基于PLC的智能蔬菜大棚控制系统设计*

陆大同，卢翠珍

(1.百色职业学院，广西 百色　533000；2.百色学院，广西 百色　533000)



基于PLC的智能蔬菜大棚控制系统设计*

陆大同1，卢翠珍2

(1.百色职业学院，广西 百色533000；2.百色学院，广西 百色533000)

摘要：针对智能蔬菜大棚控制的应用需求，提出基于PLC的智能蔬菜大棚控制系统，详细阐述智能蔬菜大棚控制系统的组成结构以及各功能部件的功能和实现方法.重点研究并实现了智能蔬菜大棚控制系统中的无线通信系统的设计和基于PLC的机动控制系统的设计.通过对智能蔬菜大棚控制系统中的两个关键部分的设计与实现，有效地解决了构建智能蔬菜大棚控制系统中的核心关键问题.

关键词：蔬菜大棚；智能；温控；控制；PLC

0引言

现在的大棚控制系统能够有效地提高蔬菜大棚的温湿度和光照等蔬菜的生长因素调节能力，应用智能蔬菜大棚控制系统可以提高蔬菜大棚的自动化程度，同时也助于提高蔬菜大棚的控制精度.目前智能控制系统已经被广泛地研究并部分应用在现代农业生产过程中，经过实践检验和应用，智能蔬菜大棚控制系统相对于传统的蔬菜大棚的管理和控制方法，具有很明显的优势[1-3].国内的一些学者对智能蔬菜大棚系统的研究和设计成果，也验证了这一结论.比如：李纪文,骆德渊等人研究了温室环境自动控制系统的详细设计与实现[4].顾陈耀,胡志强等人设计了温室大棚中的卷帘机自动控制技术[5].王增娣,薛林则进行了绿化带中的自动浇灌装置的设计与实现[6].

在开发和设计智能蔬菜大棚控制系统过程中，最核心的是如何实现蔬菜大棚中的智能控制.智能蔬菜大棚控制系统的功能组成部件有部分选择的是市场上一些成熟的功能单元[7-8]，比如温度控制器，湿度控制器，以及相关的机械电机控制设备等.如何将这些成熟产品有机的组合在一起，使其能够真正发挥智能蔬菜大棚控制系统的预期控制效果，为此笔者经过深入的研究并提出了基于PLC的智能蔬菜大棚控制系统，详细地对该智能蔬菜大棚控制系统的组成结构和控制方式及实现方法进行了研究和设计[9-10].

1智能蔬菜大棚控制系统的组成

结构

智能蔬菜大棚控制系统其设计的核心是通过大量的传感监控装置对蔬菜大棚中的环境进行实时的监测，并将监测得到的数据作为对蔬菜大棚进行智能化控制的重要参数.智能蔬菜大棚控制的过程将依赖控制系统的自动分析，自动由PLC驱动模块对各种环境调节设备进行驱动控制，最终实现对蔬菜大棚的自动化和智能化的控制[11-12].

笔者设计的智能蔬菜大棚控制系统组成结构如图1所示，可以看出，该控制系统主要由温度传感器、湿度传感器、二氧化碳传感器、光照传感器和视频监控系统等功能模块对蔬菜大棚内的参数等信息进行采集和监测.所有监测到的信息通过无线通信模块送入后端的数据处理中心，在后端的数据处理中心主要由高性能计算服务器组成，这些计算服务器既需要能够具备较强的高性能实施处理能力，同时也需要具备海量的信息存储能力.数据处理中心处理的结果能够直接给系统中的相关控制设备进行反馈，同时数据处理中心也接受上层用户的管理，给上层用户提供用户管理接口，可以接受用户发送过来的控制参数、控制命令，以及控制方案，数据处理中心与智能蔬菜大棚中的控制系统也是通过无线模块进行通信.蔬菜大棚控制系统中的各功能部件，在接收到数据处理中心传递过来的控制命令之后，这些控制信息都将被送入PLC驱动模块.这是由于数据处理中心发送过来的控制命令都是数字化的信号，这些信号主要便于计算机的识别和处理，而对于智能蔬菜大棚的控制设备的控制信号，有相当一部分是模拟信号，而且对电流电压都有较高的要求，因此将数据处理中心送来的数字化的数据命令，通过PLC控制模块转换成能够识别的控制信号，才能够最终实现蔬菜大棚的智能化和自动化控制.

图1　智能蔬菜大棚控制系统组成结构

在整个智能蔬菜大棚控制系统中，前端的各种温度、湿度，以及环境的监测传感器都可以采用目前通用的传感设备，而对于控制端的温度控制器，开穿机械系统、拉幕机械系统、灌溉机械系统、通风机械系统和观噪辅助系统等功能部分，也同样可以选用市场上成熟的功能模块来实现.智能系统设计的核心主要体现在各个功能部件之间的无线通信系统的设计，PLC驱动控制模块的设计，以及后端的数据处理中心的设计.其中数据处理中心的设计主要是如何利用高性能的服务器构建出功能强大的后端处理系统，并开发相应的后端处理平台和算法.笔者在研究过程中重点针对智能蔬菜大棚控制系统中的无线通信设备和PLC驱动部分进行详细的研究，以解决智能蔬菜大棚控制系统设计中的核心问题.

2基于PLC的驱动控制系统设计

整个蔬菜大棚中的控制部件都通过电机驱动的方式来实现，利用电机驱动相关控制部件，能够大幅提高智能蔬菜大棚的自动化控制程度[13-14].为了满足蔬菜大棚智能化的控制需求，使用了基于PLC的自动控制技术，系统工作原理如图2所示.

图2　基于PLC的自动控制系统工作原理

PLC控制系统根据用户发送的控制命令，或者系统预先设置的控制参量，输入PLC控制器的控制端，由PLC控制器对蔬菜大棚中的驱动电机位置和运动速度进行监测.通过监测采集到的参数与PLC接收到的控制参量进行对比，由电机控制参数计算单元，计算出对PLC控制的电机的具体参量.之后输出控制参数至步进电机，由步进电机驱动负载的运动实现智能蔬菜大棚的自动控制目的.

笔者设计的PLC控制器所采用的步进电机为混合式步进电机.混合式步进电机采用了永磁式和反应式共同的控制方式，利用混合式的步进电机能够有效地提高步进电机的控制灵活性，比较适合蔬菜大棚中对温度、湿度、通风、遮光等多个因素条件的灵活控制.步进电机转子展开图如图3所示，从该图中可以看出步进电机两个转子之间的齿距错开的情况.在第一个位置A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/4的转动周期，C与齿3错开1/2转动周期，D与齿4向右错开3/4转动周期.

图3　步进电机转子展开图

3无线通信系统的设计

为了满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传感器以及环境调节控制设备.而且随着种植的作物品种的改变，在蔬菜大棚中所部署的传感器以及控制设备，可能还会发生增减或者调整.如果所有的传感器和控制设备都采用有线的方式进行连接，那么在蔬菜大棚中将会部署大量的信号传输线路，这将极大地增加智能蔬菜大棚的成本，同时也对智能蔬菜大棚后期的管理和维护带来很大的困难.为此智能蔬菜大棚内部所有的传感器和控制设备都采用无线的控制设备进行通信.由于传感器和控制设备在工作时，所产生的数据量并不大，因此整个系统中的通信问题可以采用无线串口的方式进行通信.无线串口通信是一种低速率的通信方式，因其实现简单、工作稳定、抗干扰能力强，所以非常适合在智能蔬菜大棚的应用系统中部署.

为了降低蔬菜大棚的部署成本，对无线信号的接收和处理都采用了嵌入式设备来实现.智能蔬菜大棚中的无线通信系统组成结构如图4所示.

图4　无线通信系统组成结构图

在图4中对蔬菜大棚的控制数据进行处理的一端为ARM嵌入式处理器.笔者所选取的ARM嵌入式处理器为LPC2210型号，该处理器具有强大的控制功能，能够满足智能蔬菜大棚中的控制应用需求.与ARM处理器直接相连的是无线通信模块，笔者所选取的无线通信模块为HAC UM96，这是一个集成的无线通信单元，该单元内部嵌入了微控制器，利用微控制器能够实现无线信号的编码和数据格式的转换，该无线单元与ARM处理器相连时，直接将无线处理单元的串口数据线和ARM处理器的串口数据线直连.在ARM处理器上另外复用两根IO控制线，由IO控制线实现对无线通信模块中的休眠信号和复位信号的控制.

4总结

智能蔬菜大棚是现代农业发展的必然趋势，通过研究和设计智能蔬菜大棚中的控制系统，能够快速地实现将传统的蔬菜大棚升级改造为智能蔬菜大棚.笔者通过研究和分析智能蔬菜大棚控制系统的组成结构，选取最核心的PLC驱动控制系统和无线通信系统作为智能蔬菜控制系统的核心单元进行分析，并给出了详细的设计方案，再结合目前市场上一些成熟的传感器单元和机械控制单元，能够快速地实现智能蔬菜大棚控制系统.

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[责任编辑苏琴]

[责任校对黄祖宾]

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

中图分类号：TP273

文献标识码：A

文章编号：1673-8462(2016)01-0091-04

作者简介：陆大同(1969-)，男，百色职业学院副教授，研究方向:电工电子技术、PLC技术、电气自动化.卢翠珍(1969-)，女，百色学院副教授，研究方向：电气自动化.

基金项目：广西自然科学基金项目(2013GXNSFAA019006); 广西教育厅科研课题(KY2015LX646 ).

收稿日期：2015-09-30.