43 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 第41卷 第1期 2020年2月 VOL 41 No 1 Feb 2020 Modern Agricultural Equipment 日光溫室群監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 林宇浩 單慧勇 郭俊旺 趙 輝 衛(wèi) 勇 天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院 天津 300384 摘 要 為了解決傳統(tǒng)溫室群管理困難 調(diào)控復(fù)雜等問題 設(shè)計(jì)開發(fā)日光溫室群監(jiān)控系統(tǒng) 采用可編程 控制器 PLC 作為系統(tǒng)主控制器 控制各溫室內(nèi)的控制節(jié)點(diǎn) 實(shí)現(xiàn)溫室環(huán)境調(diào)控的自動(dòng)化運(yùn)行 應(yīng)用無 線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫室各模塊之間的數(shù)據(jù)通訊 設(shè)計(jì)MCGS組態(tài)監(jiān)控界面 實(shí)現(xiàn)溫室群各執(zhí)行設(shè)備的現(xiàn)場實(shí) 時(shí)調(diào)控 設(shè)計(jì)PID通風(fēng)控制器 利用粒子群算法優(yōu)化控制參數(shù) 精確調(diào)控溫室內(nèi)濕度 應(yīng)用巨控智能遠(yuǎn)傳 模塊 GRM500 開發(fā)遠(yuǎn)程上位機(jī)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng) 設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程圖形控制界面 實(shí)現(xiàn)溫室的集群調(diào)控 測試 結(jié)果表明 系統(tǒng)能夠完成設(shè)計(jì)目標(biāo) 自動(dòng)化和智能化程度較高 便于用戶管理溫室群 關(guān)鍵詞 PLC MCGS組態(tài) PID通風(fēng)控制器 GRM500模塊 中圖分類號 S625 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1673 2154 2020 01 0043 05 收稿日期 2019 10 22 基金項(xiàng)目 天津市企業(yè)優(yōu)秀科技特派員項(xiàng)目 19JCTPJC56700 天津市濱海新區(qū)社會(huì)發(fā)展領(lǐng)域科技項(xiàng)目 BHXQKJ XM SF 2018 27 天津市農(nóng)業(yè)科技成果轉(zhuǎn)化與推廣項(xiàng)目 201703080 作者簡介 林宇浩 1998 男 安徽人 從事自動(dòng)化技術(shù)研究 E mail tjshyyr 通訊作者 單慧勇 1977 男 山西臨汾人 碩士 副教授 從事機(jī)電一體化技術(shù)研究 E mail tjshyyr 0 引言 我國人口眾多 資源日益緊張 面臨著糧食安全 耕地面積不斷減少和資源短缺等問題 隨著我國社 會(huì)經(jīng)濟(jì) 科技的發(fā)展 人們對蔬菜 花卉和糧食等 農(nóng)產(chǎn)品的需求也越來越大 目前普遍使用的溫室控 制系統(tǒng)一般需手動(dòng)控制 系統(tǒng)對溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的 調(diào)控存在滯后性 功能集成化程度低 缺乏智能調(diào) 控策略 使用效果差 1 國內(nèi)對于小區(qū)域溫室群的 集控系統(tǒng)研究較少 而且溫室群的人工管理成本較 大 操作較困難 鑒于我國國情 近年來 國家大 力發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè) 利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)改造傳統(tǒng)的 溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 以提升農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量 1 系統(tǒng)總體方案 日光溫室群監(jiān)控系統(tǒng)采用 PLC 作為系統(tǒng)主控制 器 通過一主多從的運(yùn)行方式控制各溫室內(nèi)的分控 制節(jié)點(diǎn) 2 應(yīng)用無線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)各模塊之間的數(shù) 據(jù)通訊 開發(fā) MCGS 組態(tài)系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)溫室群的實(shí)時(shí) 調(diào)控和現(xiàn)場人機(jī)交互 設(shè)計(jì)溫室 PID 通風(fēng)控制器 開發(fā)粒子群優(yōu)化控制算法 對溫室內(nèi)的循環(huán)除濕系 統(tǒng)進(jìn)行智能控制 應(yīng)用巨控智能遠(yuǎn)傳模塊實(shí)現(xiàn)對溫 室的集群控制 開發(fā)網(wǎng)頁和手機(jī) APP 遠(yuǎn)程上位機(jī)數(shù) 據(jù)管理監(jiān)控系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)溫室作物的增產(chǎn)增質(zhì) 總體 結(jié)構(gòu)如圖 1 所示 系統(tǒng)的工作過程如下 通電后 系統(tǒng)自動(dòng)通過 傳感器讀取各溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù) 土壤水分 濕度 CO 2 濃度等 在啟動(dòng)溫室群環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)后 PLC 總控制器依據(jù)內(nèi)置的粒子群算法動(dòng)態(tài)判定各溫室內(nèi) 適宜的環(huán)境參數(shù)水平 然后將調(diào)整后的參數(shù)發(fā)送到 分 PLC 控制器中 分 PLC 控制器根據(jù)調(diào)整后的參數(shù) 對各執(zhí)行器件進(jìn)行調(diào)控 實(shí)現(xiàn)各溫室中環(huán)境參數(shù)的 自動(dòng)智能控制 通過上位機(jī)觸摸屏可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的 參數(shù)設(shè)定和信息查看 如控制模式設(shè)定 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù) 44 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 2020年 監(jiān)測 歷史數(shù)據(jù)信息查看 傳感器參數(shù)設(shè)定等各種 操作 也可通過巨控智能遠(yuǎn)傳模塊實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁和手機(jī) APP 界面監(jiān)控 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及選型 2 1 PLC選型 根據(jù)設(shè)計(jì)所需的 I O 點(diǎn)數(shù)以及系統(tǒng)在安全性 使用成本等方面的綜合考慮 最終選擇國產(chǎn)信捷 PLC 作為系統(tǒng)控制器 型號為 XC2 24RT E 輸入 電壓為交流 110 240 V 輸出電壓為直流 24 V 具 有 18 路輸入 14 路輸出 本系統(tǒng)的 I O 口分配表如 表 1 所示 同時(shí)該 PLC 配備 Y0 Y1 高速脈沖輸出端 可使用 PWM 脈寬調(diào)制技術(shù) 擁有 3 個(gè) RS 通信串口 能夠滿足系統(tǒng)的功能需求 圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖 X0 X1 X2 X3 X4 X5 Y0 Y1 Y2 Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 卷簾上限位 卷簾下限位 液位下限位 液位上限位 自動(dòng)運(yùn)行按鈕 手動(dòng)運(yùn)行按鈕 通風(fēng)口控制器 加熱器 卷簾機(jī) 補(bǔ)光燈 水泵 與水泵相連電磁閥 二氧化碳發(fā)生器 與氣泵相連電磁閥 表1 PLC I O 分配表 輸 入 輸 出 2 2 觸摸屏選型 系統(tǒng)選擇的 MCGS 觸摸屏型號為 TPC1062K 3 該屏耗能低 在圖像顯示和數(shù)據(jù)處理方面十分優(yōu)秀 利用 USB 或 U 盤傳輸即可完成上傳或下載程序 過程便捷可靠 通過宏指令 可協(xié)助 PLC 處理一些 較為復(fù)雜的運(yùn)算 同時(shí)內(nèi)部具有較大的數(shù)據(jù)存儲器 可滿足用戶對于歷史數(shù)據(jù)的存儲與下載 2 3 傳感器選型 考慮實(shí)用性和價(jià)格因素 選用精訊科技的 JXBS 3001 系列高靈敏度壁掛式傳感器 包括溫濕 度傳感器 CO 2 傳感器 土壤水分傳感器等 供電 電壓為直流 9 24 V 采用標(biāo)準(zhǔn) Modbus 協(xié)議 通 信穩(wěn)定度高 測量精度高 范圍廣 能將其他信號 轉(zhuǎn)化為 4 20 mA 的電流信號 2 4 系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì) 溫室主電路如圖 2 所示 每個(gè)溫室中的主電路 都相同 本文以天津農(nóng)學(xué)院西校區(qū)環(huán)控實(shí)驗(yàn)溫室為 圖2 溫室系統(tǒng)主電路圖 通風(fēng)扇 變頻器 補(bǔ)光燈 加熱器 卷簾機(jī) 二氧化碳發(fā)生器 系統(tǒng)控制柜 水泵 45 第1期 驗(yàn)證群控系統(tǒng)功能 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 3 1 系統(tǒng)總體程序控制流程 根據(jù)群控系統(tǒng)的功能要求 結(jié)合硬件設(shè)備 編 寫了系統(tǒng)的總體控制流程圖 5 如圖 5 所示 對溫 室中的溫度 CO 2 濃度 光照等實(shí)現(xiàn)開關(guān)量控制 根據(jù)用戶的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)的種植技術(shù) 設(shè)置不同 時(shí)間段溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的范圍 判斷當(dāng)前值處于的 階段 當(dāng)某項(xiàng)參數(shù)在設(shè)定范圍之內(nèi)時(shí) 控制界面報(bào) 警燈會(huì)正常顯示 當(dāng)其在設(shè)定范圍之外時(shí) 控制界 面就會(huì)發(fā)出報(bào)警信號 3 2 系統(tǒng)子程序流程 系統(tǒng)開發(fā)的溫室內(nèi)的通風(fēng)控制器 6 調(diào)控流程 如圖 6 所示 首先通過傳感器采集溫室內(nèi)的濕度數(shù) 據(jù) 與濕度設(shè)定值進(jìn)行對比 當(dāng)濕度大于設(shè)定區(qū)間 時(shí) 初始化通風(fēng) PID 控制器 使用粒子群算法優(yōu)化 PID 控制器的 3 個(gè)參數(shù) 將最佳參數(shù)值賦值給 PID 通風(fēng)控制器 并通過 PWM 脈寬調(diào)制技術(shù)控制改變 通風(fēng)口開度大小的電機(jī) 從而對溫室內(nèi)的濕度進(jìn)行 自動(dòng) 智能 精確的調(diào)控 3 3 遠(yuǎn)程上位機(jī)界面設(shè)計(jì) 系統(tǒng)采用巨控G R M 5 0 0模塊與各溫室控制 林宇浩 等 日光溫室群監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 例介紹主電路 溫室中的用電設(shè)備有系統(tǒng)控制柜 循環(huán)除濕風(fēng)扇 380 V 抽水水泵 紅藍(lán)型補(bǔ)光燈 新型 CO 2 發(fā)生器和 380 V 自動(dòng)卷簾機(jī)等 其余設(shè) 備電壓均采用 220 V 故溫室內(nèi)需采用三相四線制 進(jìn)線 2 5 PLC控制電路設(shè)計(jì) PLC 控制器的 3 個(gè)通訊口分別連接觸摸屏 GRM500 模塊 傳感器模塊 包括無線數(shù)傳電臺和 變頻器等 其中各傳感器模塊協(xié)調(diào)安排設(shè)備地址 后統(tǒng)一連接在 Port 2 口上 串口接線示意圖如圖 3 所示 PLC 控制器的輸入端連接各限位開關(guān) 如液 位開關(guān) 位置開關(guān)等 輸出端與控制各執(zhí)行設(shè)備 繼電器的線圈相連 通過繼電器控制各類溫室執(zhí)行 設(shè)備 圖5 群控系統(tǒng)總體程序控制流程圖 2 6 電氣控制柜設(shè)計(jì) 溫室群監(jiān)控系統(tǒng)是以溫室個(gè)體為核心 對溫室 進(jìn)行集群控制 由于資源有限 為了能夠?qū)崿F(xiàn)群控 系統(tǒng)功能 把系統(tǒng)主控制柜與各溫室中的分控制柜 整合成通用的試驗(yàn)控制柜 4 完成的控制柜如圖 4 所示 這樣既可整合實(shí)驗(yàn)室資源 又便于后期試驗(yàn) 圖4 群控系統(tǒng)控制柜裝配圖 圖3 PLC串口接線示意圖 46 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備 2020年 柜中的P L C控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程 PC 端對溫室的無線監(jiān)控 使用開發(fā)環(huán)境良好的 GrmWebGUIDev 組態(tài)軟件設(shè)計(jì)溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控圖形動(dòng) 畫界面 完成后上傳至巨控云服務(wù)器中 登錄遠(yuǎn)程 PC 端網(wǎng)頁或手機(jī) APP 即可看到圖形動(dòng)畫監(jiān)控效果 溫室上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控界面使用流程如圖 7 所示 3 3 1 登錄界面 利用 GrmWebGUIDev 上的權(quán)限管理功能 對不 同的使用者分配不同的權(quán)限 管理員擁有最高權(quán)限 可修改系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù) 用戶擁有最低權(quán)限 具有 單獨(dú)登錄密碼 可查詢設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài) 系統(tǒng)圖 形網(wǎng)站登錄界面如圖 8 所示 3 3 2 監(jiān)控總界面 溫室群監(jiān)控總界面如圖 9 所示 主要顯示室外 環(huán)境參數(shù) 如降雨量 風(fēng)速 太陽輻射強(qiáng)度等 與 各溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù) 如 CO 2 濃度 光照強(qiáng)度 土壤 溫濕度 空氣溫濕度等 圖9 溫室群監(jiān)控系統(tǒng)總界面 3 3 3 溫室參數(shù)設(shè)定與狀態(tài)監(jiān)控界面 溫室內(nèi)核心界面如圖 10 所示 能夠動(dòng)態(tài)顯示 溫室各執(zhí)行設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài) 管理員可直接設(shè)定各 執(zhí)行器的參數(shù) 如進(jìn)行頻率加減等 實(shí)時(shí)控制各 執(zhí)行器的啟停 快慢等功能 用戶也能清晰地查看 各設(shè)備的運(yùn)行狀況 圖7 溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控界面操作流程圖 圖8 溫室群監(jiān)控系統(tǒng)登錄界面 圖6 通風(fēng)控制器程序流程圖 圖10 溫室參數(shù)設(shè)定與狀態(tài)監(jiān)控界面圖 47 第1期 4 結(jié)語 日光溫室群監(jiān)控系統(tǒng)主要利用 P L C 技術(shù) GPRS 技術(shù) 無線數(shù)傳技術(shù) 人機(jī)組態(tài)界面與遠(yuǎn)程 監(jiān)控技術(shù)等實(shí)現(xiàn)溫室集群控制 設(shè)計(jì)上位機(jī)數(shù)據(jù)管 理系統(tǒng) 采集顯示存儲溫室群環(huán)境大數(shù)據(jù)便于之后 進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析 開發(fā) PID 智能通風(fēng)控制器與粒子 群優(yōu)化算法 提高了溫室內(nèi)的除濕精度與系統(tǒng)的智 能化程度 該系統(tǒng)應(yīng)用于溫室群的調(diào)控中 能夠大 大地節(jié)省溫室群管理的人力 物力 提高農(nóng)產(chǎn)品的 產(chǎn)量與品質(zhì) 參考文獻(xiàn) 1 金玉龍 溫室群控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) D 杭州 浙江大學(xué) 2013 2 付立華 龐展翔 王建斌 等 基于Fuzzy PID 和GPRS的溫室大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 河 南工程學(xué)院學(xué)報(bào) 自然科學(xué)版 2017 29 4 58 61 3 單慧勇 于鎵 田云臣 等 集成傳感器清潔功 能的水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 湖北農(nóng) 業(yè)科學(xué) 2016 55 7 1824 1827 4 姜文蘇 灌區(qū)泵站群遠(yuǎn)程集中監(jiān)控系統(tǒng)的研究與 實(shí)現(xiàn) D 揚(yáng)州 揚(yáng)州大學(xué) 2018 5 趙麗 朱學(xué)軍 白雪萍 等 杏鮑菇栽培環(huán)境濕 度建模與控制器設(shè)計(jì)及仿真 J 中國農(nóng)機(jī)化學(xué) 報(bào) 2016 37 6 79 83 6 宗哲英 溫室群環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)與參數(shù)時(shí)空分 布規(guī)律研究 D 呼和浩特 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 2018 7 孫濤 單慧勇 張學(xué)煒 等 基于PLC的牛舍無 線智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng) J 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2019 9 3 42 45 8 李宜汀 張富貴 盧劍鋒 等 基于數(shù)字PI算法 的精準(zhǔn)施肥控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真 J 農(nóng)機(jī)化研 究 2017 39 10 108 112 118 9 曹宇昕 劉新 宮迎輝 等 PLC遠(yuǎn)程維護(hù)方案 的研究 J 制造業(yè)自動(dòng)化 2017 39 5 54 58 10 黃學(xué)飛 基于GPRS和PLC的人工造浪智能 監(jiān)控系統(tǒng)的研究 J 機(jī)床與液壓 2015 43 10 154 157 Design of Sunlight Greenhouse Groups Monitoring System Lin Yuhao Shan Huiyong Guo Junwang Zhao Hui Wei Yong College of Engineering and Technology of Tianjin Agricultural University Tianjin 300384 China Abstract In order to improve the management level of traditional greenhouses a solar greenhouse environmental monitoring system was developed The system uses the programmable logic controller PLC as the main controller to control the various measurement and control nodes of the greenhouse system to realize the automatic operation of the greenhouse environment adjustment Wireless communication technology is used to implement data communication between various modules of the greenhouse The MCGS system is used to develop the monitoring interface to realize real time control of various execution devices in the greenhouse The particle swarm optimization algorithm is used to optimize the control parameters and the PID ventilation controller is designed to achieve precise control of the greenhouse humidity environment A remote host data management system and a remote graphical control interface were developed to implement greenhouse cluster control based on the Intelligent Remote Transport Module GRM500 The test results showed that the design goal was achieved and the system has a high degree of automation which is convenient for users to manage the greenhouse Key words PLC MCGS configuration PID ventilation controller GRM500 module 林宇浩 等 日光溫室群監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)