智 慧 温 室 实 时 监 控 系 统 的 研 究

张 云, 杨宏伟

(1. 无锡商业职业技术学院 机电技术学院, 江苏 无锡 214153;2. 南京农业大学 理学院, 江苏 南京 210095)



智 慧 温 室 实 时 监 控 系 统 的 研 究

张 云1,2, 杨宏伟2

(1. 无锡商业职业技术学院 机电技术学院, 江苏 无锡 214153;2. 南京农业大学 理学院, 江苏 南京 210095)

研制了基于物联网和Web技术的智慧温室实时监控系统，该系统以PLC控制器为控制核心，对温室内的大气温度、湿度、光照度和土壤温度、湿度等生产要素的实时信息进行监控，通过对温室遮阳、天窗、风扇、灌溉和加热等生产要素调节机构进行控制，实现了手动、自动和基于Web的远程控制。较详细地介绍了其实现过程和参数调整方法，对该系统的研究和实际制作以及运行结果显示，该系统性能稳定、操作简便、信息采集和控制参数可靠，可以作为学校学生学习的实训装置，培养学生的实践经验，也可以推广应用于农业大田生产中。

智慧温室; 实时监控; 远程控制; 生产要素

0 引 言

物联网作为新兴战略性产业之一，正在受到全社会极大的关注，且发展越来越快。目前，物联网技术已经综合应用于工业、农业、环保、气象、交通、物流等各行各业。在农业环境监测、温室控制、节水灌溉、气象监测以及设备智能诊断管理等方面也都有了许多探索和成功应用的案例。而在数字农业发展的今天，感知农田环境信息成为迫切的需要[1-2]。物联网技术是实现农业集约、高产、优质、高效、生态、安全的重要支撑，目前主要应用于田间信息的感知和调节。对土壤肥力、土壤温湿度、大气温湿度、光照、水分、二氧化碳浓度等生产要素的检测及作物生长图像信息的获取等，通过采集环境信息，对农作物长势进行实时监测，可以及时了解农作物的生长状况、土壤肥力和病虫害状况，为农业进行科学管理提供依据，以便及时采取相应的管理措施，调节生产要素，使之满足农作物高效生长的需求，提高农业生产效益[3-4]。

本文针对温室智能监控的技术需求，基于物联网和自动控制等技术，应用PLC控制，完成了智慧温室自控系统的研制。装置充分考虑到农业实际需求、系统稳定性和经济性等特点，控制系统可以直接应用到温室，满足现代农业的智能化需求[5-6]。

1 需求分析

温室能有效地给农作物提供良好的生长环境，其市场前景良好，但是温室管理非常复杂，温室农作物对环境温度、湿度、光照的要求很高。智慧温室能够实时采集空气温度湿度、土壤温度湿度、光照强度等生产要素信息，控制生产要素调节机构，实现生产要素的手动、自动和远程控制。具体要求如下：

(1) 系统能实现温室内空气温湿度、土壤温湿度、光照强度等生产要素信息的采集，并能使用以太网传输采集的数据。

(2) 系统能实现对温室内风扇、天窗、喷淋、遮阳和照明装置的自动控制。

(3) 系统能实现实时监控温室内的情况，并能实时传输到主控室的显示屏上。

(4) 系统能实现对以上各条的远程控制，即可以远程获取温室内的生产要素信息和智能控制温室内的现场设备。

(5) 系统可以自动控制，也可以实现手动控制。

2 系统方案论证与设计

经过调研，温室内部的温度、湿度、光照强度和土壤温度和湿度等参数实时信息由具备总线通信功能的仪表负责采集，采集到的数据通过RS-485总线发送给控制器，控制器将收到的数据存储到服务器的数据库中，最后利用远程计算机通过互联网访问服务器，获取服务器数据库中的数据，再根据数据的内容发送指令给PLC，PLC根据指令内容控制温室内部现场设备的运行，从而实现远程监控温室的目的，通信系统主要模块[7-10]如图1所示。

图1 智慧温室通信系统结构图

3 系统设计

3.1 信息采集系统设计

确定大气温湿度、光照度和土壤温湿度为决定农作物生产状况的主要参数，信息采集系统通过设在温室里大气温湿度、光照强度的传感器及埋在土壤下的土壤温湿度传感器来采集温室里的温度、湿度、光照强度和土壤温度、湿度等信息，将实时生产要素信息传给PLC，并利用触摸屏和上位机显示实时信息。

信息采集设备采用具备RS-485总线通信功能的仪表，支持Modbus协议，为了减少安装工作量尽可能采用较少的传感器，确定由两个仪表组成，其中一个负责大气温湿度和光照度信息的采集，另一个负责土壤温度、湿度信息的采集，总线通信地址分别为1和2。

3.2 控制器选型

控制器主要负责温室温度、湿度、光照度、土壤温度、湿度等环境指标监测，其参数调节主要通过与控制系统相连的风机、天窗、水泵、加湿器等现场控制和调节，为远程控制系统提供通信接口。由于信息采集采用总线模式，而且需要实现远程控制，控制器必须具备总线和以太网通信接口，考虑到控制点位和通信需求，控制器选用提供2个串口的西门子S7-200系列224XP和以太网扩展模块CP243-1。

3.3 控制模式设计

考虑到现场控制的复杂性，系统设计自动和手动2种控制模式，手动控制由人工操作触摸屏和上位机实现生产要素调节机构的控制，自动模式由控制器根据大气温湿度、光照度和土壤温湿度的设定值，控制生产要素调节设备，从而实现生要素的自动控制。

自动控制包括大气温度、湿度、光照强度、土壤湿度等4个生产要素的自动调节：如果大气温度低，那么就自动打开加热装置，温度调整到设定值后开加热装置自动关闭；大气湿度通过排风扇和天窗调节，光照度通过遮阳机构调节，土壤湿度由灌溉机构调节[11-13]。

3.4 系统控制点位设计

温室温湿度、光照度、土壤温湿度等生产要素的信息采集采用RS-485总线模式，不占控制器的点位，I/O点都来自于调节设备的控制，由于遮阳机构的平移动力来自于运动丝杠，丝杠两侧必须设置限位开关保护丝杠，防止丝杠错位，遮阳机构和天窗采用电机控制，分别需要2个点位实现电机的正反转。系统输入点位为遮阳机构打开和关闭的2个限位开关，输出为遮阳电机正反转、推杆电机正反转、排风扇、水泵、加热装置7个生产要素调节动作，I/O点分配如表1所示。

表1 控制系统I/O点分配表

3.5 控制系统接线设计

控制柜采用300 mm×400 mm×200 mm的镀锌柜，柜内安装DC24 V和DC12 V 2个直流电源，分别为PLC、水泵、传感器和遮阳装置的推拉杆供电，控制器为西门子CPU224XP和扩展模块CP243-1组成。系统输入点位为数字量输入点，直接接到PLC的I0.0和I0.1，系统输出控制由PLC驱动中间继电器线圈，通过线圈吸合而控制现场农业生产要素调节设备。排风扇、水泵和加热照明等为数字量输出点，直接接到PLC的Q0.4、Q0.5和Q0.6。遮阳机构的打开和关闭由交流电机控制，天窗的打开和关闭由直流电机控制，通过电机的正反转实现遮阳机构和天窗的打开和关闭，电机的正反转借助2个欧姆龙MY2NJ型号的中间继电器通过特殊的接线可以实现，当Q0.1置1时，系统会打开遮阳网，当Q0.0和Q0.1同时置1时，系统会关闭遮阳网。

控制系统电源需求为220 V交流、12 V和24 V直流，在控制柜的两侧分别安装12 V和24 V直流电源，220 V交流电源接入设置空气开关和保险丝，直流电源输出设置保险丝，从而确保电源的安全和稳定。

3.6 基于Web的访问设计

远程控制通过建立Web服务器实现，CPU将采集信息和控制信息传给上位机，利用PC Access与下位机实时关联，然后开发软件与PC Access通信，将实时信息存储到上位机，建立数据库，客户端通过访问和修改上位机数据库实现生产要素信息的远程实时监测和生产要素调节设备的远程控制[14-16]。

4 系统调试

智慧温室实训装置监控系统由信息采集系统、现场控制系统组成。系统能够实现大气温湿度、光照度和土壤温湿度的实时显示，遮阳机构、天窗、加热装置、排风扇、灌溉水泵等设备的自动和手动控制。首先检测系统监控电路和通信电路，确保系统硬件安全，通电后仔细检查通信状态和效果，通信调试完毕后，进行监控程序设计，实现信息实时采集和生产要素调节设备的手动和自动控制。

4.1 信息采集系统调试

智慧温室控制装置要采集的数据有大气温湿度、光照度和土壤温湿度等5个生产要素。系统利用信息采集仪表采集数据，通过RS-485总线传输给PLC，再利用以太网传输给触摸屏和上位机。首先检查硬件电路和RS-485通信地址设置情况，确保无误后通电，利用编程软件进行生产要素采集程序设计，定义实时数据格式和名称，对硬件采集数据格式进行转换，再利用触摸屏设计软件关联上位机数据，确保上位机和触摸屏实时显示温室内实时信息，生产要素信息采集调试结果如图2所示。

图2 智慧农业温室装置的通信正常效果图

图2中采集到农业生产实时信息为：空气温度25.33℃,空气湿度79.09%，光照度106LUX，土壤温度25.63℃,土壤湿度79.48%。

4.2 控制系统调试

控制系统由现场控制设备、控制器和通信介质组成，用来调节温室内农作物生长要素，现场设备包括风扇、天窗、遮阳布、循环水泵、加热装置等。现场调试时，逐一检测现场设备的接线情况，确保每个现场设备都能正常工作，然后进行触摸屏和上位机程序设计，实现系统现场设备的手动和自动控制。

4.2.1 手动控制模式系统调试

手动控制模式运行时,通过触控屏幕点击开按钮，数据库便发出1条指令，即二进制的0和1代码，这条指令发送到控制器上，控制器再根据代码的内容来控制现场控制设备，实现遮阳装置的收放、天窗的开关、排风开关、水泵启停、加热开关等的控制。首先检查控制设备和中继接线电路情况，确保无误后通电，利用编程软件进行生产要素采集程序设计，定义控制设备开关通信数据格式和名称，再利用触摸屏设计软件关联上位机数据，确保上位机和触摸屏实时显示温室内控制信息，程序设计注意天窗和遮阳电机的区别，控制电路分别是直流和交流电机，交流电机控制为：当Q0.1置1时，系统会打开遮阳网，当Q0.0和Q0.1同时置1时，系统会关闭遮阳网。

手动控制调试结果如图3所示，图中排风开关和照明开关改变颜色(显示为绿色)，表示相关设备处于运行状态，没有改变颜色的表示不在运行状态[17-19]。

图3 智慧农业温室实训装置的手动控制效果图

4.2.2 自动控制模式系统调试

自动控制调试过程为：定义生产要素设定值的格式和名称，利用编程软件编制控制程序，根据调节原理驱动相关控制设备，自动调节温室内农作物生产环境，系统自动调节原理如下：

当大气温度过低时，系统启动加热装置，直到温度达到设定值；

当大气湿度过高时，系统启动排风扇和打开天窗，直到湿度达到设定值；

当大气光照度过低时，系统打开遮阳网，直到光照度达到设定值；

当土壤湿度过低时，系统启动灌溉水泵，直到土壤湿度达到设定值；

自动控制首先设定生产要素最佳值，系统比较设定值和实际值的差异，启动相关设备调节生产要素，从而实现设定的生产环境，提高生产效率。界面设定空气温度为20℃，空气湿度为60%，光照度为180LUX，土壤湿度为70%。

系统自动运行时，“自动”按钮改变颜色(显示为绿色)，表示系统处于自动运行状态。

4.3 基于Web的访问调试

基于Web访问的本质是客户端应用软件访问服务器，本系统利用以太网实现了服务器与PLC之间的通信，服务器通过西门子PC Access软件建立参数对应关系，开发软件读取PC Access数据，然后在服务器上建立数据库，客户端开发界面访问数据库，从而实现了基于Web的访问，系统PC Access参数对应关系如图4所示。调试时，先给PLC和服务器设定相同段的IP地址：192.168.1.100和192.168.1.101，PC Access顺利从PLC读取生产要素和控制状态值后，系统软件将获取的数据存入服务器数据库，调试应用软件，客户端输入网址(服务器地址)访问服务器，获取智慧温室监控状态[20-21]。

图4 PC access参数对应关系图

5 结 语

本文在对温室智慧生产需求进行充分调研的基础上，确定了温室生产要素监控需求，人工环境自控系统设计和集成需求，研制了一套基于物联网技术的智慧温室装置。

首先设计了一款具备真实温室生产要素调节功能的人工模型，按照实际温室进行等比例缩小，保留了温室遮阳机构、天窗控制机构、灌溉系统、辅助加热照明系统和排风扇等生产要素调节机构，并绘制好机械结构图纸，完成了实训模型的加工制作。

接着完成了监控系统硬件电路设计，选择西门子CPU224XP和CP243-1作为系统控制核心，控制器提供两个串口和以太网接口，为装置通信实训项目的开发提供多种接口，系统信息采集模块选择基于Modbus协议的RS-485通信模块，天窗选择直流电机控制，遮阳机构选择交流电机和限位开关相结合控制，风扇、灌溉系统、辅助加热照明选择普通开关控制，所有控制对象均采用继电器控制。

在硬件设计的基础上完成了控制界面和控制程序设计，开发了信息采集和设备控制2个操作界面，分别在触摸屏和上位机上实现了生产要素的实时监控。信息采集界面实现了大气温度湿度、光照度、土壤温度湿度等生产要素信息的实时显示和设置功能，控制界面实现了遮阳机构收放和限位、天窗开关、加热照明开关、灌溉系统启停、风扇开关等控制设备的实时手动、自动和基于Web的远程控制功能。

本文设计的智慧温室实训装置技术问题已经得到解决，实验运行可靠，目前正在应用于教学中，并且已经取得了有关公司的合作意向，准备将其产品化，应用于更多更广的领域。

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A Study on Real-time Monitoring System of Smart Greenhouse

ZHANGYun1,2,YANGHong-wei2

(1. School of Electromechanical Technology, Wuxi Institute of Commerce, Wuxi 214153, China;2. College of Science, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China)

This article studies the smart greenhouse real-time monitoring system based on the Internet of Things and Web technology. The system is cored by PLC controller, and can monitor the real-time information of production factors like atmospheric temperature, relative humidity, light intensity and the temperature and humidity of soil in the greenhouse. By regulating the mechanisms of production factors like shading, roof vent opener, fan, irrigation and heating, manual, automatic and remote control can be operated. This article introduces the realizing process and adjusting method of parameters in detail. Application and the result of this system show that the system is stable and easy to operate. It has reliable information collecting systems and controlling termination and can be used as training equipment in schools for studying and helping students achieve experiences. It is also suitable to be promoted into the farmlands.

smart greenhouse; real-time monitoring; remote control; production factors

2015-10-29

江苏省无线传感系统应用工程技术研究开发中心专项课题(SYKJ13D15)；南京农业大学教学改革课题(2015)

张 云(1980-)男,江苏泰兴人,硕士,讲师,研究方向:物联网及其应用。Tel.:17092583979

杨宏伟(1963-)男,河南汝州人,博士,教授,博士生导师,研究方向:应用物理学,农业物联网。

E-mail:phd_hwyang@126.com

TP 274

A

1006-7167(2016)02-0098-04