基于PLC 和物联网的现代农业温室监控系统设计

闫金鑫 白龙＊ 付东辉 熊峰 王仁杰

(牡丹江师范学院物理与电子工程学院，黑龙江牡丹江 157000)

温室监控系统技术是一项综合性的控制工程，它是现代农业植物学、环境控制学、计算机信息网络及监控管理学、自动控制等多种技术的综合应用。[1]建造农业温室监控系统主要宗旨是为了通过模拟和改善适于农作物健康成长的诸多环境和条件, 创造一种人工的室内环境以及消除各种外界对于作物健康成长所带来的环境影响和因素的不良条件, 这样才能够来有效地促进农村作物的健康成长,使温室能够克服外界气候的限制,促进各种植株的生长和发育,有效缩减农村作物的成熟周期,防治各种病虫害增加，提高了作物的产率从而获得可观的社会经济效益[2]。

1 系统总体设计

本文主要通过可编程控制器、组态王软件对温室监控系统进行设计，系统选用西门子的可编程控制器S7-200，传感器及型号选择BTR01066 型温湿度传感器、HS1101 型湿度传感器、GMD20 型CO2传感器、GVGR-T10GD 型光敏传感器。用GM5516 型光敏电阻对室内的温湿度、二氧化碳及氧气、光照度进行检测，采用德国西门子公司的SIMATIC S7-200 Micro 软件进行上位机软件程序的设计，上位机选用的是北京亚控科技有限公司的组态王kingview6.55 软件，它可以完成系统的大数据实时显示、参数设定、手动/ 自动切换、用户信息管理等功能。

2 系统硬件设计

采用西门子S7-200PLC 为系统硬件控制核心，通过温度传感器，湿度传感器，光照传感器，CO2浓度传感器，土壤湿度传感器，电导传感器来检测温室大棚内环境的参数，在通过传感器和变送器转成0～10V 或者4～20mA 的电信号，接可编程控制器的em231 模拟量输入模块，根据种植作物不同和作物生长周期不同，设定不同的参数，控制加热器，加湿器，开关窗，开关遮阳网，启动循环风机，启动排风风机，启动CO2补充阀，启动补光灯，启动施肥阀，启动滴灌阀等，控制温室大棚环境，满足作物生长需求。

喷淋式除草器主要作用之一就是为了保障室内农作物成熟所需水分和土壤中所必须的水分供应量是否充裕, 当室内温度偏高时,通过这种喷淋式除草器可适当地降低室内的温度;供暖系统主要是保证作物生长在最适合的温度环境下生长，当室内温度偏低时，供暖系统就会启动，通过电加热器和日照来提高温室内的温度；通风系统的作用是排除湿气和补充二氧化碳，也可调节温室内的温度。遮阳系统是用来保障室内光照的强度；施肥系统用来保障农作物的营养使其在最适合的土壤中生长[3]。

温湿度主要通开关量控制设备的启停，如环流风机、水肥水泵等，PLC 控制起保停电路，另一种就是通过不同的控制开关控制电机正反转的电路，主要有遮阳系统电路和开窗系统电路。自动操作程序以对温度控制系统进行实验,控制系统在上电后,首先要对系统初始化, 然后用手机读取传感器所测量的模拟数据,按键盘、开关等输出的温度值,将其中的温度值与所设定的温度值范围之间进行比较, 当其中的温度值小于或者低于设定温度下限时,关闭一个通风窗,打开遮阳窗,打开一个加热器进行加热,测量到的温度值要高于设定温度的上限时,关闭加热器,打开通风窗，关闭遮阳网。如果，室内光照低于光照设定值还需要打开补光灯进行补光操作。系统硬件机构如图1 所示。

3 系统软件设计

通过Portal 直接编写，西门子s7 -200 plc 来执行应用程序,该软件最方便的就是它支持了模块化的编程,可以把需要进行实现的各种特殊功能都编写成不同的模块, 既可以做到逻辑上的简单易懂,还甚至可以在需要进行修改的任务时候,直接打开一个相应的模块,具有针对性的完成修改任务, step 7 中提供了四种不同类型和功能的块,包括ob (组织块)、fb (功能块)、fc (功能)、db (数据块)。ob (组织块)控制器就是所有块里的主体块,只有控制器经由ob (组织块)进行编写后, 才可以由控制器cpu 进行读取并执行，FB(功能块)和FC (功能)是用来编写用户子程序或者函数的块，这两个块可以被主程序调用，也可以互相调用，DB (数据块)是用来保存信号信息和各种状态信息的块。PLC 控制流程图如图2 所示。

图1 系统硬件结构图

图2 PLC 控制流程图

4 上位机系统设计

本设计选用的是亚控科技有限公司的组态王软件来进行人机通讯。根据控制要求建立监控画面。建立了温度控制,温度显示和设置仪表;建立了湿度控制,湿度显示和温湿度设定的仪表;建立光照控制，光照显示和光照设定仪表；建立CO2浓度控制，CO2浓度显示和CO2浓度设定；建立土壤湿度控制，土壤湿度显示和土壤湿度设定；建立施肥控制，电导率显示和电导率设定仪表。建立各指示灯，指示温度，湿度，光照，CO2浓度，土壤湿度，电导率等高报警，低报警。建立画面切换按钮，用于切换画面。组态界面如图3 所示。

图3 系统组态界面

结束语

我国目前作为世界农业强国，但农业智能技术并不完善。随着农业设施智能化的发展，智能温室系统在农业生产中所占的比重将越来越大，高效、安全、便于操作、运行稳定性高的智能监控系统将逐步替代原有的传统温室。本系统设计方案通过应用PLC 和组态软件对各种智能化温室的温湿度、氧气浓度、光照强度等数据进行了自动调控, 满足了我国现代农业生产中所需要的温室智能化水平要求。