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43 現代農業(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)控系統設計 林宇浩 單慧勇 郭俊旺 趙 輝 衛(wèi) 勇 天津農學院工程技術學院 天津 300384 摘 要 為了解決傳統溫室群管理困難 調控復雜等問題 設計開發(fā)日光溫室群監(jiān)控系統 采用可編程 控制器 PLC 作為系統主控制器 控制各溫室內的控制節(jié)點 實現溫室環(huán)境調控的自動化運行 應用無 線通訊技術實現溫室各模塊之間的數據通訊 設計MCGS組態(tài)監(jiān)控界面 實現溫室群各執(zhí)行設備的現場實 時調控 設計PID通風控制器 利用粒子群算法優(yōu)化控制參數 精確調控溫室內濕度 應用巨控智能遠傳 模塊 GRM500 開發(fā)遠程上位機數據管理系統 設計遠程圖形控制界面 實現溫室的集群調控 測試 結果表明 系統能夠完成設計目標 自動化和智能化程度較高 便于用戶管理溫室群 關鍵詞 PLC MCGS組態(tài) PID通風控制器 GRM500模塊 中圖分類號 S625 文獻標識碼 A 文章編號 1673 2154 2020 01 0043 05 收稿日期 2019 10 22 基金項目 天津市企業(yè)優(yōu)秀科技特派員項目 19JCTPJC56700 天津市濱海新區(qū)社會發(fā)展領域科技項目 BHXQKJ XM SF 2018 27 天津市農業(yè)科技成果轉化與推廣項目 201703080 作者簡介 林宇浩 1998 男 安徽人 從事自動化技術研究 E mail tjshyyr 通訊作者 單慧勇 1977 男 山西臨汾人 碩士 副教授 從事機電一體化技術研究 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 會經濟 科技的發(fā)展 人們對蔬菜 花卉和糧食等 農產品的需求也越來越大 目前普遍使用的溫室控 制系統一般需手動控制 系統對溫室內環(huán)境參數的 調控存在滯后性 功能集成化程度低 缺乏智能調 控策略 使用效果差 1 國內對于小區(qū)域溫室群的 集控系統研究較少 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)展設施農業(yè) 利用先進的科學技術改造傳統的 溫室農業(yè)生產 以提升農產品的產量和質量 1 系統總體方案 日光溫室群監(jiān)控系統采用 PLC 作為系統主控制 器 通過一主多從的運行方式控制各溫室內的分控 制節(jié)點 2 應用無線通訊技術實現各模塊之間的數 據通訊 開發(fā) MCGS 組態(tài)系統 實現溫室群的實時 調控和現場人機交互 設計溫室 PID 通風控制器 開發(fā)粒子群優(yōu)化控制算法 對溫室內的循環(huán)除濕系 統進行智能控制 應用巨控智能遠傳模塊實現對溫 室的集群控制 開發(fā)網頁和手機 APP 遠程上位機數 據管理監(jiān)控系統 實現溫室作物的增產增質 總體 結構如圖 1 所示 系統的工作過程如下 通電后 系統自動通過 傳感器讀取各溫室內環(huán)境參數 土壤水分 濕度 CO 2 濃度等 在啟動溫室群環(huán)境調控系統后 PLC 總控制器依據內置的粒子群算法動態(tài)判定各溫室內 適宜的環(huán)境參數水平 然后將調整后的參數發(fā)送到 分 PLC 控制器中 分 PLC 控制器根據調整后的參數 對各執(zhí)行器件進行調控 實現各溫室中環(huán)境參數的 自動智能控制 通過上位機觸摸屏可以實現相應的 參數設定和信息查看 如控制模式設定 實時數據 44 現代農業(yè)裝備 2020年 監(jiān)測 歷史數據信息查看 傳感器參數設定等各種 操作 也可通過巨控智能遠傳模塊實現網頁和手機 APP 界面監(jiān)控 2 系統硬件設計及選型 2 1 PLC選型 根據設計所需的 I O 點數以及系統在安全性 使用成本等方面的綜合考慮 最終選擇國產信捷 PLC 作為系統控制器 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 本系統的 I O 口分配表如 表 1 所示 同時該 PLC 配備 Y0 Y1 高速脈沖輸出端 可使用 PWM 脈寬調制技術 擁有 3 個 RS 通信串口 能夠滿足系統的功能需求 圖1 系統總體結構圖 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 自動運行按鈕 手動運行按鈕 通風口控制器 加熱器 卷簾機 補光燈 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 系統選擇的 MCGS 觸摸屏型號為 TPC1062K 3 該屏耗能低 在圖像顯示和數據處理方面十分優(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 可協助 PLC 處理一些 較為復雜的運算 同時內部具有較大的數據存儲器 可滿足用戶對于歷史數據的存儲與下載 2 3 傳感器選型 考慮實用性和價格因素 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 采用標準 Modbus 協議 通 信穩(wěn)定度高 測量精度高 范圍廣 能將其他信號 轉化為 4 20 mA 的電流信號 2 4 系統主電路設計 溫室主電路如圖 2 所示 每個溫室中的主電路 都相同 本文以天津農學院西校區(qū)環(huán)控實驗溫室為 圖2 溫室系統主電路圖 通風扇 變頻器 補光燈 加熱器 卷簾機 二氧化碳發(fā)生器 系統控制柜 水泵 45 第1期 驗證群控系統功能 3 系統軟件設計 3 1 系統總體程序控制流程 根據群控系統的功能要求 結合硬件設備 編 寫了系統的總體控制流程圖 5 如圖 5 所示 對溫 室中的溫度 CO 2 濃度 光照等實現開關量控制 根據用戶的生產經驗和科學的種植技術 設置不同 時間段溫室內環(huán)境參數的范圍 判斷當前值處于的 階段 當某項參數在設定范圍之內時 控制界面報 警燈會正常顯示 當其在設定范圍之外時 控制界 面就會發(fā)出報警信號 3 2 系統子程序流程 系統開發(fā)的溫室內的通風控制器 6 調控流程 如圖 6 所示 首先通過傳感器采集溫室內的濕度數 據 與濕度設定值進行對比 當濕度大于設定區(qū)間 時 初始化通風 PID 控制器 使用粒子群算法優(yōu)化 PID 控制器的 3 個參數 將最佳參數值賦值給 PID 通風控制器 并通過 PWM 脈寬調制技術控制改變 通風口開度大小的電機 從而對溫室內的濕度進行 自動 智能 精確的調控 3 3 遠程上位機界面設計 系統采用巨控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)控系統設計 例介紹主電路 溫室中的用電設備有系統控制柜 循環(huán)除濕風扇 380 V 抽水水泵 紅藍型補光燈 新型 CO 2 發(fā)生器和 380 V 自動卷簾機等 其余設 備電壓均采用 220 V 故溫室內需采用三相四線制 進線 2 5 PLC控制電路設計 PLC 控制器的 3 個通訊口分別連接觸摸屏 GRM500 模塊 傳感器模塊 包括無線數傳電臺和 變頻器等 其中各傳感器模塊協調安排設備地址 后統一連接在 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 如液 位開關 位置開關等 輸出端與控制各執(zhí)行設備 繼電器的線圈相連 通過繼電器控制各類溫室執(zhí)行 設備 圖5 群控系統總體程序控制流程圖 2 6 電氣控制柜設計 溫室群監(jiān)控系統是以溫室個體為核心 對溫室 進行集群控制 由于資源有限 為了能夠實現群控 系統功能 把系統主控制柜與各溫室中的分控制柜 整合成通用的試驗控制柜 4 完成的控制柜如圖 4 所示 這樣既可整合實驗室資源 又便于后期試驗 圖4 群控系統控制柜裝配圖 圖3 PLC串口接線示意圖 46 現代農業(yè)裝備 2020年 柜中的P L C控制器進行數據交換 實現遠程 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)軟件設計溫室遠程監(jiān)控圖形動 畫界面 完成后上傳至巨控云服務器中 登錄遠程 PC 端網頁或手機 APP 即可看到圖形動畫監(jiān)控效果 溫室上位機遠程監(jiān)控界面使用流程如圖 7 所示 3 3 1 登錄界面 利用 GrmWebGUIDev 上的權限管理功能 對不 同的使用者分配不同的權限 管理員擁有最高權限 可修改系統的各項參數 用戶擁有最低權限 具有 單獨登錄密碼 可查詢設備當前運行狀態(tài) 系統圖 形網站登錄界面如圖 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 如降雨量 風速 太陽輻射強度等 與 各溫室內環(huán)境參數 如 CO 2 濃度 光照強度 土壤 溫濕度 空氣溫濕度等 圖9 溫室群監(jiān)控系統總界面 3 3 3 溫室參數設定與狀態(tài)監(jiān)控界面 溫室內核心界面如圖 10 所示 能夠動態(tài)顯示 溫室各執(zhí)行設備的運行狀態(tài) 管理員可直接設定各 執(zhí)行器的參數 如進行頻率加減等 實時控制各 執(zhí)行器的啟停 快慢等功能 用戶也能清晰地查看 各設備的運行狀況 圖7 溫室遠程監(jiān)控界面操作流程圖 圖8 溫室群監(jiān)控系統登錄界面 圖6 通風控制器程序流程圖 圖10 溫室參數設定與狀態(tài)監(jiān)控界面圖 47 第1期 4 結語 日光溫室群監(jiān)控系統主要利用 P L C 技術 GPRS 技術 無線數傳技術 人機組態(tài)界面與遠程 監(jiān)控技術等實現溫室集群控制 設計上位機數據管 理系統 采集顯示存儲溫室群環(huán)境大數據便于之后 進行大數據分析 開發(fā) PID 智能通風控制器與粒子 群優(yōu)化算法 提高了溫室內的除濕精度與系統的智 能化程度 該系統應用于溫室群的調控中 能夠大 大地節(jié)省溫室群管理的人力 物力 提高農產品的 產量與品質 參考文獻 1 金玉龍 溫室群控系統的設計與實現 D 杭州 浙江大學 2013 2 付立華 龐展翔 王建斌 等 基于Fuzzy PID 和GPRS的溫室大棚遠程監(jiān)控系統設計 J 河 南工程學院學報 自然科學版 2017 29 4 58 61 3 單慧勇 于鎵 田云臣 等 集成傳感器清潔功 能的水產養(yǎng)殖環(huán)境遠程測控系統設計 J 湖北農 業(yè)科學 2016 55 7 1824 1827 4 姜文蘇 灌區(qū)泵站群遠程集中監(jiān)控系統的研究與 實現 D 揚州 揚州大學 2018 5 趙麗 朱學軍 白雪萍 等 杏鮑菇栽培環(huán)境濕 度建模與控制器設計及仿真 J 中國農機化學 報 2016 37 6 79 83 6 宗哲英 溫室群環(huán)境參數監(jiān)測系統與參數時空分 布規(guī)律研究 D 呼和浩特 內蒙古農業(yè)大學 2018 7 孫濤 單慧勇 張學煒 等 基于PLC的牛舍無 線智能環(huán)境監(jiān)控系統 J 物聯網技術 2019 9 3 42 45 8 李宜汀 張富貴 盧劍鋒 等 基于數字PI算法 的精準施肥控制系統設計及仿真 J 農機化研 究 2017 39 10 108 112 118 9 曹宇昕 劉新 宮迎輝 等 PLC遠程維護方案 的研究 J 制造業(yè)自動化 2017 39 5 54 58 10 黃學飛 基于GPRS和PLC的人工造浪智能 監(jiān)控系統的研究 J 機床與液壓 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)控系統設計