基于PLC大棚環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)設(shè)計_曹新偉.pdf

新疆農(nóng)機化 2024年第4期 doi 10 13620 ki issn1007 7782 2024 04 015 中圖分類號 TP273 S316 文獻標識碼 A 0 引言 設(shè)施農(nóng)業(yè)是在環(huán)境相對可控的條件下采用工 程技術(shù)手段進行作物高效生產(chǎn)的一種現(xiàn)代化農(nóng)業(yè) 生產(chǎn)方式 大棚栽培作為設(shè)施農(nóng)業(yè)的一種重要方 式 可以為作物提供較為理想的栽培環(huán)境 提高作 物產(chǎn)量和質(zhì)量 但是大棚環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測和控制 一直是困擾大棚生產(chǎn)的難題 本研究以烏魯木齊 大棚為例 通過傳感器的選擇 數(shù)據(jù)的采集與處理 和控制設(shè)備與算法的設(shè)計等手段研發(fā)大棚環(huán)境監(jiān) 測與控制系統(tǒng) 研究內(nèi)容涵蓋大棚環(huán)境監(jiān)測與控 制系統(tǒng)的各個方面 有助于提高大棚作物的產(chǎn)量 與品質(zhì) 也可為大棚環(huán)境的智能化調(diào)控提供研究 基礎(chǔ) 1 大棚環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)總體框架 本大棚環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)總體設(shè)計技術(shù)路線 圖如圖1 根據(jù)國內(nèi)大棚環(huán)境調(diào)控現(xiàn)狀查閱相應(yīng)的 文獻和資料 經(jīng)過梳理分析和統(tǒng)計分析確定最終設(shè) 計方案 設(shè)計大棚環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng) 完成系統(tǒng)硬 件選型和軟件設(shè)計 設(shè)計完成之后進行仿真 通信以 及聯(lián)動調(diào)試 2 控制算法設(shè)計 大棚環(huán)境控制系統(tǒng)的控制算法關(guān)鍵在于精確調(diào) 節(jié)溫濕度及光照等參數(shù) 1 本設(shè)計采用模糊PID控 制算法來實現(xiàn)對各執(zhí)行設(shè)備的精確控制 2 首先 根 據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)和預(yù)設(shè)的參考值計算出系統(tǒng)的 控制偏差e t 和偏差變化率ec t 然后經(jīng)過模糊處 理獲得模糊控制量u f 模糊處理主要有兩個輸入量 e t 的語言值E 和 ec t 的語言值 EC 進行模糊推 理得到u f 的語言值 最后的執(zhí)行控制量u為u f 與經(jīng) 典PID 控制的線性組合 其中 KP KI KD 為經(jīng)典 PID參數(shù) 經(jīng)過模糊處理獲得自適應(yīng)調(diào)節(jié) 該模糊控 文章編號 1007 7782 2024 04 0058 04 基于PLC大棚環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)設(shè)計 曹新偉 1 王瑞 1 辜筱淩 2 焦銳斌 1 1 新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)機械化研究所 新疆烏魯木齊 830091 2 阿合奇縣農(nóng)牧發(fā)展有限責(zé)任公司 新疆阿合奇843500 摘 要 本文設(shè)計了一種大棚環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng) 系統(tǒng)采用數(shù)字傳感器監(jiān)測溫濕度 光照和CO 2 濃度等環(huán)境參數(shù) 通過 ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至中央控制器 經(jīng)處理后在云平臺實現(xiàn)遠程監(jiān)視 通過監(jiān)測試驗與控制評估 證實監(jiān)測與控制效果良好 該大棚環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)能為國內(nèi)設(shè)施農(nóng)業(yè)的智能化 節(jié)能環(huán)保提供參考 關(guān)鍵詞 大棚 環(huán)境監(jiān)測 控制 設(shè)計 Designofmonitoringandcontrolsystemforgreenhouse environmentbasedonPLC CaoXinwei 1 WangRui 1 GuXiaoling 2 JiaoRuibin 1 1 Agricultural Mechanization Research Institute of Xinjiang Academy of Agricultural Sciences Urumqi 830091 Xinjiang China 2 Aheqi County Agriculture and Animal Husbandry Development Co Ltd Aheqi 843500 Xinjiang China Abstract Thisarticledesignsagreenhouseenvironmentmonitoringandcontrolsystem Itusesvariousdigitalsensorstomonitor environmentalparameterssuchastemperature humidity light andCO2concentration whicharesenttothecentralcontroller throughtheZigBeenetworkandthenprocessedtoachieveremotemonitoringonthecloudplatform Throughmonitoring experimentsandcontrolevaluations ithasbeenconfirmedthatthemonitoringandcontroleffectsaregood Thegreenhouse environmentmonitoringandcontrolsystemcanprovidereferencefortheintelligence energyconservation andenvironmental protectionoffacilityagricultureinChina Key words Greenhouse Environmentalmonitoring Control Design 修回日期 2024 04 02 基金項目 自治區(qū)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費項目 KY 2022022 農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新穩(wěn)定支持項目 jnkywdcz 2023007 2 設(shè)施農(nóng)業(yè) 58 新疆農(nóng)機化2024年第4期 圖1 設(shè)計總體技術(shù)路線圖 設(shè)施農(nóng)業(yè) 制規(guī)則表可基于專家經(jīng)驗進行設(shè)定 也可通過歷史 數(shù)據(jù)訓(xùn)練等自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲得 控制量u轉(zhuǎn)化為 對各執(zhí)行設(shè)備的開關(guān)時序控制 實現(xiàn)環(huán)境參考值的 精確跟蹤 在線修改PID參數(shù)或模糊控制表則可提 高控制的魯棒性 該混合控制算法充分利用了模糊 控制的自適應(yīng)優(yōu)勢和PID的優(yōu)異控制效果 既能提 高控制精度 也增強了針對環(huán)境變化的魯棒性 3 大棚環(huán)境監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)硬件選型 3 1 傳感器選擇 溫濕度傳感器可選用SHT20或DHT22 前者測 量范圍 40 125 濕度0 100 RH 精度 0 3 2 RH 響應(yīng)時間8 s I2C數(shù)字輸出 3 后者測量范 圍0 50 濕度20 90 RH 精度 0 5 2 RH 響應(yīng)時間2 s 數(shù)字信號輸出 光照傳感器可選用 BH1750 測量范圍1 65535 lux 精度 10 lux I2C接 口 與Arduino等MCU兼容 CO 2 傳感器可以選用 MH Z14或SCD30 前者采用非散射紅外 NDIR 技 術(shù) 范圍0 5 000 ppm 精度 50 ppm UART數(shù)字輸 出 后者也為NDIR原理 范圍400 5 000 ppm 精 度 30 ppm或 3 I2C數(shù)字輸出 另外 由于溫濕度對植物生長非常重要 故使用 兩個傳感器來冗余監(jiān)測以提高系統(tǒng)可靠性 數(shù)據(jù)采 集頻率一般設(shè)置為1 10 min采集一次 根據(jù)作物種 類及生長階段適當調(diào)整 光照強度和CO 2 濃度采集 頻率可以較低 例如每小時采集一次 所有傳感器輸 出要連接到MCU進行A D轉(zhuǎn)換 數(shù)據(jù)校準和過濾 然后經(jīng)ZigBee等無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到監(jiān)控中心的工控 機并實時存儲于MySQL數(shù)據(jù)庫中 3 2 數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊 大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與傳輸環(huán)節(jié)采用 模塊化設(shè)計 數(shù)據(jù)采集模塊選用STM32系列32位 ARM Cortex M0核MCU 內(nèi)置12位AD轉(zhuǎn)換器 最 大采樣率達1 Msps 可滿足多個傳感器信號的采集 需求 4 采集到的數(shù)字量化數(shù)據(jù)經(jīng)過MCU上的數(shù)字 濾波器去除噪聲 濾波方法可選FIR或IIR 一般采 用通帶在0 01 Hz以下的低通濾波器 去噪后的數(shù) 據(jù)會緩存于MCU內(nèi)部的4KB SRAM中 MCU會按 一定時序通過SPI總線獲得緩存數(shù)據(jù) 加入校驗碼 后通過ZigBee模塊發(fā)送到中央控制器 ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建采用樹形拓撲 中央控制器作 為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和根節(jié)點 采集模塊作為路由節(jié)點或 終端節(jié)點 與其他節(jié)點形成自組網(wǎng) 網(wǎng)絡(luò)層采用 AODV路由協(xié)議 能夠快速構(gòu)建網(wǎng)段之間的連通路 線 ZigBee 模塊的射頻輸出功率可配置為 10 20 dBm 覆蓋整個大棚區(qū)域 在傳輸可靠性方面 Zig Bee支持重傳機制 丟包率可控制在0 1 以下 從 采集模塊到中央控制器的單次數(shù)據(jù)傳輸延時小于 150 ms 滿足監(jiān)測控制的實時性需求 3 3 數(shù)據(jù)處理與存儲 大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和存儲基于工控 機平臺 中央控制器選用工業(yè)級主板及Intel i7低功 耗CPU 確保系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運行 中央控制器收到 傳感器采集模塊傳來的數(shù)據(jù)后先進行解包 校驗并 59 新疆農(nóng)機化 2024年第4期 丟棄傳輸錯誤的數(shù)據(jù) 然后將各傳感器數(shù)據(jù)映射到 預(yù)設(shè)的數(shù)值范圍 進行濾波平滑處理 并與溫濕度傳 感器冗余數(shù)據(jù)進行融合 生成更準確可靠的環(huán)境參 數(shù)讀數(shù) 處理后的數(shù)據(jù)既存儲在64GB SSD硬盤上 也實時寫入MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)庫運行在支 持高并發(fā)訪問的Linux服務(wù)器上 采用InnoDB存儲 引擎 支持完整崩潰恢復(fù)技術(shù) 確保數(shù)據(jù)高速安全存 儲 數(shù)據(jù)庫同時也存放控制器的操作日志及報警信 息等數(shù)據(jù) Web服務(wù)器可通過TCP連接提取數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)進行監(jiān)控可視化顯示 5 在數(shù)據(jù)處理方面 還可 采用機器學(xué)習(xí)模型分析各環(huán)境變量之間的關(guān)系 提 取監(jiān)測數(shù)據(jù)的特征 為環(huán)境控制提供依據(jù) 4 大棚環(huán)境控制系統(tǒng)的設(shè)計與選型 大棚環(huán)境控制系統(tǒng)需要選擇合適的執(zhí)行設(shè)備來 調(diào)節(jié)溫濕度和光照等環(huán)境參數(shù) 對于溫度控制 選 用功率較大的磁控管式電加熱器 配合精確的固態(tài) 繼電器實現(xiàn)對加熱量的線性調(diào)節(jié) 加熱器參數(shù)可選 擇熱量 2 000 W 工作電壓380 V 溫升速率 3 min 濕度控制采用壓縮空氣噴霧加濕器 具有響應(yīng) 快和增濕量大等優(yōu)點 噴霧量和噴射頻率可調(diào) 最 高 3 kg h 光照控制主要通過補光和遮光來實現(xiàn) 補光采 用全光譜 LED 補光燈 光通量 110 mol m 2 s CRI 85 照度衰減小 匹配植物光合生長譜 遮光 則通過電動或氣動驅(qū)動的遮光屏實現(xiàn)遮擋率可變 屏蔽系數(shù)為0 8 0 9 可快速響應(yīng)遮光需求 CO 2 濃 度調(diào)節(jié)通過換氣和CO 2 發(fā)生器來進行 二者各自匹 配大功率鼓風(fēng)機及精確控制組件以精確控制 CO 2 濃度 以上執(zhí)行設(shè)備結(jié)合 PID或模糊PID 控制 可 以較好的實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的控制 4 1 硬件選型 分析市面上常用的幾種PLC類型的功能 優(yōu)缺 點及適用范圍 本大棚環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)設(shè)計要求 精確監(jiān)測及接收模擬信號并且具備良好的通訊能力 在對市場上的多種PLC進行比較后發(fā)現(xiàn)S7 300 S7 1200和S7 200這三種型號各有其獨特的優(yōu)勢 S7 300以其高性能處理器和較大的內(nèi)存容量 而著稱 而S7 1200則在集成技術(shù)測量和閉環(huán)控制 方面表現(xiàn)出色 支持PID 控制回路 這使得它們在 功能特性上具有顯著優(yōu)勢 這兩種型號的PLC成本 相對較高 相較之下S7 200系列則以其較低的成本 和滿足基本需求的功能特性成為首選 考慮到本設(shè) 計中輸入和輸出點的數(shù)量并不多 綜合評估成本和 實際需求后確定選用 S7 1200 系列 PLC 作為控制 系統(tǒng)的核心 該決策旨在保證系統(tǒng)性能的同時有效 控制成本 實現(xiàn)性價比最優(yōu)化 本溫室大棚的設(shè)計對輸入和輸出點數(shù)有明確的 要求 系統(tǒng)需要至少9個輸入點和8個輸出點 共計 17個I O點數(shù)以滿足復(fù)雜的控制需求 通過對不同 型號的 PLC 進行評估 CPU221 型號雖然集成了 6 個輸入和4個輸出 共10個數(shù)字量 I O點 但缺乏 I O擴展能力 因此無法滿足設(shè)計需求 CPU222型 號雖然提供了8個輸入和6個輸出 共14個數(shù)字量 I O點 并支持連接兩個擴展模塊 但其仍然無法滿 足系統(tǒng)對輸入點數(shù)的要求 CPU 224XP型號自帶14 個輸入點和10個輸出點 共計24個數(shù)字量I O點 完全滿足了系統(tǒng)點數(shù)需求 此外 CPU224XP還具備 擴展能力 可以根據(jù)需要增加額外的I O模塊 4 2 軟件系統(tǒng)設(shè)計 PLC啟動后系統(tǒng)迅速響應(yīng) 立即執(zhí)行初始化程 序塊 隨后對當前的模擬量數(shù)據(jù)進行實時對比 空氣 溫度傳感器對室內(nèi)溫度進行評估 當傳感器檢測到 空氣溫度低于預(yù)設(shè)的下限值時將自動啟動換氣扇 溫濕度傳感器用于檢測環(huán)境溫濕度 當傳感器 檢測到溫濕度低于預(yù)設(shè)的下限值將自動啟動加濕 器 提高室內(nèi)溫濕度 當濕度回升至或超過正常范 圍時加濕器會自動停止工作 當環(huán)境溫濕度超過預(yù) 設(shè)的上限時 空調(diào)和排風(fēng)扇系將被激活以降低溫度 和濕度 當溫度和濕度回落至正常范圍 空調(diào)和排風(fēng) 扇將自動關(guān)閉以維持適宜的溫度環(huán)境 在光照度檢測方面 當光照傳感器強度低于預(yù) 設(shè)的下限 補光燈和遮陽網(wǎng)將自動開啟以補充光照 當光照強度超過上限時 補光燈和遮陽網(wǎng)將被關(guān)閉 以避免過度照射 通過自動控制流程 系統(tǒng)能夠有效地對環(huán)境條 件進行實時監(jiān)控和調(diào)整 以確保植物生長環(huán)境處于 最佳狀態(tài) 提高系統(tǒng)的自動化水平 增強對環(huán)境變化 的響應(yīng)速度和精確度 該控制系統(tǒng)為作物的生長提 供了穩(wěn)定和可持續(xù)的環(huán)境 能夠確保作物在最適宜 的條件下生長 從而提高作物的品質(zhì)和產(chǎn)量 5 試驗與應(yīng)用 5 1 環(huán)境參數(shù)監(jiān)測 試驗在烏魯木齊設(shè)施農(nóng)業(yè)基地的一個小型作物 培養(yǎng)大棚中進行 監(jiān)測時間為2022年3月 5月 對 設(shè)施農(nóng)業(yè) 60 新疆農(nóng)機化2024年第4期 體機的設(shè)計與試驗 J 新疆農(nóng)機化 2023 1 8 10 3 楊杰 張征 古冬冬 等 玉米秸稈還田機撿拾器設(shè)計與試驗 J 農(nóng)機化研究 2023 45 8 111 116 4 李小平 許成杰 于洲 等 國內(nèi)秸稈還田機研究現(xiàn)狀及發(fā)展建 議 J 農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備 2021 12 59 60 63 5 JialeZ XiaogengW JianZ etal CoupledBionicDesignBased onPrimnoaMouthparttoImprovethePerformanceofaStraw ReturningMachine J Agriculture 2021 11 8 775 775 6 LichaoX YongC RongZ etal DesignandSimulationofChop ping Device of Straw Returning Machine J Journal of Phys ics ConferenceSeries 2021 1748 6 062066 7 劉鵬 何進 章志強 等 基于CFD DEM的秸稈還田機碎稈運 動特性分析與試驗 J 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報 2020 51 S1 244 253 8 YU C ZHU D GAO Y et al Optimization and experiment of counter rotatingstrawreturningcultivatorbasedon discrete element method Papers J Journal of Advanced Mechanical Design Systems and Manufacturing 2020 14 7 JAMD SM0097 JAMDSM0097 9 郭俊 秸稈還田機 鋸齒刀和旋耕刀作業(yè)性能研究 D 南京 南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 2017 10 涂建平 徐雪紅 夏忠義 秸稈還田機刀片及刀片優(yōu)化排列的 研究 J 農(nóng)機化研究 2003 2 102 104 應(yīng)作物從定植到第一次采收的完整生長周期 大棚面 積約50 m 2 傳感器布局充分考慮采集代表性 溫濕度 傳感器放置于大棚中上下兩層 光照傳感器水平放 置于上層植株頂端 CO 2 傳感器垂直放置于大棚中 央 所有傳感器均通過RS485總線連接至STM32采 集模塊發(fā)送采集的數(shù)據(jù) 經(jīng)過2個月的監(jiān)測 獲得 逾3萬組環(huán)境參數(shù)采樣數(shù)據(jù) 中央控制器以及WiFi路由器放置于大棚外的 控制箱內(nèi) 控制器訂閱采集模塊的數(shù)據(jù) 經(jīng)處理后 以JSON格式通過MQTT發(fā)布到云服務(wù)器 服務(wù)器 上的Grafana軟件讀取并繪制溫濕度 光照和CO 2 濃度的監(jiān)測曲線 監(jiān)測采樣周期設(shè)為5 min 連續(xù)監(jiān) 測2個月 記錄作物生長周期過程中大棚環(huán)境的動 態(tài)變化情況 重點監(jiān)測結(jié)果包括夜間溫濕度波動 白 天光照分布和CO 2 濃度日變化規(guī)律等 通過長時間 的監(jiān)測試驗驗證傳感器布局方案的合理性 檢驗傳 感網(wǎng)絡(luò)的可靠性 考察監(jiān)測算法和設(shè)備的穩(wěn)定性 5 2 控制算法驗證和效果評估 試驗選取上述大棚中約20 m 2 的區(qū)域進行控制 系統(tǒng)驗證 采用模糊PID算法對溫濕度 光照和CO 2 濃度進行智能控制 控制執(zhí)行周期為1個月 以精度 穩(wěn)定性 能耗等指標評估控制效果 主要結(jié)果如表1 從表1可看出溫濕度控制可以實現(xiàn)高精度 低 超調(diào)量 光照和CO 2 濃度控制響應(yīng)速度快 與傳統(tǒng) 開環(huán)控制相比 該智能控制系統(tǒng)的能耗降低了約 15 5 3 結(jié)果與討論 通過環(huán)境監(jiān)測和控制評估試驗得出以下結(jié)論 1 設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)能夠穩(wěn)定獲取溫濕度 光 照和 CO 2 濃度數(shù)據(jù) 傳感網(wǎng)絡(luò) 1 個月丟包率低于 0 5 監(jiān)測結(jié)果如表2 2 設(shè)計的模糊PID控制算法可以實現(xiàn)對環(huán)境 參數(shù)的自動化控制 顯著提升了控制精度與穩(wěn)定性 降低了約15 的系統(tǒng)能耗 3 獲取的長期監(jiān)測數(shù)據(jù)可為環(huán)境控制系統(tǒng)的 參數(shù)設(shè)計與優(yōu)化提供依據(jù) 并作為模型訓(xùn)練的數(shù)據(jù) 樣本 參考文獻 1 楊忠華 基于 ZigBee 技術(shù)的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測控制系 統(tǒng)設(shè)計 J 鄉(xiāng)村科技 2023 14 7 151 154 2 羅衛(wèi)艷 高原大棚環(huán)境監(jiān)測和控制系統(tǒng)設(shè)計 J 農(nóng)業(yè)工程 技術(shù) 2022 42 13 44 47 3 戴子翀 溫室大棚群環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)設(shè)計 C 中國 自動化學(xué)會過程控制專業(yè)委員會 中國自動化學(xué)會 2020 1 4 李康 基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測控制系統(tǒng) J 信息 與電腦 理論版 2018 21 86 87 90 5 唐鍇豪 溫室大棚環(huán)境自動監(jiān)測與控制系統(tǒng)的設(shè)計 J 科 技創(chuàng)新與應(yīng)用 2021 11 13 37 40 44 參數(shù) 溫度 濕度 RH 光照度 lux CO 2 濃度 ppm 平均值 22 65 8500 800 浮動范圍 18 28 55 75 3000 14500 600 1200 日變化幅度 3 5 50000 150 表2 環(huán)境監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計 評估指標 精度 穩(wěn)定性 能耗 溫度控制 1 超調(diào)量 3 較開環(huán)降 低13 濕度控制 3 RH 超調(diào)量 5 RH 較開環(huán)降 低10 光照控制 照度波動 10 調(diào)節(jié)時間 3min CO 2 控制 濃度波動 8 調(diào)節(jié)時間 5min 較開環(huán)降 低20 表1 環(huán)境控制系統(tǒng)效果評估 設(shè)施農(nóng)業(yè) 上接第25頁 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 61