基于PLC和嵌入式的智能农场

李鹏钦，李金灿，陈锭霖，陈庆焕

（华南农业大学珠江学院，广东 广州 510900）

0 引 言

近年来我国城市化程度越来越高，农村土地被闲置的情况越来越严重，而农场式的集中管理可以让土地的利用率得到提升，效率得到提高，智能农场应此而生[1-3]。

本设计将整个智能农场分为三块区域，其中主要区域是温室农场。在温室农场中使用传感器，如温湿度传感器、光照度传感器、气体浓度传感器等采集农作物的生长环境信息。然后通过嵌入式系统STM32对这些数据进行处理，进而对温室农场进行调整与监测[4]。利用PLC控制步进电机正、反转，使搭载在步进电机上的摄像头模块实现上下左右移动，进而监控整个温室农场农作物的生长情况[5]。第二个区域是室外农场，主要通过土壤湿度传感器采集土壤的湿度，然后用PLC控制水泵电机抽水，对室外农场进行自动定时喷洒[6]。第三个区域是家畜养殖场，用PLC控制电机定时正、反转，进而控制饲料闸门打开或关闭，投放饲料，供给家畜食用[7]。

1 系统结构

在本设计中，土壤湿度传感器、光照度传感器、二氧化碳浓度传感器、温湿度传感器作为输入设备，采集农场数据，并送入嵌入式控制器STM32F407进行处理[8]。中间继电器、步进电机、减速电机作为输出设备。PLC接收STM处理信号和功能按钮信号，然后控制中间继电器，驱动步进电机正反转，实现摄像头的移动；控制减速电机转动，打开饲料阀门，并利用PLC的内部定时功能，实现定时喷洒、饲养功能[9]。系统功能结构如图1所示。

图1 系统功能结构

1.1 PLC的I/O分配表

本次设计采用2块PLC分别控制智能农场的室内与室外[10]。室外农牧场PLC的I/O分配表见表1所列。

表1 室外农牧场PLC的I/O分配表

室内温室农场PLC的I/O分配表见表2所列。

表2 室内温室农场PLC的I/O分配表

1.2 PLC的I/O接线图

室外农牧场PLC的I/O接线图如图2所示。

图2 室外农牧场PLC的I/O接线图

图中：SB1作为农场喷洒灌溉按钮，SB2作为农场喷洒灌溉停止按钮，SB3作为农场定时喷洒按钮，分别接于PLC的输入端口X0，X1，X2；输出口Y0接中间继电器KM1，使减速电机正转，输出口Y1接中间继电器KM2，使减速电机反转。SB3作为家畜养殖场定时喂养启动按钮，接于PLC输入端口的X3，SB4作为家畜养殖场定时喂养停止按钮，接于PLC输入端口的X4，输出口Y2接中间继电器KM3。将PLC输入端的COM口与按钮连接，构成输入回路；将PLC输出端的COM0口与PLC的0 V相连接，构成输出回路。再将中间继电器KM1，KM2，KM3接回PLC的24 V，构成输出回路；将24 V电源正负极接于PLC的24 V与0 V，将输出端的COM口接回PLC的0 V构成输出回路。

温室农场PLC的I/O接线图如图3所示。

图3 温室农场PLC的I/O接线图

图中：SB1作为步进电机正转启动按钮，SB2作为步进电机反转按钮，分别接于PLC的输入端口X0，X1；输出口Y0接中间继电器KM1，输出口Y1接中间继电器KM2。将PLC的输入端的COM口与按钮相连接，构成输入回路，将24 V电源正负极接于PLC的24 V与0 V，将输出端的COM口接回PLC的0 V，构成输出回路。

1.3 硬件制作

用亚克力板、支架、人工草皮搭建一个智能农场模型，并将整个智能农场分为温室农场、室外农场、家畜养殖场三部分。摄像头模块安装在由2个步进电机、螺旋杆、亚克力板搭建的载体上，对温室农作物的生长情况进行监控。然后将PLC与4个中间继电器相连，每2个中间继电器控制一个步进电机，带动螺旋杆使摄像头模块随之移动。之后再搭建水箱，用于农场灌溉。完成后的智能农场模型如图4所示。

图4 智能农场硬件模型

2 智能农场功能实现

2.1 摄像头移动

摄像头移动操作的流程如图5所示。

图5 摄像头移动操作工作流程

图中，使用PLC控制步进电机1和步进电机2，步进电机1带动摄像头上移或下移，步进电机2带动摄像头左移和右移。由于步进电机为脉冲输入型，所以需要脉冲输入型的功能指令。当步进电机1正转时，螺旋杆也跟着正转，使摄像头上升；反转时，螺旋杆也跟着反转，从而使搭载在其结构上的摄像头下降。同理，当步进电机2转动，螺旋杆跟着转动，使摄像头左移或右移。

2.2 露天农场喷洒

露天农场喷洒操作流程如图6所示。

图6 露天农场喷洒操作流程

首先确定是否需要定时喷洒灌溉，如果需要就用计数器进行定时。据考察得知，如果天气比较炎热，农作物的喷洒需要一天一次，如仅仅用定时器梯形图会比较繁琐，所以使用定时器加计数器来实现延时。当延时到，通过PLC控制电机打开水泵，进行喷洒。

2.3 家畜养殖场喂养

家畜养殖场定时喂养操作流程如图7所示。

图7 定时喂养操作流程

先设定一个定时，使喂养家畜时能定量控制，然后用继电器控制电机的正、反转来实现闸门的开与关。

3 系统测试

3.1 硬件测试

硬件结构搭建完成后，按照每个模块的功能作用，对与之相应的结构部分进行调试，最后再进行整机调试。首先，检测PLC是否正常运行，输入/输出端口接线是否正确；接着对电动机进行检测，查看电机接线、转动方向、扭力是否正常；然后检测中间继电器的触点和线圈是否准确动作；最后用万用表查看是否有虚焊、短路、断路等问题，排除因线路问题而导致硬件故障的情况。

3.2 软件测试

首先用PLC开发软件GX Developer对编写好的梯形图进行软件仿真，通过监视各内部继电器的运行状态，判断梯形图是否有语法或功能问题。当仿真测试通过后，可将梯形图写入PLC，进行硬件模型功能测试。这个过程比较复杂，要根据各模块的运行情况，对梯形图、硬件做出微调，使系统运行在最佳状态。

3.3 测试结果

通过多次调校，本智能农场系统测试的效果如下：

（1）能对温室农场准确监控；

（2）能对露天农场里的农作物进行定时喷水浇灌；

（3）能对家畜养殖场里的家畜进行定时投喂。

4 结 语

本设计主要对智能农场的运行进行分析，并搭建智能农场模型，基本上模拟了智能农场各功能模块的工作过程。采用PLC结合STM32的控制方式，通过对不同环境变量的需求进行系统分化，形成多个子模块，使智能农场系统能够对环境的温湿度、气体浓度以及光照度等环境信息进行监控，并远程控制执行机构，如对电机、水泵、风机等做出调整。该系统功能齐全，满足现代智能农场的技术要求，有较好的社会效益。