《基于PLC的農產品生長環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設計開題報告》

基于PLC的農產品生長環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設計1課題來源近年來，人們的思想觀念在不斷更新，生活水平也在大幅度提高，大眾越來越青睞綠色食品、山珍食品和黑色食品。木耳，俗稱黑菜，是一種真菌類食品，主要在北半球溫帶地區(qū)生長，是一種藥食兼用的食品，在老百姓的日常生活中久食不厭，現(xiàn)代的營養(yǎng)學家把它叫做“素中之葷”，在世界上享有“中餐中的黑色瑰寶”的美稱。它營養(yǎng)豐富，味道也很鮮美，同時具有止痛、化癖、活血的功效，其富含多糖還可以增強人體免疫力，對抗腫瘤能力還有一定提高作用，可以說是不可多得的保健食品。由此可見，提高木耳的生產效率，可以提高我國食用菌的總產量，同時能夠推動我國經濟的快速發(fā)展。2研究目的和意義PLC(ProgrammableLogicController)是一種專門為工業(yè)環(huán)境設計的電子裝置，憑借可編程存儲器，可以進行計時、計數(shù)、運算等操作，并且可以輸入輸出模式對機械生產過程進行控制。根據(jù)木耳生產工藝特點，將PLC技術融入木耳生產中，以MCGS組態(tài)軟件為上位機，以PLC為下位機對木耳生產過程進行實時監(jiān)控，使木耳處于最佳生長狀態(tài)中，不僅穩(wěn)定了質量，而且提高了木耳的生產效率，同時解放了勞動力，節(jié)省了水資源的浪費?？傊?，利用當前比較主流的PLC技術，實現(xiàn)對木耳生長環(huán)境的監(jiān)控，將為正確指導木耳生產提供理論依據(jù)，同時將給我國帶來重大的社會效益和經濟利益。在本文設計的木耳生長環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)中，將PLC技術與MCGS組態(tài)軟件相結合，可對待檢測區(qū)域中的各項環(huán)境參數(shù)進行實時的監(jiān)測與控制。在擁有高科技技術的現(xiàn)代農業(yè)，有較高的市場價值，具體體現(xiàn)如下：（1）PLC技術的廣泛應用能夠更加科學的服務和指導農業(yè)生產。木耳生長環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)能夠對木耳生長的數(shù)據(jù)信息進行監(jiān)測和分析，從而確保木耳的最佳生長環(huán)境，為木耳品質和產量的提高，打下了堅實的基礎。（2）木耳生長環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的硬件以及軟件的設計，以及整體的設計方案，可以為環(huán)保、氣象、水利等領域提供更多的技術支持。（3）物聯(lián)網可以感知整個物質世界，憑借的是形形色色的遍布在各個物體和角落的傳感器以及由這些傳感器所構成的網絡。將PLC技術與MCGS組態(tài)技術應用在農業(yè)生產中，將為物聯(lián)網的全面發(fā)展奠定基礎。本設計主要有兩個部分：一個是PLC以及傳感器和水泵等組成的下位機執(zhí)行部分，另一個是由MCGS組態(tài)軟件完成的上位機監(jiān)控部分。研究發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)食用菌最佳生長的環(huán)境都要求嚴格的低溫高濕的栽培環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計，食用菌栽培的花費，其中很大一部分用于電費當中，可以占到整個成本的30%-50%，因此將PLC技術應用到木耳生長期間環(huán)境的控制過程當中，這樣不僅使木耳的生產效率得到了提高，降低了生產成本，還保障了木耳生產的高效和安全。3國內外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢3.1國外研究現(xiàn)狀現(xiàn)階段國外的栽培環(huán)境控制技術已經日趨成熟了，他們可以通過PC機將二氧化碳、濕度、溫度和PH值等環(huán)境信息控制在適合食用菌生長的狀態(tài)下，即使再炎熱的夏天依然能夠生產出新鮮的食用菌。以色列、荷蘭、美國、日本和德國等西方國家已經開發(fā)出了先進的控制設備，這種設備可以對設施內的作物生長所需要的環(huán)境因素進行多方面控制，其中包括溫度的控制、濕度的管理、換氣扇的控制、人工補光等控制技術，還可以通過多臺計算機的聯(lián)網，來進行集中管理和異地管理。在日本，批量化食用菌生產，目前為止已經實現(xiàn)了整體的園藝化、設施化和機械化，自動化的程度非常高，生產中可以做到不需要人工干預，實行流水線作業(yè)，在生產的各個環(huán)節(jié)，都是通過機械來完成，同時，對于生長環(huán)境的控制，也做到了自動化，生產過程中溫濕度、酸堿度等因素，可以做到實時監(jiān)控，有效的提高了食用菌的產量。法國是世界上食用菌生產的超級大國，食用菌的產量在全世界占到了第三位。法國的食用菌生產，從生產到銷售實現(xiàn)了一條龍模式，機械化程度高，環(huán)境因素控制嚴格，產品質量優(yōu)良。在英國，有專門的食用菌生產基地，整個生產過程不需要人工干預，利用PLC等控制器，結合無線傳感器網絡的應用，實現(xiàn)了對食用菌生長環(huán)境因素的監(jiān)控，規(guī)?；男б媸置黠@。在韓國，食用菌的生產已經基本實現(xiàn)了工業(yè)化生產方式，場地較大，設施齊全，自動化程度高，其生產水平國際領先，通過PC機對菇房進行智能監(jiān)控，這個生產過程僅僅有少部分環(huán)節(jié)需要人工操作。目前，世界上很多發(fā)達國家在食用菌的標準化批量生產的過程中，已經實現(xiàn)了工廠化，產業(yè)中有很高的科技含量。針對溫濕度，光照度，肥料等環(huán)境因素的控制方面，已經發(fā)展成為了遠程操控的程度。該技術使傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)控技術的缺點得到了彌補，為各個領域的處理信息環(huán)節(jié)提供了新的設計方案，采用此技術，可以對所需要的各項信息進行準確的監(jiān)測，進而對農民發(fā)現(xiàn)并解決問題提供了很大的幫助。現(xiàn)在的以信息技術為重點的生產模式正在慢慢替代傳統(tǒng)的以人為中心的生產模式，使農業(yè)生產朝著網絡化、自動化和智能化的數(shù)字化農業(yè)發(fā)展。3.2國內研究現(xiàn)狀手動控制栽培就是一種傳統(tǒng)的栽培方式，是栽培者根據(jù)自己設施栽培的工作經驗來進行栽培的，栽培者在實際操作過程中，可以根據(jù)實際的環(huán)境信息以及菌類的生長情況，來確定種類不同的栽培方式下的控制系數(shù)，對栽培設施進行人工控制。這種方式的缺點是不能全天的24小時控制，另一方面栽培者的經驗對設施影響很大，所以栽培出來的產品產量和品質都不太穩(wěn)定，不利于生產企業(yè)的進步一步發(fā)展。季克（2016）成功設計了一套干旱地區(qū)日光溫室環(huán)境智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對溫濕度的實時監(jiān)測。這套系統(tǒng)的栽培環(huán)境是用單片機來控制的，該套設備現(xiàn)在仍然應用在該校的食用菌工廠中。應用的原理是栽培者憑借自身的經驗，聯(lián)系實際菇房環(huán)境，同時結合食用菌的生長情況，把控制參數(shù)輸入進單片機中，再由其控制其他執(zhí)行機構。因為沒有進行環(huán)境模糊控制，所以栽培的過程受到了環(huán)境的影響，單片機的內存量小，因此一些數(shù)據(jù)不能存儲在單片機中，進行打印和查詢，所以該系統(tǒng)已經不能使用在現(xiàn)在栽培生產中了。陳慶文（2016）等研制成功了“黑木耳生產環(huán)境控制系統(tǒng)”，吳淑娟（2017）等研制成功了“食用菌智能溫室栽培系統(tǒng)”，這兩套系統(tǒng)都是通過計算機來對栽培環(huán)境進行控制，設備是由單片機、傳感器和計算機組成的。操作者進入程序以后，將食用菌生長所需的信息二氧化碳、濕度和溫度等輸入到程序中，再通過485線與單片機通訊，進而對執(zhí)行設備進行調控。張宏偉（2018）成功研制了“食用菌智能溫室栽培系統(tǒng)”，該套系統(tǒng)針對食用菌生產過程中的主要影響因素一一溫濕度、光照度等方面進行控制，根據(jù)菌絲發(fā)育以及子實體生長的不同階段對環(huán)境條件的要求不同，設計了一套依靠計算機實現(xiàn)的技術控制方案。該方案具有數(shù)據(jù)顯示、報警、信號控制以及在線修改參數(shù)的功能。李建軍（2019）設計了黑木耳生長控制系統(tǒng)，本套系統(tǒng)將電子技術與機械技術相結合，將現(xiàn)有的企業(yè)生產條件配合上高性能高可靠性的PLC，在各種適合于單位和個人的生產規(guī)模中應用，除此之外，產業(yè)扶持和技術培訓的手段也被應用其中，使農民進行食用菌生產的熱情提高了，技術有了保障，實現(xiàn)了經濟利益的提高。這套系統(tǒng)的成功研制，為我國食用菌產業(yè)的整體提高，做出了很大的貢獻。4研究的主要內容及設計成果的應用價值本設計主要是基于PLC完成對木耳生長環(huán)境的監(jiān)控，由于木耳生長過程會受到溫度、濕度以及光照等環(huán)境因素的影響，因此為了實現(xiàn)對木耳生長環(huán)境的掌控與調節(jié)，本設計系統(tǒng)主要包含了溫度傳感器、濕度傳感器以及光照度傳感器，實時的測量出當前木耳生長的溫度、濕度以及光照參數(shù)，如果這些參數(shù)偏離了木耳正常的生長，這個時候可以借助外力來進行干預，最終確保木耳良好的生長環(huán)境，實現(xiàn)基于PLC的黑木耳生長環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計。該系統(tǒng)可對黑木耳生長的不同階段的溫濕度等環(huán)境參數(shù)進行實時監(jiān)控，從而有效的提高黑木耳的生產效率，減少由于環(huán)境條件造成的木耳腐爛變質的比率。5工作的主要階段、進度（1）2020年秋季學期第13周前接受畢業(yè)設計任務書，學習畢業(yè)設計（論文）要求及有關規(guī)定。（2）2020年秋季學期第14至20周閱讀指定的參考資料及文獻（包括10萬個印刷符號外文資料），基本完成開題報告、外文翻譯等任務。（3）2020年秋季學期第21周進一步修訂完善開題報告、外文翻譯，使其在內容及格式上符合畢業(yè)設計（論文）規(guī)范要求。（4）2021年春季學期第8周完成論文初稿（5）2021年春季學期第12周完成論文初稿修改（6）2021年春季學期第16周完成論文定稿（7）2021年春季學期第20周畢業(yè)答辯。6最終目標及完成時間完成PLC木耳生長環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設計，達到提高木耳生長率的目標。完成時間：12周7現(xiàn)有條件及必須采取的措施（1）在學校圖書館中有良好的資料庫，如CNKI、萬方、維普等期刊、雜志，網絡配套資源健全，擁有全文數(shù)據(jù)庫以及國務院發(fā)展研究中心信息網等，英文期刊諸如ABI/INFORM等，還有SCI、SSCI、EI等數(shù)據(jù)庫檢索系統(tǒng)，能夠根據(jù)研究需要便捷地搜索和下載與本課題相關的最新中英文資料，為課題研究提供了充分詳盡的理論資源。（2）在學校學習了與課題相關的各項專業(yè)課程，已經具備了完成課題研究所需要的相關專業(yè)知識。（3）在指導老師的悉心指導下，運用專業(yè)知識及相關的科學研究方法，通過自身努力，嚴格按照論文寫作階段計劃執(zhí)行，不斷修改和完善文章的內容，確保文章的寫作順利地開展和完成。8協(xié)助單位及要解決的主要問題本課題的完成應解決PLC實現(xiàn)木耳生長環(huán)境監(jiān)控技術問題，同時，需要得到木耳種植單位的大力支持和幫助，運用本設計系統(tǒng)進行木耳生長環(huán)境監(jiān)控，并反饋問題，對于后期系統(tǒng)問題的完善解決不斷的進行調整，最終設計出一套完善的系統(tǒng)。參考文獻[1]Dong,DING,Yong,etal.DesignandImplementationofOrchardEnvironmentMonitoringSystemBasedonWSN[C]//2017.[2]PeiX.StudyonoptimizationdesignofcoalmineventilationenvironmentmonitoringandcontrolsystembasedonPLCmemory[J].RevistadelaFacultaddeIngenieria,2017,32(16):123-129.[3]MaL.DesignandImplementationofaMonitoringSystemforUrbanGasSafetyBasedonPLCandConfigurationSoftware[C]//20183rdInternationalConferenceonSmartCityandSystemsEngineering(ICSCSE).2018.[4]DingD,ChangY,WangHJ,etal.DesignandImplementationofOrchardEnvironmentMonitoringSystemBasedonWSN[J].DEStechTransactionsonComputerScienceandEngineering,2018(cimns).[5]MohammedSK,KamruzzamanSM,AhmedA,etal.DesignandImplementationofanIoTBasedForestEnvironmentMonitoringSystem[C]//2019IEEE5thInternationalConferenceonComputerandCommunications(ICCC).IEEE,2019.[6]LiD,FengjiaoH,JingxingC.DesignandApplicationofAutomaticMonitoringSystemofWaterEnvironmentUsingGIS[J].E3SWebofConferences,2021,233(4):01061.[7]季克.基于PLC的北方干旱地區(qū)日光溫室環(huán)境智能控制系統(tǒng)的研究[D].2016.[8]陳慶文,紀彬,周麗麗.棚栽黑木耳智能控制系統(tǒng)的研究[J].黑龍江科學,2016,7(019):26-27.[9]吳淑娟.基于PLC的大棚智能溫室控制系統(tǒng)設計[J].岳陽職業(yè)技術學院學報,2017.[10]張宏偉,解應博,陳凱彬,等.基于PLC的溫室多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].測控技術,2018,v.37;No.316(06):135-138+149.[11]李建軍.黑木耳生長精確農藝及其控制系統(tǒng)研究[D].2019.[12]夏磊.基于PLC的智能溫室遠程監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].[13]時啟凡.基于PLC的盆栽作物智能溫室控制系統(tǒng)設計[D].2016.[14]文小玲,唐四維,陳立君,等.基于ARM和ZigBee的農作物生長環(huán)境監(jiān)