智能控制系统设计——以大棚系统为例

吴宁 尚坡利 高迪

（1兰州工业学院 计算机与人工智能学院，甘肃 兰州 730050；2兰州石化职业技术学院 电子电气工程学院，甘肃 兰州 730060；3兰州工业学院 电气工程学院，甘肃 兰州 730050）

0 引言

农业对于大棚的需求量不断增加，室内种植产业被不少地方当作支柱产业大力培育，相关建设项目呈遍地开花之势。为了更好实现种植效果，各地投入了大量的人力物力，但目前多数大棚内的培育过程仍主要由人工来完成，自动化程度较低，种植效率不高。一些大型企业也采用了自动控制程度较高的大棚系统，但由于结构简单，种植效果仍待加强。本文设计一种智能大棚控制系统，实现大棚内各种环境因素的自动调节，为相关企业提供更多的选择。

1 系统总体设计方案

本系统通过多种传感器实时采集环境信息，将其与预先设定的大棚内种植植物所需最佳生长条件进行比对，由控制器控制执行器件，实现环境的有效调节和改善，为植物提供最优生长环境。温度控制方面，加热器实现环境升温，制冷器实现环境降温；湿度控制方面，喷淋系统实现空气湿度增湿调节，喷灌系统实现土壤湿度增湿调节，换气设备实现空气去湿调节；光线调节方面，由窗帘系统和灯光系统配合实现调节；二氧化碳发生器实现二氧化碳浓度升高调节，换气设备实现二氧化碳浓度降低调节；空气调节由换气设备实现；土壤酸碱度通过测量获得。此外，系统中加入启停模块和报警模块，分别用来完成系统的启停工作以及系统执行部件故障及环境参数超限时的报警。智能控制系统总体框架如图1所示。

图1 系统总体框架图

2 硬件设计方案

2.1 控制模块

PLC（可编程逻辑控制器）是一种为工业应用而设计的数字计算系统，其利用可编程存储器执行各种操作指令，通过数字或模拟的输入输出来控制和实现各种工业过程。本设计中采用西门子S7-200 CPU226作为控制系统核心，将多种传感器检测到的环境信息送到PLC中，与预先设定的给定值进行比较，并下达控制指令以调整不符合要求的环境变量，为植物提供最佳的生长环境。该PLC有24点输入、16点输出，能连接7个扩展模块，最大可扩展至248点数字量I/O或35点模拟量I/O，具有13KB程序和数据存储空间，6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，2个RS-485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力，具有PID控制功能。

2.2 检测模块

本系统涉及较多的环境变量的采集。

2.2.1 温、湿度检测

本系统的温、湿度检测采用JWSK-6AC温湿度变送器。JWSK-6AC温湿度变送器是一款工业级产品，模拟输出电流输出4～20mA，可以针对-40℃～120℃范围内的温度、0～100%RH湿度进行测量。这款变送器采用全密封防水设计，在同类产品中具有体积小、价格低、寿命长、精度高、漂移低、响应速度快、抗干扰能力强、安装方便、性能稳定等特点[1-2]。

2.2.2 二氧化碳浓度检测

本系统的二氧化碳浓度检测采用COZIR-LP传感器。COZIR-LP是一款性价较高的红外CO2传感器，其工作环境温度约为0℃～50℃，量程约为0～2000ppm，0～5000ppm，精度为±50ppm。这款传感器具有寿命长、精度高、功耗低、抗振动及抗冲击性强、数字输出、能够自校准等特点[3]。

2.2.3 光照强度检测

本系统的光照强度检测采用HB-LX100光照度传感器。HB-LX100精度为±3%FS，量程为0～2000/200000Lux，重复性为＜1%FS，具有精度高、寿命长、密封性好、结构坚固、稳定性好、传输距离长、抗干扰能力强等特点[4-5]。

2.2.4 土壤酸碱度检测

本系统的土壤酸碱度检测采用PHS91.2酸度变送器。PHS91.2电源电压为24VDC，输出信号为4～20mA，检测范围为0～14pH，测量精度为±0.1pH，工作环境为温度0～50℃及湿度≤85%RH。这款变送器利用不同酸碱度下氯化银电极和玻璃电极产生不同的直流电势这一原理，将直流电势放大以实现酸碱度的测量，具有稳定可靠，使用方便等特点[6]。

2.3 执行模块

2.3.1 温、湿度调节系统

温、湿度调节系统主要包括加热系统、制冷系统、喷淋系统、喷灌系统和通风系统，主要利用PLC通过继电器实现对加热器、制冷器、喷淋器、喷灌器和换气设备的通断控制。相关系统主电路结构类似，以制冷器为例，其主电路如图2所示。其中，KM1控制主电路通断，熔断器FU1起过电流保护，热继电器FR1起过载保护作用。

图2 制冷系统主电路

2.3.2 二氧化碳调节系统

二氧化碳调节系统主要包括二氧化碳发生系统和通风系统，主要利用PLC通过继电器实现对二氧化碳发生器和换气设备的通断控制，主电路结构与前述制冷器主电路类似。

2.3.3 光线调节系统

光线调节系统主要包括窗帘系统和光照系统，主要利用PLC通过继电器实现对灯光设备的通断控制及对窗帘系统的正反转控制。光照系统主电路结构与前述制冷器主电路类似。窗帘系统主电路结构涉及正反转控制结构，主电路如图3。其中，KM2控制卷帘正转，KM3控制卷帘反转，熔断器FU2起过电流保护，热继电器FR2起过载保护作用。

图3 窗帘系统主电路

2.3.4 空气调节系统

空气调节系统主要利用PLC通过继电器实现对换气设备的通断控制，换气设备主电路与前述制冷器主电路类似。

2.3.5 启停模块和报警模块

设置启停模块和报警模块。启停模块用来完成系统启动及停止功能。系统执行部件发生故障时会影响系统的执行效果，此外，当二氧化碳发生器或加热器这类部件突发故障时，及时发现故障并报警可以预防事故的发生。对于环境指标超限的情况，也需要给与报警指示，以便及时处理。

3 软件设计方案

本系统以PLC为控制核心，系统初始化并启动后将周期性采集环境信息，然后把各项传感器检测到的环境指标与环境指标预设值进行对比，对于符合的指标保持监测，对于超过警戒值的指标或出现问题的设施给与报警，对于其他不符合的指标进行实时调整。当实时温度高于给定值时，制冷器启动降温，当实时温度低于给定值时，加热器启动升温；当实时空气湿度高于给定值时，换气设备启动除湿，当实时空气湿度低于给定值时，喷淋器启动空气加湿；当实时土壤湿度低于给定值时，喷灌器启动土壤加湿；当实时光线强度高于给定值时，窗帘系统与灯光系统配合降低光线强度，当实时光线强度低于给定值时，窗帘系统与灯光系统配合增加光线强度；当实时二氧化碳浓度高于给定值时，换气设备启动实现空气交换以降低二氧化碳浓度，当实时二氧化碳浓度低于给定值时，二氧化碳发生器启动以增加二氧化碳浓度。控制系统流程图如图4所示：

图4 控制系统流程图

4 总结

本设计实现了一套智能大棚控制系统，该系统能够根据大棚内种植植物类型实时调整环境参数，以便提供更加适宜的生长环境，提高生产质量和生产效率，为进一步实现大棚作物的智能化培育提供了参考依据。该系统还有进一步提升的空间，如一些控制目标存在非线性特征，因此利用无模型自适应控制技术或者模糊控制技术能更好实现控制效果，此外，系统可以加入无线功能模块，以便实现远程的监测与控制。