寒區(qū)菜業(yè)種植棚環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計

摘要頁共=numpages9-36頁第一章引言1.1課題來源及研究意義作為世界上最大的農(nóng)業(yè)國家之一[1]，我國人民的生產(chǎn)以及生活都深受我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響。中國總?cè)丝诩s占全球人口的五分之一,但是由于我們的耕地資源十分有限,所以人均種植面積也大大落后于全球的平均水平,即大約三分之一。由于人類社會的發(fā)展和世界國民經(jīng)濟的快速增長,地球生態(tài)和平遭到了嚴重破壞，環(huán)境污染加劇，使天然綠色食品流行起來。在這一總體趨勢的基礎(chǔ)上，我國的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式也必須從總的發(fā)展模式轉(zhuǎn)變?yōu)槊芗兔芗陌l(fā)展模式，越來越強調(diào)自給農(nóng)作是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要和主要手段[1]。與國外的一些農(nóng)業(yè)發(fā)展大國相比，我們國家現(xiàn)在在溫濕度大棚環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)方面的發(fā)展比較落后。例如歐美、日本、荷蘭等國家對于農(nóng)業(yè)的發(fā)展都十分迅速，但是隨著我們國家經(jīng)濟與科技的快速發(fā)展。我們國家也開始注重了這方面的科研發(fā)展，投入了大量的資金與精力。并且積極鼓勵科研人員們?nèi)パ芯繀⒖紘獾暮畢^(qū)菜業(yè)種植棚技術(shù)。使得我們國家農(nóng)業(yè)方面的科技發(fā)展得到巨大的進步和農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的進一步提升。光照和溫濕度，無疑對植物和花朵的生長至關(guān)重要，在較低的溫度下，它們可能導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大幅度下降，甚至在某些情況下造成死亡。如果光線不好，作物生長過程就會受到阻礙，植物也會不平等和營養(yǎng)不良，從而影響消費?？刂坪么笈飪?nèi)的氣溫和濕度及規(guī)定區(qū)域內(nèi)的光照,可以保證作物健壯生長。但是，現(xiàn)在很多對于生產(chǎn)蔬菜和水果等的溫室大棚里采用測量的方式依舊是手動測量工具，這種測量的方式會導(dǎo)致測量值的誤差大并且需要大量的工作人員參與。最終會導(dǎo)致農(nóng)作物的產(chǎn)量下降，產(chǎn)品的品質(zhì)達不到要求，造成大量的損失，影響產(chǎn)物的生產(chǎn)和生存以及產(chǎn)物的銷售和流通。對此為了改善種植棚的產(chǎn)量和產(chǎn)品的質(zhì)量，設(shè)計了一個基于PLC的寒區(qū)菜葉種植棚監(jiān)測系統(tǒng)，可以控制種植棚里的溫濕度在植物生長所需要的最適范圍內(nèi)。對種植棚里的植物，可以采用手動和自動兩種方式來控制大棚里的各種參數(shù)值是植物生長的最適范圍。從而極大程度的降低了外界環(huán)境對于植物生長的不良影響。使得產(chǎn)物最終的產(chǎn)量和品質(zhì)都達到所需的要求。加快了農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展。1.2國內(nèi)外發(fā)展與研究概況1.2.1國外研究現(xiàn)狀1970年代，西方專家開始研究大棚的環(huán)境參數(shù)，包括溫度和濕度、二氧化碳、土壤養(yǎng)分濃度、光線和時長控制。在1980年的后期,由于工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的迅速發(fā)展,農(nóng)業(yè)方面提出了可以采用分布式工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)，現(xiàn)如今很多國家都已經(jīng)開始通過網(wǎng)絡(luò)化的形式使得種植棚可以實現(xiàn)自動化控制。例如，荷蘭的占地面積較小，從14世紀開始荷蘭人就開始了農(nóng)業(yè)方面的發(fā)展。他們十分注重農(nóng)業(yè)發(fā)展，通過有效的設(shè)計農(nóng)用面積[2]，不斷的改造。目前荷蘭的溫室大棚已經(jīng)可以實現(xiàn)自動化，極大程度的降低了人工成本，提高了生產(chǎn)的效率。例如，倫敦大學(xué)的一項研究為遠程控制種植棚內(nèi)的各項數(shù)值，通過安裝排風(fēng)系統(tǒng)與棚內(nèi)的空氣進行流通，有效的控制了種植棚內(nèi)含氧量，確保了植物能充分的進行光合作用保證作物的健康生長。例如，美國通過對種植棚安裝天窗、保溫布、恒溫系統(tǒng)、噴水系統(tǒng)等，對種植棚進行多方面的控制，使得溫度、濕度、二氧化碳濃度等達到可以保持智能控制在最佳范圍內(nèi)。國外對于農(nóng)業(yè)方面的智能控制研究使得各方面都得到了有效的改善，通過遠程控制和自動控制使得人力的需求大大降低，并且降低了工作量。提高了作物的質(zhì)量和產(chǎn)量。使得種植棚的各方面效益大大提高。對于國外采用的技術(shù)而言，溫室大棚的科技發(fā)展是一個極大的熱點研究方向?？偨Y(jié)國外對于種植棚控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀如下：使農(nóng)業(yè)與物聯(lián)網(wǎng)相互結(jié)合，達到遠程控制。采用CAD輔助設(shè)計，構(gòu)造最合適的大棚環(huán)境。通過手動控制和自動控制，使得大棚內(nèi)的各項指標(biāo)可以保持植物最佳生長。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀與國外的研究相對比，我國對于農(nóng)業(yè)的發(fā)展研究的起步較晚。但是我國已經(jīng)開始注重了農(nóng)業(yè)研究的發(fā)展。在漢朝時期，我們國家的人民已經(jīng)學(xué)會了種植技術(shù)把這項技術(shù)用在了農(nóng)業(yè)方面。很多農(nóng)民每天辛苦勞動，但是面對自然環(huán)境無法抵抗。例如大雪、洪水、蝗蟲等災(zāi)害都無法抵抗，導(dǎo)致農(nóng)作物的生產(chǎn)量并不高。20世紀開始，遼寧和北京地區(qū)開始建造簡易塑料種植棚種植農(nóng)作物，提高了產(chǎn)量。這個階段人們學(xué)會了如何保護作物不受低溫、狂風(fēng)以及高強度光照的影響。在1950年代，我國開始對溫室大棚技術(shù)進行研究和發(fā)展。目的是提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。在1980年代，隨著我們國家科技發(fā)展的進步。對于PLC、單片機、smart等各方面的發(fā)展與種植棚相結(jié)合改善大棚內(nèi)部的環(huán)境，其中包含了對溫度、濕度、空氣內(nèi)二氧化碳的濃度、種植土的成分和光線的研究。我國農(nóng)業(yè)科學(xué)院首次在大棚內(nèi)使用了計算機控制系統(tǒng)。21世紀初，吳舟、李海南、徐正花、朱廷提出了一種新的大棚控制理論。其理論以可編程控制器為核心，符合大棚控制的要求。在后運行試驗方案中，該系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行，PLC與組態(tài)王聯(lián)合使用可以改善人機互動、操作方便和推廣。通過以上的了解，我國對于溫室種植棚的研究較落后于其他國家，對于各方面的知識都有所欠缺。首先，我國的獨創(chuàng)性不夠，許多關(guān)于種植棚的技術(shù)都是通過引進國外的技術(shù)。另一方面是，我國大棚更多是通過人工進行手動的控制和管理，缺乏智能性和精確度。第三，如今我們設(shè)計的溫室大棚結(jié)構(gòu)都較為簡單，內(nèi)部的設(shè)備可以實現(xiàn)的功能較少，溫室的管理水平低，漏洞較多，沒有辦法進行綜合的管理。這一體系難以運作?，F(xiàn)代大棚和相關(guān)設(shè)施采用了收集和標(biāo)準化的生產(chǎn)方式，在與國際化的市場體系共同作用。種植棚的自動控制在未來將成為一個重要的產(chǎn)業(yè)。為此我們需要一個適合我們農(nóng)業(yè)環(huán)境現(xiàn)狀的智能大棚監(jiān)測系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)文化，以便廣泛傳播這一技術(shù)。1.3本課題的主要研究內(nèi)容本論文的是基于PLC技術(shù)的寒區(qū)菜業(yè)種植棚環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計，該設(shè)計的期望在大棚控制過程中能夠根據(jù)不同作物進行相應(yīng)的控制，以確保大棚內(nèi)溫度、濕度等環(huán)境因素。符合相應(yīng)文化要求的最佳環(huán)境范圍。它可以使用傳感器分別檢測外推窗內(nèi)外的溫度和濕度，然后通過所使用的配置軟件（人機交互界面）在屏幕上顯示當(dāng)前大棚內(nèi)的各項數(shù)值和設(shè)定的預(yù)計值。工作人員通過配置軟件來對各項數(shù)值進行調(diào)整，使得大棚內(nèi)的各項實時數(shù)據(jù)均保持在適合的范圍，通過這種誤差反饋的形式不斷的采集數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)換大棚內(nèi)環(huán)境的參數(shù)后處理和顯示參數(shù)。如果參數(shù)不在定于的值范圍內(nèi)，調(diào)控系統(tǒng)可以自動的進行調(diào)整，保證大棚內(nèi)的各項指標(biāo)滿足預(yù)定的值。并且可以配置軟件中進行手動的關(guān)閉，保證系統(tǒng)的安全性。建立相應(yīng)的環(huán)境因子變化趨勢曲線，使得工作人員在人機交互界面能夠簡單的操作該系統(tǒng)。從而提高了大棚的經(jīng)濟效益，以及作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。第二章系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1大棚的工藝要求及設(shè)施構(gòu)成大棚的功能是提供利于植株成長的環(huán)境,尤其是在不適合生長發(fā)育的地區(qū)和月份。各種作物的生長環(huán)境不同,大棚的技術(shù)要求和物質(zhì)設(shè)施組成也不同。因此，所以,應(yīng)該先明確一個，然后確定安裝的過程和組成。該畢業(yè)設(shè)計的重點研究方向為大棚溫濕度控制。在技術(shù)方面,對大棚內(nèi)的氣溫、土壤濕度以及空氣溫濕度都有一定的要求。這些環(huán)境變量由系統(tǒng)進行檢測,從而為植株生長發(fā)育提供良好環(huán)境。本文以大葉花燭作為植株樣本,檢索有關(guān)信息,獲取植株生長發(fā)育的良好環(huán)境,確定大棚的技術(shù)要求，構(gòu)建大棚溫濕度智能控制系統(tǒng)。大葉花燭的生存發(fā)育溫度一般在14-35℃左右、土壤溫濕度在12-25%左右、空氣溫濕度在70-85%之間的植物。大棚溫濕度控制器主要包括觸摸屏、控制器PLC、執(zhí)行機構(gòu)和傳感器等設(shè)備。觸摸顯示器是人與機器之間進行交互的最有效設(shè)備,能夠?qū)?shù)據(jù)進行實況的顯示,以方便于操作者實施監(jiān)控,并且還可以在緊急情況下進行系統(tǒng)的手動控制功能?？刂破鞑糠纸邮軅鞲衅鬏敵鲂盘?并按照已設(shè)置的PLC編程語序進行相關(guān)的運算與數(shù)據(jù)處理,從而驅(qū)動執(zhí)行機制的正常運行,使環(huán)境變量的平均值到達最適宜于植株生長發(fā)育的區(qū)域。[3]2.2系統(tǒng)設(shè)計思路本文中設(shè)計的系統(tǒng)在大棚內(nèi)設(shè)置了各種種類的環(huán)境傳感器,通過傳感器測量大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù),并把所測量到的環(huán)境溫度、空氣相對濕度和土壤濕度等環(huán)境變量的值和參數(shù)加以對比,可以改變大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的值,以滿足對作物生長發(fā)育的適當(dāng)要求,提高作物質(zhì)量。2.2.1系統(tǒng)具備的功能本條設(shè)計的大棚溫濕度控制系統(tǒng)具有以下功能:1..參數(shù)設(shè)置功能針對不同的植物,根據(jù)生長要求不同,相應(yīng)的大棚內(nèi)環(huán)境變量的數(shù)值也有所不同,因此有必要定義環(huán)境變量,以促進不同植物的生長。參數(shù)設(shè)置功能,可以按照實際需求修改環(huán)境變量的數(shù)值。2數(shù)據(jù)采集和查看功能使用大棚內(nèi)的各種感應(yīng)器,可以即時監(jiān)測大棚內(nèi)環(huán)境變量的值,將觀測到的數(shù)值即時呈現(xiàn)在觸摸屏界面上,以方便操作者查詢。同時,在觸摸屏界面上還設(shè)有實時的態(tài)勢視圖功能,使技術(shù)人員可以直接看到大棚內(nèi)環(huán)境變量的態(tài)勢。3.執(zhí)行機構(gòu)監(jiān)督職能在大棚里,改變環(huán)境變量是由執(zhí)行機構(gòu)的動作完成的。為了方便地檢查各執(zhí)行機構(gòu)的運行狀況,該系統(tǒng)存在可監(jiān)視功能,在觸摸屏界面上還配備了對應(yīng)的顯示器,執(zhí)行機構(gòu)的運行狀況可以即時反饋,即可實現(xiàn)強制操縱在一般狀態(tài)下,執(zhí)行機制可以根據(jù)既定流程實現(xiàn)自動調(diào)整與控制。4.安全連接功能為防止系統(tǒng)工作人員出錯,已將登錄權(quán)限設(shè)定為手動系統(tǒng)控制模式,沒有授權(quán)的人員將無法在系統(tǒng)上進行手動操作。5.報警功能一旦果蔬大棚內(nèi)某一運行部門調(diào)節(jié)系統(tǒng)出錯,某些環(huán)境變量的數(shù)值將超出設(shè)定值,從而危害植株的正常生長發(fā)育。此時,控制系統(tǒng)就必須發(fā)送告警提醒工作人員。同時,通過觸摸屏界面上的告警設(shè)置,可以顯示具體那些變量超出了告警閾值,以便于工作人員有針對性地調(diào)整環(huán)境變量。2.2.控制模式本文設(shè)計的大棚溫濕度控制系統(tǒng)分為人工和自動兩種控制方法，共同創(chuàng)造有利于作物生長的環(huán)境。手動控制模式:在手動控制模式下，可以利用觸摸屏界面的開/閉按鍵對執(zhí)行裝置進行必要的操縱,從而使工作人員可以直接調(diào)節(jié)大棚內(nèi)的環(huán)境變量。自動控制模式:在自動化控制技術(shù)模式下,系統(tǒng)對大棚內(nèi)的環(huán)境變量采用實時監(jiān)測,當(dāng)A/D切換后,感應(yīng)器所收集的數(shù)值就會傳送到中央控制器的PLC上,并與設(shè)定值加以對比。2.3控制系統(tǒng)方案本文搜索了大量有關(guān)書籍、專業(yè)論文和期刊,詳細地查詢并研究了有關(guān)知識,了解到由于大棚的相對溫度和濕度管理在近年來發(fā)展得迅速,但由于大棚溫相對溫濕度管理的人機互動界面不太友善,非技術(shù)人員操作較困難,往往造成自動控制模塊系統(tǒng)在多數(shù)情況下處于非活躍情況。與此同時,為單片機而設(shè)計的控制器安全性較差,抗干擾能力也較差,而且非常容易遭受環(huán)境的影響,不易維護。采用PLC作為可編程控制器能夠很有效的改善這些狀況,由于PLC具備了靈活應(yīng)用、高穩(wěn)定能力、高可信度、強抗干擾力量,并且可維護性強等優(yōu)勢。與此同時,使用組態(tài)王制造的觸摸屏用戶也十分友善,使用很方便,用了軟體和硬件二個部分模塊所構(gòu)成的系統(tǒng)。2.3.1硬件模塊圖2.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖本文采用西門子S7-200PLC系列作為大棚系統(tǒng)的中央控制器，并選擇相應(yīng)的模擬插件。收到信號后，PLC根據(jù)具體需要調(diào)整大棚內(nèi)的環(huán)境變量，以實現(xiàn)有利于文化增長的環(huán)境。裝置的基礎(chǔ)控制模式分為手動或自動控制兩種模式。在人工控制模式下,操作者可以通過設(shè)備實施強制操控與控制,從而改變系統(tǒng)大棚內(nèi)環(huán)境變量的范圍值。在自動模式下,控制系統(tǒng)會按照設(shè)定的環(huán)境變量值自行調(diào)節(jié)各個被控制設(shè)備的運行狀態(tài),從而對種植植物的大棚內(nèi)環(huán)境變量做出智能調(diào)節(jié)。模擬模塊的主要功能是接收由傳感器所測量到的輸入信息,并將其傳遞給控制器中的PLC,而控制器則根據(jù)規(guī)定的程序處理信息并將之傳遞給驅(qū)動元件,從而執(zhí)行部門采取相應(yīng)的措施。由于大棚是封閉的，一般不允許工作人員進入大棚開展業(yè)務(wù)。因此,本控制系統(tǒng)通過組態(tài)王配置的大棚系統(tǒng)監(jiān)控畫面,指示大棚內(nèi)環(huán)境變量的數(shù)值,并同時監(jiān)視執(zhí)行機構(gòu)的工作狀態(tài)。在緊急情況下,它還能夠?qū)?zhí)行機構(gòu)實施強制行動。而且,可以使用組態(tài)王組態(tài)的人機交互用戶界面也十分友好且容易使用,極大降低了工作人員的負擔(dān)。2.3.2軟件模塊在本文設(shè)計的大棚溫度和濕度控制系統(tǒng)中，西門子S7-200PLC系列選為中央控制器。在PLC編程領(lǐng)域，我們使用STEP7。編程的書寫方式要求根據(jù)在大棚里所栽種的植物或農(nóng)作物的類型,當(dāng)把傳感器所測量到的數(shù)值轉(zhuǎn)化為程序參數(shù)的A/D值后,控制器的PLC就會產(chǎn)生相應(yīng)的信息,并把信息傳送給執(zhí)行機構(gòu),以監(jiān)測執(zhí)行機構(gòu)的行動,從而實現(xiàn)預(yù)期的環(huán)境影響。針對觸摸屏配置屏幕,我們可以使用組態(tài)王,使軟件所產(chǎn)生的人機交互界面十分友好且容易應(yīng)用,從而降低了技術(shù)人員的工作量。PLC和觸摸屏之間的信息交流采用了以太網(wǎng)實現(xiàn),從而可以即時監(jiān)測大棚環(huán)境變量的數(shù)值和在觸摸屏界面上執(zhí)行機構(gòu)的工作狀況,從而可以對執(zhí)行機構(gòu)實施強制操控。第三章硬件模塊設(shè)計3.1硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本文所設(shè)計的大棚溫濕度傳感器控制器的硬件部分,主要由傳感器、中央控制器PLC、觸摸屏以及執(zhí)行機構(gòu)等四部分所構(gòu)成。傳感器的主要功能為采集大棚內(nèi)環(huán)境變量的數(shù)值;中央控制器PLC選用了西門子S7-200系列PLC,主要執(zhí)行本系列的控制功能;觸摸屏的主要功能為實時監(jiān)測大棚內(nèi)部環(huán)境變量的值,及其各機構(gòu)的工作狀況;而執(zhí)行機構(gòu)則分為制冷風(fēng)機、加熱風(fēng)機、除濕風(fēng)機、加濕風(fēng)機等控制大棚內(nèi)環(huán)境變量的機構(gòu)。3.2硬件部分選型3.2.1控制器件的選型此設(shè)計使用西門子S7-200PLC作為中央控制器。S7-200系列小型控制器具備擴充能力及彈性，可更快速有效地執(zhí)行復(fù)雜的自動化控制器工作。S7-200系列PLC可以集成到CPU開頭的信號卡中，從而使PLC結(jié)構(gòu)更緊湊、更易于配置。同時S7-200通信模塊是獨立的，可以根據(jù)需要進行擴展。本項目設(shè)計的大棚溫濕度控制系統(tǒng)可利用S7-200系列PLC更有效地實現(xiàn)大棚環(huán)境變量的調(diào)節(jié)。相對而言,S7-200系列PLC更具有成本效益,足夠中小企業(yè)對自動化管理系統(tǒng)的需要。同時,S7-200系列還集成了PROFINET端口,使用者能夠通過以太網(wǎng)加載程序,并與人機接口進行通訊。本文使用CUP226。適合于對需求更高級的系統(tǒng),并具有更多的入口/出口點、更高的模塊化可擴展性、速度更快的運算速率,及其內(nèi)置的特殊功能。非常適合于一些復(fù)雜的中小型控制系統(tǒng)。[4]3.2.2EM223模擬量輸入模塊對于EM223模塊來說它是新一代的交流隔離式開關(guān)模塊,它把功率控制精度高的線性電流互感器和一個集成電路的轉(zhuǎn)換器ASIC芯片結(jié)合為一種芯片,可以直接把測量到的主電路的交流電壓轉(zhuǎn)化為直流4~20mA的線性輸出信號。表3.1為對于DIP開關(guān)配置EM223模塊的使用示意表。對于輸入均設(shè)定為相同的范圍和模擬的輸入格式。選用的輸入?yún)^(qū)域和顯示分辨率可以對應(yīng)開關(guān)電源的1~6。表一說明了如何對選單極性/雙極性開關(guān)6、增益的開關(guān)電源4和5,和衰減的開關(guān)電源1、2、3。在表2.2中ON為連接,OFF則為切斷。表3.1EM223選擇模擬量輸入范圍和分辨率的開關(guān)表3.2.3溫度傳感器DS18B20環(huán)境溫度傳感器首先收集設(shè)備內(nèi)周邊自然界中各個部位的環(huán)境溫度監(jiān)控,FPGA在處理后可以獲得所采集的環(huán)境溫度值,采集到當(dāng)前周邊自然界中較穩(wěn)定的環(huán)境溫度范圍,隨后可以利用加熱和制冷設(shè)備把當(dāng)前周邊環(huán)境溫度監(jiān)控調(diào)節(jié)至最大值和當(dāng)采集到的環(huán)境溫度監(jiān)控高于加工后的周邊環(huán)境溫度最大值時,FPGA可以利用三極驅(qū)動繼電器開啟冷卻設(shè)備(壓縮式制冷器),當(dāng)所采集到的環(huán)境溫度小于加工后的環(huán)境溫度時,FPGA打開加熱設(shè)備(再熱器)。DS18B20是美國達拉斯有限公司制造的世界一流數(shù)字溫度傳感器,具備微小化、低功耗、高度抗干擾性以及多處理器組合等優(yōu)勢,特別適用于形成多點溫度測量與控制,可以直接與同一總線上的多種或者多個相同傳感器芯片實現(xiàn)互連,是一種帶有三個TO-92針的小體積封裝形式。測試環(huán)境溫度時能夠按照符號擴展的十六位數(shù)字批量連續(xù)輸出,工作溫度測試區(qū)域為-55~+125c,可程序化從九位至十二個位的A/D相互轉(zhuǎn)換精度,最大工作溫度測試分辨率可達0.0625c,并且可輸入的操作電源多臺DS18B20都能夠同時連接到三條或二條線,而針對多臺DS18B20,數(shù)據(jù)處理器之間能夠使用同一個接口線路實現(xiàn)通訊,由于采用的微處理器接口較為小,因此節(jié)約了許多導(dǎo)線和邏輯線路使得線路更加簡化。就這樣,DS18B20就能夠十分方便地進行遠距離或多點的工作溫度測試系統(tǒng)。總之,在這個系列中,我用的DS18B20高溫晶片來測試高溫晶片的物理特性是很安全的,也可作為工業(yè)高溫的檢測元件,元素的線條形狀更好。線狀的最大誤差小于一c(0~100c)。芯片可以直接把數(shù)字信號傳送至CPU,以便于對CPU的管理與監(jiān)控。圖3.1溫度芯片DS18B20(1)電壓范圍在3.0~5.5v之間，屬于較大的電壓。在電源模式（寄生)下，可以使用數(shù)據(jù)線供電。(2)由于DS18B20，所采用的是單線接口方式,能夠讓DS18B20和微處理器之間形成雙向的通信方式,并且連接微處理器的時候只需一行即可。(3)DS18B20還可以支持多點聯(lián)網(wǎng)功能,利用三條單線的并行連接使得多個DS18B20相連,完成對不同范圍的多個溫度點檢測。(4)DS18B20在使用的過程中只需要單個芯片，通過二極管形式的集成電路，使所有的檢測元件和轉(zhuǎn)換電路均集成到這個電路中。(5)溫度范圍為-55℃~+125℃，精度為0.5℃-10~+85℃。(6)可以編程分辨率為9~12位,因此可以進行對環(huán)境溫度變化的精確檢測。(7)輸出數(shù)據(jù)溫度信息被即時檢測,通過"一線總線"傳遞到數(shù)據(jù)處理器中(串行處理器),本身的強抗擾動特性和糾錯性都相當(dāng)明顯。3.2.4濕度傳感器溫度傳感器,其最基本形式是通過利用溫濕度敏感材料對水分子物質(zhì)的吸附力量或通過對水分子產(chǎn)生物理影響來測定溫濕度的。自十六世紀起,對溫濕度檢測就開始有記載。很多舊式的測量,如干球溫度計、毛球溫度計和露點溫度計,迄今仍在普遍應(yīng)用。由于現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)要求更精確、可靠和持續(xù)的空氣相對濕度測定,因此逐漸出現(xiàn)了廣泛的濕度敏感因素。濕敏感性器件分二大類:水分子親與性濕靈敏器件和非水分子親與性濕靈敏器件。濕敏器件都是由使用水分子的特征所構(gòu)成的,這種特征在很多程度上是相互重合的,它們都易于互相粘附并滲入固態(tài)表層,可以叫做水分子親和性濕度器件。金屬氧化物也是一類離子化合物質(zhì),有較強的吸收功能,不但物理吸附,還有化學(xué)吸附,可以轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N金屬氧化劑的水分敏感物質(zhì)或者敏感成份。這些元素被附著或浸沒在應(yīng)用過程中測量的水蒸氣分子中，與物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生氫氧化物,和物質(zhì)進行一些特殊的反應(yīng)會形成各種金屬氫氧化物,又或者,如果浸沒,元素的水部分也會留下其他元素上,因此難以完全提取出來,從而使元素在反應(yīng)過程中的特性變得不穩(wěn)定最常用的組件是那些對濕度敏感的組件。另一種非親和性濕度敏感物質(zhì)使用其與水分子接觸的物理效應(yīng)來測量濕度。如圖3.2所顯示,土壤水分傳感器TRS-1的外觀示意圖圖3.2土壤水分傳感器TRS-1的外觀圖1、技術(shù)參數(shù)(1)測量參數(shù):土壤含水量；(2)單位:%(m3/m3)。(3)量程:0%至100%。(4)測量精度:3%。(5)探針直徑:3毫米。(6)探針長度:5.3厘米。 (7)工作溫度范圍:-40℃~85℃。(8)工作電壓:7~24v電壓型和電流型。(9)測量主頻率:100MHZ。(10)輸出信號:電壓型0~1.875v；直流0~20mA。(11)測量的穩(wěn)定時間:2秒。(12)響應(yīng)時間:<1秒。(13)測量區(qū):直徑7厘米、高度7厘米的探針范圍。2.功能和特點(1)傳感器體積較小,易于安裝、使用與維修較簡單。(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計良好，鋼質(zhì)探頭以保證壽命。(3)環(huán)氧樹脂外包有純橡膠，密封良好，可直接埋在地下，無腐蝕。(4)反映迅速,傳輸有效率。(5)性能可靠，測量的準確精度高，保證正常運行。(6)土壤的質(zhì)量影響較小，適用范圍廣。[5]3、適用范圍適用于節(jié)水農(nóng)業(yè)灌溉、大棚蔬菜、花卉種植、牧場、土壤、植物種植、科學(xué)實驗等。3.3系統(tǒng)主電路圖圖3.3主電路圖圖3.3是控制系統(tǒng)的主要電路示意圖,380V三相外部交流電源通過L1,L2,L3,N接入到了控制系統(tǒng)。QF1是用于切斷所有設(shè)備電源的總斷路器。FU1是具有短路保護功能的保險絲過載電路。QF2是制冷風(fēng)機電路斷路器,用來斷開制冷風(fēng)機電路的電源。M1是制冷風(fēng)機的電機。KM1是用來啟動和切斷制冷風(fēng)機的制冷風(fēng)機啟動接觸器。FR1制冷風(fēng)機的過熱保護繼電器可避免過熱。其他類似。3.4硬件總體設(shè)計3.4.1I/O分配表輸入和輸出符號表見表1、2、3所示[6]表3.2PLC數(shù)字量輸入符號表表3.3PLC數(shù)字量輸出符號表表3.4PLC模擬量量輸入符號表3.4.2硬件接線圖硬件接線圖如圖3.4所示圖3.4系統(tǒng)硬件接線圖第四章PLC軟件設(shè)計4.1溫度控制軟件設(shè)計4.1.1溫度控制原理溫度控制是指對溫室大棚內(nèi)溫度進行調(diào)控，保持在一個種植物最適合的溫度范圍內(nèi)。當(dāng)大型大棚的溫濕度調(diào)節(jié)達到植株可以生長的最適合范圍時,就可將溫度感應(yīng)器所檢測到的最合適的溫度信號傳送入控制器中,由PLC與預(yù)設(shè)值進行對比,然后由PLC輸出信任信號,來操控相關(guān)的受控設(shè)備運作。當(dāng)溫濕度超過規(guī)定的上限后,由溫度傳感器進行檢測以獲取溫度控制信息,隨后由溫度傳感器把所采集到的溫度控制信號傳交給PLC,由PLC輸出信號以降低大棚溫度,用降低溫度的信號去控制降溫裝置,再開啟降溫裝置,使整個溫室內(nèi)的氣溫都降低在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)。當(dāng)大棚溫度降到規(guī)定的下限時,溫度傳感器就會在捕獲后把所偵測到的溫度信號傳送給PLC,隨后由PLC發(fā)生大棚溫濕度的升高信號,而溫濕度上升信息就會控制溫濕度升高的設(shè)備。[7]當(dāng)大棚溫度在規(guī)定范圍內(nèi)時,溫度傳感器將收集到的信息傳送給PLC,由PLC輸出關(guān)于溫度設(shè)備終止工作的信號,溫度控制設(shè)備終止工作。吧溫濕度保持在植株生長發(fā)育的最適限度內(nèi)。4.1.2溫度控制流程圖溫度控制系統(tǒng)的流程圖如圖4.1圖4.1溫度控制流程圖4.1.3大棚溫度控制梯形圖1.自動溫度控制檢測實時溫度，使數(shù)字信號與電信號進行轉(zhuǎn)換將實時溫度與設(shè)定的值相對比，判斷當(dāng)前溫度是否超過設(shè)定值。當(dāng)實時溫度低于設(shè)定值，對各個接觸器發(fā)出信號，關(guān)閉通風(fēng)系統(tǒng)，開啟升溫系統(tǒng)的接觸器。當(dāng)實時溫度高于設(shè)定值，對各個接觸器發(fā)出信號，關(guān)閉升溫系統(tǒng)，開啟通風(fēng)系統(tǒng)。2.手動溫度控制梯形圖在手動控制下，關(guān)閉溫度開關(guān)過高或過低以完成對執(zhí)行機構(gòu)的控制。4.2濕度控制軟件設(shè)計4.2.1濕度控制原理溫度對植株發(fā)育具有重要作用,合理的溫濕度條件有利于植株良好的生長發(fā)育。相反，大棚中水分過多可能導(dǎo)致植物根的分解，大棚中水分少可能導(dǎo)致植物缺水，原因是水分不足。無論大棚濕度過高或過于干燥，植株生長發(fā)育均可能不利，只有保持在植物生長的最佳濕度范圍內(nèi)，植物生長才能健康。大棚溫濕度管理是由溫濕度感應(yīng)器控制,監(jiān)測大棚溫濕度信息,把所采集到的溫濕度信息傳給PLC,由PLC進行比較,并從中選取相應(yīng)的控制指令,控制相應(yīng)的設(shè)備調(diào)節(jié)溫濕度。當(dāng)大棚中的相對濕度超過定義的最大值時,PLC會把通過溫濕度感應(yīng)器所采集的濕度值和定義的相對濕度值加以對比,接著PLC會發(fā)送降濕命令,以開啟大棚中的降濕裝置。[8]當(dāng)大棚中的空氣相對濕度太低而不能降到規(guī)定的下限時,PLC會把濕度感應(yīng)器所接收到的空氣相對濕度值和規(guī)定的限值加以對比,接著PLC會發(fā)送一個限制空氣相對濕度提高的命令,以通過啟動濕度設(shè)備來增加人員當(dāng)大棚溫度控制在植株生長區(qū)域內(nèi)時,濕度感應(yīng)器將收集到的溫度信息傳送給PLC,由PLC產(chǎn)生關(guān)于濕度控制器設(shè)備終止工作的信息,濕度控制器設(shè)備終止工作。保持水分在植物生長的最佳限度。4.2.2濕度控制流程圖濕度控制系統(tǒng)的流程圖4.2圖4.2濕度控制流程圖4.2.3大棚濕度控制梯形圖1.自動控制模式的濕度控制流程圖通過濕度傳感器檢測大棚實時濕度，數(shù)字信號與電信號進行轉(zhuǎn)換將實時濕度與設(shè)定值進行對比。確定濕度是否超過設(shè)定的范圍當(dāng)實時濕度低于設(shè)定值，提高水泵流速，從而提高環(huán)境濕度。當(dāng)實時濕度高于設(shè)定值，降低水泵流速，從而降低環(huán)境濕度。2.手動模式下的濕度控制流程圖在手動模式下,空氣濕度調(diào)節(jié)是通過控制上升或降低開關(guān)溫度來實現(xiàn)的。組態(tài)畫面的設(shè)計組態(tài)王監(jiān)測系統(tǒng)軟件是一個新的工業(yè)自動控制系統(tǒng)，標(biāo)準的工業(yè)計算機軟件和硬件平臺組成的綜合系統(tǒng)代替了傳統(tǒng)的封閉系統(tǒng)?；诋?dāng)前自動化技術(shù)的發(fā)展趨勢與發(fā)展前景,組態(tài)王軟件也是一種實現(xiàn)技術(shù)控制工具的一種子開發(fā)工具,旨在實現(xiàn)企業(yè)一體化。該產(chǎn)品由獨立于子控制技術(shù)開發(fā)的實時工業(yè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)所支撐,該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)能夠為企業(yè)提供了一個高效的網(wǎng)絡(luò)平臺,在整個生產(chǎn)過程中綜合、分析和管理數(shù)據(jù),使企業(yè)可以更準確高效地收集有關(guān)信息和及時作出反應(yīng)。[9]組態(tài)王的優(yōu)點有強大、易于應(yīng)用、長期穩(wěn)定等特點。按照國內(nèi)外眾多使用者的反饋和建議,并加以不斷的完善與擴充。它提供了一個豐富,簡潔并且易于使用的配置頁面,為使用者創(chuàng)造了一種簡潔,方便的使用。并且使用大量的庫和圖像，讓用戶更容易操作和理解。通過改進和改進其歷史、報告和網(wǎng)上發(fā)布功能，該軟件的功能和可用性得到了顯著提高。組態(tài)王增加了一個報告向?qū)Чδ?，使能夠使用組態(tài)王的歷史或?qū)崟r工業(yè)數(shù)據(jù)庫快速創(chuàng)建用戶所需的各種報考，例如每日、每周或者每月、每季度和年度的報告都可以創(chuàng)建。同時也可以實現(xiàn)對值的行和列統(tǒng)計信息功能?？蛻舳四軌颢@取與組態(tài)王操作系統(tǒng)一致的監(jiān)控圖像,而IE客戶端則能夠保證與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的有效數(shù)據(jù)同步,通過聯(lián)網(wǎng),也能夠獲取圖像中與數(shù)據(jù)顯示、報告提示、告警指示等功能相同的數(shù)據(jù)。組態(tài)王集成并支持了行業(yè)實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng),支持數(shù)據(jù)同步保存到組態(tài)王歷史銀行和工業(yè)銀行中,大大增加了組態(tài)王數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的容量,也更好地實現(xiàn)了工業(yè)實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是由子控制開發(fā)的一種新型的獨立工業(yè)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。能夠良好的適應(yīng)于客戶對實際的查詢和恢復(fù)歷史的操作數(shù)據(jù)序要求,同時也能夠適應(yīng)對容量和保存速率的需求。[10]5.1組態(tài)王與S7-200通信建立PLC通信設(shè)定，設(shè)置地址2，波特率為9600bps：圖5.1S7-200通信設(shè)定在組態(tài)王中，設(shè)備找到了COM1選擇、通信波特率等。以使用預(yù)設(shè)。。圖5.2PLC與組態(tài)王的通信設(shè)定選擇西門子S7-200PLC的PPI通信模式，將通信地址設(shè)置為2。圖5.3組態(tài)王PLC選擇設(shè)定設(shè)備名稱圖5.4S7-200與組態(tài)王通信設(shè)備名稱選擇COM1，圖5.5選擇COM口設(shè)定與組態(tài)王通信的PLC地址，設(shè)定2圖5.6PLC地址設(shè)定圖5.7設(shè)定恢復(fù)策略5.2通信設(shè)定添加S7-200通信，設(shè)定PLC地址為2，觸摸屏地址為1，PPI通信，波特率9600：圖5.8通信設(shè)定5.3變量定義組態(tài)王與PLC通信，需要建立變量連接，建立完成后變量如下圖：圖5.9定義變量5.4組態(tài)畫面建立監(jiān)控畫面：建立溫度實時曲線建立濕度實時曲線建立溫度參數(shù)設(shè)定畫面建立濕度參數(shù)設(shè)定畫面結(jié)論結(jié)論我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展十分迅速，不斷的通過科技進行改善?？萍紝⒉粩嗟呐c農(nóng)業(yè)相互融合，最終將取代傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的重要性。在實際生活中，可以改善因地區(qū)差異造成植物無法存活的情況，提高產(chǎn)量的品質(zhì)。本論文設(shè)計了基于PLC的寒區(qū)菜業(yè)種植棚環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計，給出了如何控制種植棚內(nèi)溫度，濕度的方法，編寫了PLC程序,并配備了觸摸屏。最后,在S7-200的測試臺上聯(lián)合開發(fā)出了PLC編程工具與觸摸屏的功能,，并驗證了該系統(tǒng)的可行性。主要活動概述如下:1.信息獲取和防風(fēng)系統(tǒng)控制方案設(shè)計。2.對于設(shè)計的大棚