基于PLC的智能蔬菜大棚控制系統設計*

陸大同，盧翠珍

(1.百色職業學院，廣西 百色　533000；2.百色學院，廣西 百色　533000)

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基于PLC的智能蔬菜大棚控制系統設計*

陸大同1，盧翠珍2

(1.百色職業學院，廣西 百色533000；2.百色學院，廣西 百色533000)

摘要：針對智能蔬菜大棚控制的應用需求，提出基于PLC的智能蔬菜大棚控制系統，詳細闡述智能蔬菜大棚控制系統的組成結構以及各功能部件的功能和實現方法.重點研究并實現了智能蔬菜大棚控制系統中的無線通信系統的設計和基于PLC的機動控制系統的設計.通過對智能蔬菜大棚控制系統中的兩個關鍵部分的設計與實現，有效地解決了構建智能蔬菜大棚控制系統中的核心關鍵問題.

關鍵詞：蔬菜大棚；智能；溫控；控制；PLC

0引言

現在的大棚控制系統能夠有效地提高蔬菜大棚的溫濕度和光照等蔬菜的生長因素調節能力，應用智能蔬菜大棚控制系統可以提高蔬菜大棚的自動化程度，同時也助于提高蔬菜大棚的控制精度.目前智能控制系統已經被廣泛地研究并部分應用在現代農業生產過程中，經過實踐檢驗和應用，智能蔬菜大棚控制系統相對于傳統的蔬菜大棚的管理和控制方法，具有很明顯的優勢[1-3].國內的一些學者對智能蔬菜大棚系統的研究和設計成果，也驗證了這一結論.比如：李紀文,駱德淵等人研究了溫室環境自動控制系統的詳細設計與實現[4].顧陳耀,胡志強等人設計了溫室大棚中的卷簾機自動控制技術[5].王增娣,薛林則進行了綠化帶中的自動澆灌裝置的設計與實現[6].

在開發和設計智能蔬菜大棚控制系統過程中，最核心的是如何實現蔬菜大棚中的智能控制.智能蔬菜大棚控制系統的功能組成部件有部分選擇的是市場上一些成熟的功能單元[7-8]，比如溫度控制器，濕度控制器，以及相關的機械電機控制設備等.如何將這些成熟產品有機的組合在一起，使其能夠真正發揮智能蔬菜大棚控制系統的預期控制效果，為此筆者經過深入的研究并提出了基于PLC的智能蔬菜大棚控制系統，詳細地對該智能蔬菜大棚控制系統的組成結構和控制方式及實現方法進行了研究和設計[9-10].

1智能蔬菜大棚控制系統的組成

結構

智能蔬菜大棚控制系統其設計的核心是通過大量的傳感監控裝置對蔬菜大棚中的環境進行實時的監測，并將監測得到的數據作為對蔬菜大棚進行智能化控制的重要參數.智能蔬菜大棚控制的過程將依賴控制系統的自動分析，自動由PLC驅動模塊對各種環境調節設備進行驅動控制，最終實現對蔬菜大棚的自動化和智能化的控制[11-12].

筆者設計的智能蔬菜大棚控制系統組成結構如圖1所示，可以看出，該控制系統主要由溫度傳感器、濕度傳感器、二氧化碳傳感器、光照傳感器和視頻監控系統等功能模塊對蔬菜大棚內的參數等信息進行采集和監測.所有監測到的信息通過無線通信模塊送入后端的數據處理中心，在后端的數據處理中心主要由高性能計算服務器組成，這些計算服務器既需要能夠具備較強的高性能實施處理能力，同時也需要具備海量的信息存儲能力.數據處理中心處理的結果能夠直接給系統中的相關控制設備進行反饋，同時數據處理中心也接受上層用戶的管理，給上層用戶提供用戶管理接口，可以接受用戶發送過來的控制參數、控制命令，以及控制方案，數據處理中心與智能蔬菜大棚中的控制系統也是通過無線模塊進行通信.蔬菜大棚控制系統中的各功能部件，在接收到數據處理中心傳遞過來的控制命令之后，這些控制信息都將被送入PLC驅動模塊.這是由于數據處理中心發送過來的控制命令都是數字化的信號，這些信號主要便于計算機的識別和處理，而對于智能蔬菜大棚的控制設備的控制信號，有相當一部分是模擬信號，而且對電流電壓都有較高的要求，因此將數據處理中心送來的數字化的數據命令，通過PLC控制模塊轉換成能夠識別的控制信號，才能夠最終實現蔬菜大棚的智能化和自動化控制.

圖1　智能蔬菜大棚控制系統組成結構

在整個智能蔬菜大棚控制系統中，前端的各種溫度、濕度，以及環境的監測傳感器都可以采用目前通用的傳感設備，而對于控制端的溫度控制器，開穿機械系統、拉幕機械系統、灌溉機械系統、通風機械系統和觀噪輔助系統等功能部分，也同樣可以選用市場上成熟的功能模塊來實現.智能系統設計的核心主要體現在各個功能部件之間的無線通信系統的設計，PLC驅動控制模塊的設計，以及后端的數據處理中心的設計.其中數據處理中心的設計主要是如何利用高性能的服務器構建出功能強大的后端處理系統，并開發相應的后端處理平臺和算法.筆者在研究過程中重點針對智能蔬菜大棚控制系統中的無線通信設備和PLC驅動部分進行詳細的研究，以解決智能蔬菜大棚控制系統設計中的核心問題.

2基于PLC的驅動控制系統設計

整個蔬菜大棚中的控制部件都通過電機驅動的方式來實現，利用電機驅動相關控制部件，能夠大幅提高智能蔬菜大棚的自動化控制程度[13-14].為了滿足蔬菜大棚智能化的控制需求，使用了基于PLC的自動控制技術，系統工作原理如圖2所示.

圖2　基于PLC的自動控制系統工作原理

PLC控制系統根據用戶發送的控制命令，或者系統預先設置的控制參量，輸入PLC控制器的控制端，由PLC控制器對蔬菜大棚中的驅動電機位置和運動速度進行監測.通過監測采集到的參數與PLC接收到的控制參量進行對比，由電機控制參數計算單元，計算出對PLC控制的電機的具體參量.之后輸出控制參數至步進電機，由步進電機驅動負載的運動實現智能蔬菜大棚的自動控制目的.

筆者設計的PLC控制器所采用的步進電機為混合式步進電機.混合式步進電機采用了永磁式和反應式共同的控制方式，利用混合式的步進電機能夠有效地提高步進電機的控制靈活性，比較適合蔬菜大棚中對溫度、濕度、通風、遮光等多個因素條件的靈活控制.步進電機轉子展開圖如圖3所示，從該圖中可以看出步進電機兩個轉子之間的齒距錯開的情況.在第一個位置A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開1/4的轉動周期，C與齒3錯開1/2轉動周期，D與齒4向右錯開3/4轉動周期.

圖3　步進電機轉子展開圖

3無線通信系統的設計

為了滿足蔬菜大棚的智能化的控制需求，在蔬菜大棚中部署了大量的傳感器以及環境調節控制設備.而且隨著種植的作物品種的改變，在蔬菜大棚中所部署的傳感器以及控制設備，可能還會發生增減或者調整.如果所有的傳感器和控制設備都采用有線的方式進行連接，那么在蔬菜大棚中將會部署大量的信號傳輸線路，這將極大地增加智能蔬菜大棚的成本，同時也對智能蔬菜大棚后期的管理和維護帶來很大的困難.為此智能蔬菜大棚內部所有的傳感器和控制設備都采用無線的控制設備進行通信.由于傳感器和控制設備在工作時，所產生的數據量并不大，因此整個系統中的通信問題可以采用無線串口的方式進行通信.無線串口通信是一種低速率的通信方式，因其實現簡單、工作穩定、抗干擾能力強，所以非常適合在智能蔬菜大棚的應用系統中部署.

為了降低蔬菜大棚的部署成本，對無線信號的接收和處理都采用了嵌入式設備來實現.智能蔬菜大棚中的無線通信系統組成結構如圖4所示.

圖4　無線通信系統組成結構圖

在圖4中對蔬菜大棚的控制數據進行處理的一端為ARM嵌入式處理器.筆者所選取的ARM嵌入式處理器為LPC2210型號，該處理器具有強大的控制功能，能夠滿足智能蔬菜大棚中的控制應用需求.與ARM處理器直接相連的是無線通信模塊，筆者所選取的無線通信模塊為HAC UM96，這是一個集成的無線通信單元，該單元內部嵌入了微控制器，利用微控制器能夠實現無線信號的編碼和數據格式的轉換，該無線單元與ARM處理器相連時，直接將無線處理單元的串口數據線和ARM處理器的串口數據線直連.在ARM處理器上另外復用兩根IO控制線，由IO控制線實現對無線通信模塊中的休眠信號和復位信號的控制.

4總結

智能蔬菜大棚是現代農業發展的必然趨勢，通過研究和設計智能蔬菜大棚中的控制系統，能夠快速地實現將傳統的蔬菜大棚升級改造為智能蔬菜大棚.筆者通過研究和分析智能蔬菜大棚控制系統的組成結構，選取最核心的PLC驅動控制系統和無線通信系統作為智能蔬菜控制系統的核心單元進行分析，并給出了詳細的設計方案，再結合目前市場上一些成熟的傳感器單元和機械控制單元，能夠快速地實現智能蔬菜大棚控制系統.

[參考文獻]

[1] 汪金營,胡瑤玫,呂亞洲,等.自動控制溫室滴灌系統的應用研究[J].節水灌溉，2010(7): 44-45,48.

[2] 李建海,張大為,張凱,等.數字PID控制器在溫度控制系統中的應用[J].電子測量技術，2009, 32(4): 100-103.

[3] 劉小英.基于現場總線和PLC控制的污水處理監控系統的設計與實現[J].中國儀器儀表，2007(12)：48-51.

[4] 李紀文,駱德淵,劉榮.溫室環境自動控制系統的設計[J].微計算機信息，2009, 25(1): 12-13,45.

[5] 顧陳耀,胡志強,吳云,等.溫室大棚卷簾機無線遠程控制系統的設計[J].現代電子技術，2011, 34(19): 44-45,48.

[6] 王增娣,薛林.基于液壓機械手的綠化帶自動澆灌裝置設計[J].機械工程與自動化，2012(12): 83-84,87.

[7] 劉增環,潘明福. 基于PLC及變頻器技術的帶式輸送機控制[J]. 煤礦機械，2011, 32 (9):192-193.

[8] 張士博,單越康,潘勇.止推片自動檢測系統PLC控制[J].機床與液壓，2009, 37(7): 130-132.

[9] 秦常貴.基于PLC的組合機床的電氣控制系統設計[J].機電產品開發與創新，2011, 24(3)：152-153,123.

[10] 齊美星, 張愉, 孫偉. 基于專家PID控制的井下自動配煤系統設計[J]. 工礦自動化，2005(4):34-36.

[11] 黃曉玲.PLC控制系統的抗干擾分析及措施[J].機電技術，2010, 33(3): 47-48,55.

[12] 馮瑞琴.基于PLC和模糊控制技術的污水處理控制系統設計與實現[J].安徽農業科學，2011, 39(34): 21233-21234,21237.

[13] 劉濤,劉漫丹.基于PLC的水晶研磨機控制系統設計與實現[J].機械工程與自動化，2010(5):155-157.

[14] 王彰云.基于嵌入式軟PLC的帶式輸送機控制系統設計[J].制造業自動化，2012, 34(12):139-141.

[責任編輯蘇琴]

[責任校對黃祖賓]

Design of Intelligent Control System in Vegetable Greenhouse based on PLC

LU Da-tong1，LUCui-zhen2

(1.BaiseVocationalCollege,Baise533000,China;2.BaiseCollege,Baise533000,China)

Abstract:With the application of the intelligent greenhouse control, proposed intelligent greenhouse control system based on PLC, describes the composition of the intelligent greenhouse control system and the functional components of the function and implementation method. Focusing on the design and Realization of an intelligent greenhouse control system of wireless communication system and the design of motor control system based on PLC. The design and implementation of two key parts of the system in intelligent greenhouse control, effectively solves the problem of constructing core in the control system of Intelligent Greenhouse.

Key Words:Vegetable greenhouse; intelligent control; PLC; temperature control

中圖分類號：TP273

文獻標識碼：A

文章編號：1673-8462(2016)01-0091-04

作者簡介：陸大同(1969-)，男，百色職業學院副教授，研究方向:電工電子技術、PLC技術、電氣自動化.盧翠珍(1969-)，女，百色學院副教授，研究方向：電氣自動化.

基金項目：廣西自然科學基金項目(2013GXNSFAA019006); 廣西教育廳科研課題(KY2015LX646 ).

收稿日期：2015-09-30.