基于PLC大棚环境监测与控制系统设计_曹新伟.pdf

新疆农机化 2024年第4期 doi 10 13620 ki issn1007 7782 2024 04 015 中图分类号 TP273 S316 文献标识码 A 0 引言 设施农业是在环境相对可控的条件下采用工 程技术手段进行作物高效生产的一种现代化农业 生产方式 大棚栽培作为设施农业的一种重要方 式 可以为作物提供较为理想的栽培环境 提高作 物产量和质量 但是大棚环境参数的监测和控制 一直是困扰大棚生产的难题 本研究以乌鲁木齐 大棚为例 通过传感器的选择 数据的采集与处理 和控制设备与算法的设计等手段研发大棚环境监 测与控制系统 研究内容涵盖大棚环境监测与控 制系统的各个方面 有助于提高大棚作物的产量 与品质 也可为大棚环境的智能化调控提供研究 基础 1 大棚环境监测与控制系统总体框架 本大棚环境监测与控制系统总体设计技术路线 图如图1 根据国内大棚环境调控现状查阅相应的 文献和资料 经过梳理分析和统计分析确定最终设 计方案 设计大棚环境监测与控制系统 完成系统硬 件选型和软件设计 设计完成之后进行仿真 通信以 及联动调试 2 控制算法设计 大棚环境控制系统的控制算法关键在于精确调 节温湿度及光照等参数 1 本设计采用模糊PID控 制算法来实现对各执行设备的精确控制 2 首先 根 据传感器采集的数据和预设的参考值计算出系统的 控制偏差e t 和偏差变化率ec t 然后经过模糊处 理获得模糊控制量u f 模糊处理主要有两个输入量 e t 的语言值E 和 ec t 的语言值 EC 进行模糊推 理得到u f 的语言值 最后的执行控制量u为u f 与经 典PID 控制的线性组合 其中 KP KI KD 为经典 PID参数 经过模糊处理获得自适应调节 该模糊控 文章编号 1007 7782 2024 04 0058 04 基于PLC大棚环境监测与控制系统设计 曹新伟 1 王瑞 1 辜筱淩 2 焦锐斌 1 1 新疆农业科学院农业机械化研究所 新疆乌鲁木齐 830091 2 阿合奇县农牧发展有限责任公司 新疆阿合奇843500 摘 要 本文设计了一种大棚环境监测与控制系统 系统采用数字传感器监测温湿度 光照和CO 2 浓度等环境参数 通过 ZigBee网络发送至中央控制器 经处理后在云平台实现远程监视 通过监测试验与控制评估 证实监测与控制效果良好 该大棚环境监测与控制系统能为国内设施农业的智能化 节能环保提供参考 关键词 大棚 环境监测 控制 设计 Designofmonitoringandcontrolsystemforgreenhouse environmentbasedonPLC CaoXinwei 1 WangRui 1 GuXiaoling 2 JiaoRuibin 1 1 Agricultural Mechanization Research Institute of Xinjiang Academy of Agricultural Sciences Urumqi 830091 Xinjiang China 2 Aheqi County Agriculture and Animal Husbandry Development Co Ltd Aheqi 843500 Xinjiang China Abstract Thisarticledesignsagreenhouseenvironmentmonitoringandcontrolsystem Itusesvariousdigitalsensorstomonitor environmentalparameterssuchastemperature humidity light andCO2concentration whicharesenttothecentralcontroller throughtheZigBeenetworkandthenprocessedtoachieveremotemonitoringonthecloudplatform Throughmonitoring experimentsandcontrolevaluations ithasbeenconfirmedthatthemonitoringandcontroleffectsaregood Thegreenhouse environmentmonitoringandcontrolsystemcanprovidereferencefortheintelligence energyconservation andenvironmental protectionoffacilityagricultureinChina Key words Greenhouse Environmentalmonitoring Control Design 修回日期 2024 04 02 基金项目 自治区公益性科研院所基本科研业务费项目 KY 2022022 农业科技创新稳定支持项目 jnkywdcz 2023007 2 设施农业 58 新疆农机化2024年第4期 图1 设计总体技术路线图 设施农业 制规则表可基于专家经验进行设定 也可通过历史 数据训练等自适应神经网络获得 控制量u转化为 对各执行设备的开关时序控制 实现环境参考值的 精确跟踪 在线修改PID参数或模糊控制表则可提 高控制的鲁棒性 该混合控制算法充分利用了模糊 控制的自适应优势和PID的优异控制效果 既能提 高控制精度 也增强了针对环境变化的鲁棒性 3 大棚环境监测与数据处理系统硬件选型 3 1 传感器选择 温湿度传感器可选用SHT20或DHT22 前者测 量范围 40 125 湿度0 100 RH 精度 0 3 2 RH 响应时间8 s I2C数字输出 3 后者测量范 围0 50 湿度20 90 RH 精度 0 5 2 RH 响应时间2 s 数字信号输出 光照传感器可选用 BH1750 测量范围1 65535 lux 精度 10 lux I2C接 口 与Arduino等MCU兼容 CO 2 传感器可以选用 MH Z14或SCD30 前者采用非散射红外 NDIR 技 术 范围0 5 000 ppm 精度 50 ppm UART数字输 出 后者也为NDIR原理 范围400 5 000 ppm 精 度 30 ppm或 3 I2C数字输出 另外 由于温湿度对植物生长非常重要 故使用 两个传感器来冗余监测以提高系统可靠性 数据采 集频率一般设置为1 10 min采集一次 根据作物种 类及生长阶段适当调整 光照强度和CO 2 浓度采集 频率可以较低 例如每小时采集一次 所有传感器输 出要连接到MCU进行A D转换 数据校准和过滤 然后经ZigBee等无线网络发送到监控中心的工控 机并实时存储于MySQL数据库中 3 2 数据采集与传输模块 大棚环境监测系统的数据采集与传输环节采用 模块化设计 数据采集模块选用STM32系列32位 ARM Cortex M0核MCU 内置12位AD转换器 最 大采样率达1 Msps 可满足多个传感器信号的采集 需求 4 采集到的数字量化数据经过MCU上的数字 滤波器去除噪声 滤波方法可选FIR或IIR 一般采 用通带在0 01 Hz以下的低通滤波器 去噪后的数 据会缓存于MCU内部的4KB SRAM中 MCU会按 一定时序通过SPI总线获得缓存数据 加入校验码 后通过ZigBee模块发送到中央控制器 ZigBee网络构建采用树形拓扑 中央控制器作 为网络协调器和根节点 采集模块作为路由节点或 终端节点 与其他节点形成自组网 网络层采用 AODV路由协议 能够快速构建网段之间的连通路 线 ZigBee 模块的射频输出功率可配置为 10 20 dBm 覆盖整个大棚区域 在传输可靠性方面 Zig Bee支持重传机制 丢包率可控制在0 1 以下 从 采集模块到中央控制器的单次数据传输延时小于 150 ms 满足监测控制的实时性需求 3 3 数据处理与存储 大棚环境监测系统的数据处理和存储基于工控 机平台 中央控制器选用工业级主板及Intel i7低功 耗CPU 确保系统连续稳定运行 中央控制器收到 传感器采集模块传来的数据后先进行解包 校验并 59 新疆农机化 2024年第4期 丢弃传输错误的数据 然后将各传感器数据映射到 预设的数值范围 进行滤波平滑处理 并与温湿度传 感器冗余数据进行融合 生成更准确可靠的环境参 数读数 处理后的数据既存储在64GB SSD硬盘上 也实时写入MySQL关系型数据库 数据库运行在支 持高并发访问的Linux服务器上 采用InnoDB存储 引擎 支持完整崩溃恢复技术 确保数据高速安全存 储 数据库同时也存放控制器的操作日志及报警信 息等数据 Web服务器可通过TCP连接提取数据库 数据进行监控可视化显示 5 在数据处理方面 还可 采用机器学习模型分析各环境变量之间的关系 提 取监测数据的特征 为环境控制提供依据 4 大棚环境控制系统的设计与选型 大棚环境控制系统需要选择合适的执行设备来 调节温湿度和光照等环境参数 对于温度控制 选 用功率较大的磁控管式电加热器 配合精确的固态 继电器实现对加热量的线性调节 加热器参数可选 择热量 2 000 W 工作电压380 V 温升速率 3 min 湿度控制采用压缩空气喷雾加湿器 具有响应 快和增湿量大等优点 喷雾量和喷射频率可调 最 高 3 kg h 光照控制主要通过补光和遮光来实现 补光采 用全光谱 LED 补光灯 光通量 110 mol m 2 s CRI 85 照度衰减小 匹配植物光合生长谱 遮光 则通过电动或气动驱动的遮光屏实现遮挡率可变 屏蔽系数为0 8 0 9 可快速响应遮光需求 CO 2 浓 度调节通过换气和CO 2 发生器来进行 二者各自匹 配大功率鼓风机及精确控制组件以精确控制 CO 2 浓度 以上执行设备结合 PID或模糊PID 控制 可 以较好的实现对环境参数的控制 4 1 硬件选型 分析市面上常用的几种PLC类型的功能 优缺 点及适用范围 本大棚环境监测与控制系统设计要求 精确监测及接收模拟信号并且具备良好的通讯能力 在对市场上的多种PLC进行比较后发现S7 300 S7 1200和S7 200这三种型号各有其独特的优势 S7 300以其高性能处理器和较大的内存容量 而著称 而S7 1200则在集成技术测量和闭环控制 方面表现出色 支持PID 控制回路 这使得它们在 功能特性上具有显著优势 这两种型号的PLC成本 相对较高 相较之下S7 200系列则以其较低的成本 和满足基本需求的功能特性成为首选 考虑到本设 计中输入和输出点的数量并不多 综合评估成本和 实际需求后确定选用 S7 1200 系列 PLC 作为控制 系统的核心 该决策旨在保证系统性能的同时有效 控制成本 实现性价比最优化 本温室大棚的设计对输入和输出点数有明确的 要求 系统需要至少9个输入点和8个输出点 共计 17个I O点数以满足复杂的控制需求 通过对不同 型号的 PLC 进行评估 CPU221 型号虽然集成了 6 个输入和4个输出 共10个数字量 I O点 但缺乏 I O扩展能力 因此无法满足设计需求 CPU222型 号虽然提供了8个输入和6个输出 共14个数字量 I O点 并支持连接两个扩展模块 但其仍然无法满 足系统对输入点数的要求 CPU 224XP型号自带14 个输入点和10个输出点 共计24个数字量I O点 完全满足了系统点数需求 此外 CPU224XP还具备 扩展能力 可以根据需要增加额外的I O模块 4 2 软件系统设计 PLC启动后系统迅速响应 立即执行初始化程 序块 随后对当前的模拟量数据进行实时对比 空气 温度传感器对室内温度进行评估 当传感器检测到 空气温度低于预设的下限值时将自动启动换气扇 温湿度传感器用于检测环境温湿度 当传感器 检测到温湿度低于预设的下限值将自动启动加湿 器 提高室内温湿度 当湿度回升至或超过正常范 围时加湿器会自动停止工作 当环境温湿度超过预 设的上限时 空调和排风扇系将被激活以降低温度 和湿度 当温度和湿度回落至正常范围 空调和排风 扇将自动关闭以维持适宜的温度环境 在光照度检测方面 当光照传感器强度低于预 设的下限 补光灯和遮阳网将自动开启以补充光照 当光照强度超过上限时 补光灯和遮阳网将被关闭 以避免过度照射 通过自动控制流程 系统能够有效地对环境条 件进行实时监控和调整 以确保植物生长环境处于 最佳状态 提高系统的自动化水平 增强对环境变化 的响应速度和精确度 该控制系统为作物的生长提 供了稳定和可持续的环境 能够确保作物在最适宜 的条件下生长 从而提高作物的品质和产量 5 试验与应用 5 1 环境参数监测 试验在乌鲁木齐设施农业基地的一个小型作物 培养大棚中进行 监测时间为2022年3月 5月 对 设施农业 60 新疆农机化2024年第4期 体机的设计与试验 J 新疆农机化 2023 1 8 10 3 杨杰 张征 古冬冬 等 玉米秸秆还田机捡拾器设计与试验 J 农机化研究 2023 45 8 111 116 4 李小平 许成杰 于洲 等 国内秸秆还田机研究现状及发展建 议 J 农业技术与装备 2021 12 59 60 63 5 JialeZ XiaogengW JianZ etal CoupledBionicDesignBased onPrimnoaMouthparttoImprovethePerformanceofaStraw ReturningMachine J Agriculture 2021 11 8 775 775 6 LichaoX YongC RongZ etal DesignandSimulationofChop ping Device of Straw Returning Machine J Journal of Phys ics ConferenceSeries 2021 1748 6 062066 7 刘鹏 何进 章志强 等 基于CFD DEM的秸秆还田机碎秆运 动特性分析与试验 J 农业机械学报 2020 51 S1 244 253 8 YU C ZHU D GAO Y et al Optimization and experiment of counter rotatingstrawreturningcultivatorbasedon discrete element method Papers J Journal of Advanced Mechanical Design Systems and Manufacturing 2020 14 7 JAMD SM0097 JAMDSM0097 9 郭俊 秸秆还田机 锯齿刀和旋耕刀作业性能研究 D 南京 南京农业大学 2017 10 涂建平 徐雪红 夏忠义 秸秆还田机刀片及刀片优化排列的 研究 J 农机化研究 2003 2 102 104 应作物从定植到第一次采收的完整生长周期 大棚面 积约50 m 2 传感器布局充分考虑采集代表性 温湿度 传感器放置于大棚中上下两层 光照传感器水平放 置于上层植株顶端 CO 2 传感器垂直放置于大棚中 央 所有传感器均通过RS485总线连接至STM32采 集模块发送采集的数据 经过2个月的监测 获得 逾3万组环境参数采样数据 中央控制器以及WiFi路由器放置于大棚外的 控制箱内 控制器订阅采集模块的数据 经处理后 以JSON格式通过MQTT发布到云服务器 服务器 上的Grafana软件读取并绘制温湿度 光照和CO 2 浓度的监测曲线 监测采样周期设为5 min 连续监 测2个月 记录作物生长周期过程中大棚环境的动 态变化情况 重点监测结果包括夜间温湿度波动 白 天光照分布和CO 2 浓度日变化规律等 通过长时间 的监测试验验证传感器布局方案的合理性 检验传 感网络的可靠性 考察监测算法和设备的稳定性 5 2 控制算法验证和效果评估 试验选取上述大棚中约20 m 2 的区域进行控制 系统验证 采用模糊PID算法对温湿度 光照和CO 2 浓度进行智能控制 控制执行周期为1个月 以精度 稳定性 能耗等指标评估控制效果 主要结果如表1 从表1可看出温湿度控制可以实现高精度 低 超调量 光照和CO 2 浓度控制响应速度快 与传统 开环控制相比 该智能控制系统的能耗降低了约 15 5 3 结果与讨论 通过环境监测和控制评估试验得出以下结论 1 设计的监测系统能够稳定获取温湿度 光 照和 CO 2 浓度数据 传感网络 1 个月丢包率低于 0 5 监测结果如表2 2 设计的模糊PID控制算法可以实现对环境 参数的自动化控制 显著提升了控制精度与稳定性 降低了约15 的系统能耗 3 获取的长期监测数据可为环境控制系统的 参数设计与优化提供依据 并作为模型训练的数据 样本 参考文献 1 杨忠华 基于 ZigBee 技术的农业大棚环境监测控制系 统设计 J 乡村科技 2023 14 7 151 154 2 罗卫艳 高原大棚环境监测和控制系统设计 J 农业工程 技术 2022 42 13 44 47 3 戴子翀 温室大棚群环境监测与控制系统设计 C 中国 自动化学会过程控制专业委员会 中国自动化学会 2020 1 4 李康 基于物联网的温室大棚环境监测控制系统 J 信息 与电脑 理论版 2018 21 86 87 90 5 唐锴豪 温室大棚环境自动监测与控制系统的设计 J 科 技创新与应用 2021 11 13 37 40 44 参数 温度 湿度 RH 光照度 lux CO 2 浓度 ppm 平均值 22 65 8500 800 浮动范围 18 28 55 75 3000 14500 600 1200 日变化幅度 3 5 50000 150 表2 环境监测结果统计 评估指标 精度 稳定性 能耗 温度控制 1 超调量 3 较开环降 低13 湿度控制 3 RH 超调量 5 RH 较开环降 低10 光照控制 照度波动 10 调节时间 3min CO 2 控制 浓度波动 8 调节时间 5min 较开环降 低20 表1 环境控制系统效果评估 设施农业 上接第25页 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 61