智能溫室控制系統的設計方案初探

杜少媛

摘 要：近年來，智慧溫室是我國設施農業轉向現代化、科技化的發展方向。智慧溫室解決方案的研究和應用應緊密結合作物栽培技術和溫室種植的實際需要。本文對智能溫室控制系統方案的研究結合了本地溫室作物種植的實際種植過程和栽培技術，給出了一個較為完整的、較強適應性的整體規劃。

關鍵詞：PLC;智能溫室;設施農業

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）18-0049-02

課題研究所在地地處我國北方邊部，農牧業是本地的主要經濟產業之一。近年來，設施農業已成為本地農業生產的一個重要組成部分。農民利用溫室大棚，種植蔬菜、花卉、菌類等作物，提高了土地的利用率，提升了作物的產量、質量，溫室作物成為了本地的一張名片，本市的設施農業已占比自治區整體規模的50%以上。溫室、大棚種植作物，可以人為的調控植物生長環境的各項參數，促進增產，也能實現反季作物的培育和種植。不過，單純依靠人力，手工為溫室加熱、降溫、通風、灌溉，不利于提高勞動生產率。受人為因素影響，作物的生成環境較理想值仍有差距。因此，智能溫室、智慧大棚的研究與應用，成為了當今我國設施農業向現代化、科技化轉變的一個方向，也是本地設施農業發展的一項需要。

農作物生長主要受溫度、濕度、光照強度、CO2含量等環境因素的影響，智能溫室可以通過控制系統，自動實施對環境物理量的采集、傳輸、處理，并根據物理量的當前值，決定是否自動或手動操控溫室的窗、簾、棉被、升降溫裝置、風機、水泵等設施，實現優化環境參數，科學種植的目的。

1 影響溫室作物的環境因素分析及其控制

1.1 影響本地作物生長的相關環境因素

對本地主要溫室作物的種植技術進行調研后，確定溫度、光照、水量、濕度、二氧化碳均是當地各茬番茄、黃瓜、辣椒等作物種植過程中重要的影響因素。每種農作物在栽培過程中對環境因素的要求各不相同，本系統的設計主要考慮一般性需求。方案具體實施時，可根據溫室作物的種類增加必要的檢測元件和控制元件，也可根據實際情況，去掉對某種次要因素的檢測和控制環節，以簡化系統和降低成本。

1.2 溫度是本地作物栽培技術重點關注的要素

在各種本地作物的栽培技術中，溫度的影響較大，且可控性更強。溫度控制貫穿育苗、定植、傳粉、開花、結果的整個過程，且存在一定的差異性。越夏茬作物需要做到溫室的降溫通風、而冬春茬作物要做到保溫;一天當中需要設置多個控溫時段，溫度調控范圍多變。傳統的溫室管理工作全部靠人工，通過人為加簾、卷簾、增遮陽層或板、自然通風等方式實施溫度調控，費力且效果易受自然條件影響。采用智能控制可以更加精準、方便地進行溫控。

1.3 濕度

作物生長對環境濕度有一定要求，對濕度檢測也可以為澆水量提供精準依據，自動調節溫室濕度。

1.4 光照

陽光是作物進行光合作用的基本條件，充足而合理的光照可以保障作物質量，避免作物“生病”。應當通過智能監測，為是否卷簾、打燈提供依據。本地作物也不例外。

1.5 二氧化碳

本地作物的栽培技術中強調，栽培過程中增施二氧化碳。

1.6 灌溉與施肥

作物的栽培技術的一個重要的內容是灌溉和施肥技術，各種作物需求的灌溉、施肥的時間、方法很有講究。為了做到合理、科學的施肥，有必要采用智能控制對相關要素檢測和控制。

2 智能溫室控制系統的整體解決方案

智能溫室是以可編程控制器即PLC為核心，通過布置在種植區及澆灌區的溫度、濕度、光照、CO2濃度、土壤的EC/PH等傳感器，即時獲取作物生長環境的各項物理量的當前值，利用PLC的數據處理功能，將當前值與標準值比較，或進一步處理，并根據結果，由PLC驅動溫室現場的各種執行元件，如開關窗電機、濕簾展閉電機、風機、CO2發生器、補光燈等的立即通斷或延時通斷，從而實現對作物栽培過程的自動化生產和管理，大幅度提高作物的質量和產量的智能控制系統。在該系統中，PLC做為下位機，其數據可以通過串行接口直接傳遞到上位PC機中。在PC機中，安裝組態王等組態軟件，就能夠實現對作物區、灌區的溫度、濕度、CO2濃度、光照強度等動態變量的顯示與監視，同時還能夠使用組態軟件，直接控制現場的電機、風機等各種執行元件。對于各種數據的遠程監視與掌握，實現了溫室的智能化工作模式。

2.1 按季節更替工作模式

根據溫室種植作物的季節，考慮到本地主要溫室作物的種植月份，系統分別設置了越夏工作模式和冬季早春工作模式。

2.1.1 越夏工作模式

在該模式下工作的環境調節設備有自然通風系統（天窗和側窗）、強制通風濕簾降溫系統（濕簾一風機）和水平遮陽網。此時室外溫度很高，溫室降溫以強制通風濕簾降溫為主。遮陽網可以起到遮蔭和降溫的作用。

2.1.2 冬季早春工作模式

在該模式下工作的環境調節設備有保溫被加溫系統、水平保溫遮蔭幕。在此模式下自然通風系統不工作。

2.2 按需求切換工作模式

根據自動或手動操作田間控制裝置，設置自動工作模式和手動工作模式。

2.2.1 手動控制模式

手動控制簡單可靠，由繼電器、接觸器、按鈕、限位開關等電氣元器件組成。可以手動直接控制所有的執行元件。

2.2.2 自動控制模式

我們采用計算機自動控制模式，通過傳感器對環境因子進行監測，并對其設定上限和下限值，當檢測到某一值超過設定值，便發出信號自動對驅動設備進行開啟和關閉，從而使溫室環境因子控制在設定的范圍內。其運行成本較低，可以大大節約勞動力，降低勞動者的勞動強度。

3 智能溫室整體硬件結構設計

智能溫室控制系統以PLC作為下位機，實現數據采集和現場裝置的動作控制，以PC機作為上位機，對數據進行顯示和監視，并對現場裝置做遠程控制。其整體系統硬件結構如圖1所示。

溫室智能控制系統的控制器一般多分為單片機、可編程控制器或工控機三種類型。本系統最終選擇PLC作為控制部分，考慮到了PLC作為控制核心，具有適應性、靈活性更強。系統的硬件結構基本不改變的情況下，可以任意修改、增減檢測元件，同時根據其更改情況，對執行機構做增減和升級。在系統軟件中，也只需要對相應的軟件部分進行修改。原有的硬件和軟件結構幾乎不受影響。

這種靈活性在硬件結構中的備選PLC子系統（圖中可見）也有所體現。本地溫室作物的栽培技術都包含為作物施加、補充肥料及營養液。本智能溫室控制系統因采用PLC做為控制器，可根據現場需求，對系統做修改、升級。在解決方案中設置預留的灌溉與施肥模塊。如果需要智能灌溉施肥功能，僅需在硬件上增加PLC數量，與原有PLC組成通信網絡，共同做為下位機。備選PLC可以單獨來完成智能精量施肥，提高水費資源利用率。

4 智能溫室控制系統的軟件設計

PLC的選型應結合系統I/O分配、經濟成本選擇適當的品牌和型號。系統的軟件設計使用PLC對應的編程軟件進行編寫。系統軟件分為溫度控制程序、濕度控制程序、光照延長和補充程序、CO2增施程序、灌溉程序、灌溉與施肥程序等部分。各程序均考慮手動和自動控制，并充分考慮到電機和其他設備的安全保護措施，正反轉電路可以利用定時器進行延時保護。考慮到本地溫室溫度等量變化幅度大，風機采用變頻器控制技術。

系統組態監控軟件。系統組態監控軟件，所實現的功能主要是進行數據的統計以及分析處理等等。首先，軟件可以實現遠程監控功能，對溫室內的環境因素以及各類硬件設施的運行情況進行實時的監控。其次，軟件具有數據的統計以及記錄功能，可以將溫室內的各項環境參數統計下來，并記錄到軟件系統中，以此來指導后續的環境因素控制。最后，軟件具有遠程控制功能，可以對一些自動化的參數進行遠程控制。

綜合以上的整體設計方案，可以結合考慮經濟因素和實際需求，開展具體的硬件電路設計和軟件編程，以求獲得適合本地溫室的種植需要的智能控制系統。

參考文獻

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