物葉片進行無損傷測量與 檢測的圖像處理技術(shù)。首先，本系統(tǒng)采集的50組樣本葉片用 MATLAB軟件對其顏色特征、紋理特征及形狀特征進行綜合分 析。其中根據(jù)顏色特征分析出顏色的一階矩、顏色二階矩和顏色 三階矩。根據(jù)紋理特征分析出樣本葉片紋理走向均值、紋理排列 方差及紋理重合度。根據(jù)形狀特征則分析出樣本葉片的周長、面 積及外形輪廓。其次，通過這三個方面的數(shù)據(jù)進行概率統(tǒng)計計 算，利用中心極限定理最優(yōu)化設(shè)計（梯度法）尋求最優(yōu)樣本葉 片顏色特征數(shù)值、紋理特征數(shù)值及形狀特征平均值（K-means均 值）。中心極限定理如公式2所示。最后，為每一個特征加上符 合植物葉片生長規(guī)律的權(quán)重得到新樣本的三個特征值向量，利用 分析出結(jié)果的待測樣本的顏色特征、紋理特征及形狀特征與樣本 特征值向量比較。當不符合范圍的特征時，輸出該葉片相對應(yīng)的 所要提供的能源供應(yīng)；當符合范圍時，則不作輸出。（2）圖3 圖像處理流程圖 5 系統(tǒng)的實際運行 為了驗證本系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性，隨機選取某一天 采集數(shù)據(jù)進行分析。以溫度為例，溫度給定范圍是2629，根 據(jù)采集數(shù)據(jù)繪制的曲線如圖4。圖4 時間與溫度關(guān)系圖 測試結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定，可以滿足基本的控 制需求。 6 結(jié)論 應(yīng)用三菱PLC和MATLAB圖像處理等構(gòu)建了PLC溫室測控系 統(tǒng)。通過圖像處理檢測葉片顏色、紋理、形狀特征和傳感器采集 二氧化碳、溫濕度、光強度等數(shù)據(jù)，準確得出了溫室環(huán)境因子對 植物的影響，并通過PLC控制執(zhí)行機構(gòu)來很好調(diào)節(jié)溫室環(huán)境，為 多種植物提供最佳的生長環(huán)境。基本的實驗測試表明，該測控系 統(tǒng)工作穩(wěn)定，操作簡單，具有一定發(fā)展和應(yīng)用前景。 作者簡介： 張?，|（1983-），講師，就職于天津大學仁愛學院，研究方向為電 力電子技術(shù)與智能控制。 武 波（1968-），講師，就職于天津大學仁愛學院，研究方向為非 線性動力學系統(tǒng)混沌控制。 楊 爽（1993-），天津大學仁愛學院學生，研究方向為機械設(shè)計及 制造。 駱 敏（1996-），天津大學仁愛學院學生，研究方向為自動化。 荊 帥（1996-），天津大學仁愛學院學生，研究方向為電氣及自 動化。 參考文獻： 1 劉方，栗震霄 我國農(nóng)業(yè)溫室控制系統(tǒng)控制模式的研究J 農(nóng)機化研究，2008(10):223226. 2 南書明.關(guān)于智能溫室自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用探索J.價值工程，2014(35):72-73. 3 王兆義,楊新志.三菱 FX3U 系列 PLC 技術(shù)特點J.電世界,2007(9):1-3. 4 王立舒，楊廣林，徐向峰，等 日光溫室溫、濕度模糊控制系統(tǒng)研究J東北農(nóng)業(yè)大學學報，2005，36(5):625-627 5 王耀南, 李樹濤, 毛建旭.計算機圖像處理與識別技術(shù) M .北京:高等教育出版社, 2001