《温室大棚智能控制系统的设计与实现》9100字（论文）

温室大棚智能控制系统的设计与实现摘要温室大棚是用来培育作物的基础设施，可以人为地改变农作物所在的环境，从而创造一个全新的空间，温室大棚可以对抗季节的变化和恶劣的气候环境，制造出满足作物生长的空间。温室大棚是经济高效型农业的组成，智能温室也已成为农业研究的重要方向。文中主要介绍了以PLC为核心进行温室大棚系统设计，采用CO₂浓度传感器、光照传感器、温度传感器这些传感检测设备对温室中的每一项参数进行实时检测，将检测的数据送入PLC中，PLC进行数据对比并做出判断，从而控制外部设备调整温室大棚内的环境，从而实现了温室管控的智能化。通过PLC和传感器可以实现环境监测和数据对比，实现优良的人机界面，达到温室大棚的智能控制。验证结果表明，系统通过传感器检测温室大棚内的参数，可以达到对温室内环境调控优良，满足设计要求。关键词：温室大棚；传感器；可编程控制器PLC目录TOC\o"1-3"\h\u20481一、绪论 1108941.1研究背景及意义 1173201.1.1课题来源 262151.1.2国内外现状 2112841.2主要研究内容 3100871.3本章小结 43630二、总体设计方案 563442.1系统方案设计 583512.1.1设计要求 594352.1.2系统总体方案 5196672.2硬件设计 6243402.2.1硬件选择 6208022.2.2电路设计 8270362.3软件设计 10222262.3.1总体思路 1091062.3.2程序及软件流程图 1168072.4本章小结 133691三、系统调试验证 1456873.1验证内容 14192423.2验证过程 1494003.2.1硬件验证 14221553.2.2软件验证 15325143.3验证结果 1527766四、工作总结和展望 19139974.1工作总结 1993424.2展望 1922224参考文献 22一、绪论1.1研究背景及意义农业生产是我国经济构建的重要组成。在适宜的气候和生态环境下生长是培育农作物的重要条件和基本保障。我国幅员辽阔大部分地区都存在山多土地少、土质贫瘠营养成分低、土壤资源匮乏、阴雨寒冷天气较多等情况，这些不良的环境破坏了农作物的生长和产出。所以，我国农业智能化管控是今后农业的科技发展方向，而智能温室控制就能满足以上的要求。智能温室大棚就是制造一个使农作物茁壮生长的空间，它是由光照、温度、CO₂浓度等诸多环境参数组成的。智能温室主要控制温室中的温度，湿度和光照，使农作物可以在恶劣的气候和不良的条件中生长，从而增加农作物的品质。这样可以促进农作物的生长、减少农作物遭受病虫害的程度以及提高农作物经济效益的目的。现代化温室中拥有调控温室内的温度、光照、CO₂浓度等条件的设备，采用PLC作为总控制，人工创造出作物茁壮成长的环境。温室智能控制系统是一种用于管理的智能系统，二十一世纪自动控制技术和互联网传感器技术飞速发展在许多领域得到了推广和应用，农业也受其影响得以进一步发展。温室大棚控制系统通过大棚内安装的传感设备来检测温室内的温度、光照强度、CO₂浓度、土壤的温度等，传感器将检测的参数送入PLC，PLC通过数据对比分析做出响应，当温室内的环境参数偏离控制范围时，系统发出指令调控外部设备调整温室环境，保持温室环境稳定，农作物在人工创造的环境中生长提高作物出产量。智能控制系统将信息技术与自动控制传感技术结合起来，应用在农业上对现代农业做出改变，也是未来农业发展的具体方向。温室的建设就是为农作物的创造一片独立的空间，并利用科学技术改变农作物所在的环境，使其客服外部条件的约束，最终实现作物反季节出产，获得农业生产效益的结果。温室大棚中影响农作物的是温度的高低、光照强度的强弱、CO₂浓度的多少，所以温室大棚智能控制的就是要能对温度、光照强度、CO₂浓度进行监测和调控。1.1.1课题来源科技不断发展进步，自动控制技术传感技术在航天、工业、水利多个方面得到了广泛运用，农业也深受其影响，研究温室大棚及其运用也是农业的重要课题。在自动控制的环境下，各种稀有花木、反季节的果蔬等得以出现在人们的生活中。智能控制在温室大棚中的应用可以满足人们物质生活和精神的需要，同时也使智能控制在农业的生产方面得到发展。智能控制在农业领域的推广与运用，使农业生产变得简单高效，而更加成熟的自动控制技术与农业生产相结合也成为了重要课题。温室大棚用于建立适合作物生长的可控气象空间，使农作物可以反季节出现，改变农作物对自然环境的依赖提高人们的生活质量丰富人们的生活。温室大棚应用自动控制技术、传感检测技术、计算机互联网实现农业的智能化管控，大大提高了温室大棚的利用率，自动控制技术在农业生产、畜牧养殖、生态渔业等方面有着广泛的运用，为农业生产带来丰厚的经济效益。科学技术的深入探索为农业的研究和应用带来了更多的方法和方向。现代农业最重要的部分是运用自动控制技术控制温室内的参数。以农作物的自身适应性为基础创造适合其生长的环境，这是温室大棚智能化生产和管理的基本保证。1.1.2国内外现状1.1.2.1国内发展现状我国的农业建设也逐渐向自动化科技化迈进。目前，我国的农产品生产也已转变为优良高效的现代农业发展模式，改变了传统的耕作方式，并应用了一些现代技术，通过计算机等手段检测和控制农作物的生长。在此过程中，在温室中培育农作物最有效方法是建立可控且恒定的室内生长环境。温室种植不仅限于粮食、果蔬等作物的种植，也可以种植经济价值高的花卉、树苗等。随着我国科学不断进步现代温室技术也有了长足的发展，我国也建立了一个比较完善的现代科技产业链对温室建设进行指导。温室大棚的自动控制方面，我国通过科学研究和经验学习也取得了很多进步。我国一些公司引进美国生产的可以通风并保持温度的通风扇。我国还自主研发高性能的灌溉系统，湿帘和风扇相结合迅速降低温室温度的冷却系统，以及促进作物生长的二氧化碳发生器和空气补充系统，以微机监控系统为主体结合喷灌、施肥等外部设施综合应用。但我国一些温室控制系统常以单片机控制系统为主体，形成的的控制系统较为复杂，不能广泛用于大规模推广中，自动控制模式操作不便。目前，我国温室的管控手段还比较不足，温室种植园无法充分发挥温室的功能和最大作用。一些大型农业公司无法获得收益，从而使智能温室产业一体化的好处减少。而且在进行温室建设时，我国复杂的土地情况也不利于温室的建设和使用。1.1.2.2国外发展现状西方的国家温室智能建造起步较早。一些农业发达的西方国家美国、加拿大等，都使用电子计算机和通讯技术对温室进行控制，种植、培育和收割过程基本实现机械化和自动化。此后，控制技术随着互联网等多种通讯技术有了更多的发展。美国大豆小麦等农作物的种植方式已经出现了一个综合温室网络管理系统，该系统将环境气候调节、农田灌溉农药喷洒和农作物肥料供应于一体，通过传感器的输入和控制器的输出来调节各部分进行执行动作，以达到温室控制的经济化和高效化。以色列的农业生产在温室中运用计算机互联网等控制系统，使用优秀的温室建造结构进行温室内的温度和湿度控制，可自动调节温室内的环境因子。计算机传感器监控现场通过控制器连接通讯设备更加直观形象高效的调控灌溉和施肥系统，增加资源的使用效率。此外，国外建造和管理温室的方法也向智能化发展。结合遥测技术、通讯技术、传感检测技术、控制局域网技术综合应用极大提高农业的自动化进程。利用网络进行远程控制并连接有多个通讯平台，使用户直观形象的了解和控制温室的情况，极大地节约了人力资源。1.2主要研究内容本系统所要研究的内容是：通过温度传感器、光照强度传感器、CO₂浓度传感器实时接收温室中空气的温度、CO₂浓度及光照等参数，将收集的参数转变成物理量电信号送入PLC中进行数据对比做出判断，控制外部电气设备的启动和停止，达到调控温室环境的目的。通过控制使温室的参数保持稳定，使农作物能够在合适的条件中生长。本文主要以PLC为核心，用传感设备检测温室内的环境变化，信息传入GM235经信息转变送入PLC，PLC进行信息分析处理，输出端下达指令，驱动电路控制执行设备，然后实现智能温室控制，并具有良好的人机界面。控制系统主要实现3个闭环的控制过程：温室温度控制：温度低时，启用加热设备打开遮阳帘进行升温；温度过高，启动通风设备打开遮阳帘遮挡阳光进行降温。温室CO₂浓度控制：CO₂浓度不足是，开启CO₂发生器产生CO₂补足浓度。温室光照度控制：充足的光照可以促进作物生长，光照强度不足的时候，补光设备作为补充光源，光照充足时关闭设备。1.3本章小结本章论述了温室大棚对我国农业发展的影响。智能温室控制将是未来农业发展的方向，智能温室可以增产提高质量，降低农业生产所需要的成本。国内外的温室大棚的控制方式和智能程度进行了比较，了解温室大棚控制的方式和温室大棚的结构设施，最后介绍了研究的方向和内容。二、总体设计方案2.1系统方案设计2.1.1设计要求设计的温室大棚以控制管理更加精细化智能化为要求，使温室大棚控制轻松高效增产增量。设计方案是以PLC为核心的温室智能控制系统，该系统可以检测当前温室的温度、光照强度和CO₂浓度。当温室环境发生改变偏离设定范围，系统可以做出一系列响应改变温室环境，使得更加适合作物生长。温室大棚的设计以PLC为控制核心，通过温度传感器、光照传感器、CO₂传感器来检测温室内对应的参数信息，进行参数采集后将测量结果送入PLC中进行对比，PLC进行数据对比然后发出指令，控制温室的外部设备调整温室的参数，最终制造出适合作物生长的环境。2.1.2系统总体方案温室大棚总体设计是以PLC为核心，通过温度、光照、CO₂浓度传感器来实时监控温室内的参数变化，传感器不断采集数据通过信号转变将参数信息送入PLC进行数据对比，控制器控制外部设备调控温室环境，从而达到控制温室环境变化的目的。图2.1系统设计系统设计如图2.1，包括触摸屏、PLC控制器、光照强度传感器、温度传感器、CO₂浓度传感器、降温设备、升温设备、CO₂发生器、补光设备、遮光设备以及模拟量输入模块。图2.2硬件接线PLC接收各种传感器检测的数值，进行数据处理并做出判断，发出指令调控相应外部设备的启动和停止。降温设备为风扇和冷风机，用来降低温度；升温设备为热风机和加热器，用来升高温度；遮光设备为遮阳帘，用来控制温室的光照强度；补光设备为补光灯，用来补足光照强度；CO₂发生器产生CO₂，提高温室内的CO₂浓度。触摸屏作为人机交互界面记录检测参数，也可以根据农作物的生长需要自行输入参数值。硬件设施连接无误后通过step7-micro/win编程软件进行程序的编写，是由西门子公司研究开发功能强大，可以用梯形图、语句表进行编程。2.2硬件设计2.2.1硬件选择1.PLC控制器的选择S7-200系列在工业自动控制中最为常用。应用涵盖范围非常广泛，应用于与自动控制相联系的领域，包括很多机床、机器、电气设备等。S7-200系列CPU设备类型分为CPU221、CPU222、CPU224、CPU224XP和CPU226。一般自动控制系统中CPU设备类型选择为CPU224或CPU226，CPU224拥有较快的运算能力和较强控制力的控制器，而CPU226拥有更强的拓展能力和复杂的控制能力。本文中为温室大棚控制系统，对于控制系统的要求不高，而且根据控制系统所需的13输入和9输出的I/O点，CPU224正好符合设计要求，拥有足够的存储量和较强的控制能力性价比很高。2.温度传感器的选择温室大棚的温度范围为20℃~25℃，温室使用是农业需求，不需要高精度的温度测量，所选择的温度传感器是DS18B20型号的传感器。DS18B20型号的传感器接线简单，工人操作起来简单省时。对于外部环境的干扰抵抗力强体积小，适用于温室中的环境变化不被其干扰，测温范围为-10℃~+60℃，能够在温室大棚中进行温度检测。3.CO₂浓度传感器温室大棚的CO₂浓度设定范围为1000ppm~1500ppm，所选用的CO₂浓度传感器是红外型CO₂传感器CM1106，CM1106CO₂浓度传感器有稳定的性能和低功耗的特点，适用于农业温室大棚的使用。CM1106CO₂浓度传感器量程为400~2000ppm与设定值相契合，且CM1106CO₂浓度传感易于安装和操作价格适中适合农业安装使用。4.光照强度传感器温室大棚的光照强度设定范围为25000Lx（勒克斯）~30000Lx，所选用的光照强度传感器为HA2003光照传感器。HA2003光照传感器响应速度快，使用起来方便简单。体积小不受其他环境因素的影响，量程为0~70000Lx工作温度为-20℃～60℃与温室的温度相契合。5.CO₂发生器温室大棚CO₂浓度设定范围为1000ppm~1500ppm，所选用的CO₂发生器的为SS-ZFC-12型号的发生器，该发生器所产生的CO₂干燥纯净，不会影响温室内其他的环境参数，使用起来方便省心，且成本低廉不受外部环境的影响，出气均匀、纯度高，可以稳定的产生CO₂从而增加农作物的经济效益。6.模拟量输入模块EM235传感器收集信息后将信号转变为标准电流信号，而PLC输入是电流信号，因此需要模拟输入模块对其进行转变。在控制系统中有光照、温度、CO₂浓度三个输入信号，所以选择EM235模拟量输入模块。EM235模拟量输入模块拥有4个输入和1个输出，可以将传感器检测物理信息调整为标准信号，变送为4-20mA的DC电流，并连续传输至接收设备。模块使用DC24V的工作电源，工作过程稳定。2.2.2电路设计温室大棚的实验通过实验箱进行，所以输入端和输出端的I/0分配如表2.1和表2.2所示，其中输入端有9个按钮进行控制，3个传感器，1个单刀双掷开关控制遮阳帘的正反转，2个限位开关进行限位控制确保遮阳帘在到达上下位限制时电机自动停止工作，输出端9个接触器做出响应。表2.1系统输入端I/O分配表序号输入端信号符号01I0.0手动/自动旋钮SB102I0.1总启动按钮SB203I0.2总停止按钮SB304I0.3遮阳帘打开单刀双掷开关SB405I0.4遮阳帘关闭单刀双掷开关SB406I0.5通风扇启停按钮SB507I0.6热风机启停按钮SB608I0.7冷风机启停按钮SB709I1.0加热器启停按钮SB810I1.1补光灯启停按钮SB911I1.2CO₂发生器启停按钮SB1012I1.3遮阳帘开限位限位开关SQ113I1.4遮阳帘关限位限位开关SQ214AIW0温度传感器15AIW2光照传感器16AIW4CO₂浓度传感器表2.2系统输出端I/O分配表序号输出端信号符号01Q0.0遮阳帘打开接触器KM102Q0.1遮阳帘关闭接触器KM203Q0.2通风扇接触器KM304Q0.3热风机接触器KM405Q0.4冷风机接触器KM506Q0.5加热器接触器KM607Q0.6补光灯接触器KM708Q0.7CO₂发生器接触器KM809Q1.0启动指示灯接触器KM9风扇、加热器、CO₂发生器、热风机、冷风机、补光灯都属于开关设备，通过一个继电器来控制，主要控制电机通断。如图2.3为开关设备的电路原理图，SB1开关的是手动/自动功能交换。自动控制时按下SB2总启动开关，接触器KM9得电KM9常开触点闭合。KM9和M0.3闭合接触器KM5得电，设备开始运行，按下SB3总停止按钮于是接触器KM9失电设备停止。手动控制时按下SB6，接触器KM5得电设备开始运行，按下SB3设备停止运行。图2.3开关设备电路原理图遮阳帘是正反转设备，接触器控制遮阳帘电机的正反转；熔断器在电路中起到过电流保护应对短路的作用；热继电器可以对电机进行过载保护。如图2.4为遮阳帘的控制电路原理图，SB1为手动/自动切换开关，SB2为总启动开关，SB3为总停止开关。自动控制时按下SB2接触器KM9得电常开触点KM9闭合形成自锁，常开触点KM9闭合根据控制所需触点M2.2或M2.3闭合设备开始运行。手动控住时根据环境所需将双掷开关SB4打到所需的位置上设备开始运行。SQ1和SQ2为限位开当达限位值时断开，设备停止运行。图2.4遮阳帘电路原理图2.3软件设计2.3.1总体思路在控制系统的工作模式自和手动控制，自动模式为一般的运行状态，手动模式用于设备出现问题或检修过程。当系统在自动工作时，系统开始运行传感设备实时检测温室内的数值并将数据发送至PLC。温度传感器传回的数据大于设定值，则PLC控制外部设备风机和通风扇，吹冷空气并排出热空气降低温室内的温度降到合适范围设备停止运行；温度传感器传回的数据低于设定值，PLC控制的外部设备加热器和风机添加热空气，温室开始升温温度到达设定温度设备停止运行。光照传感器传回数据低于设定值，PLC控制外部设备关闭遮阳帘并打开补光灯通过灯光和日光提高光照强度；光照传感器传回数据高于设定值，PLC控制外部设备打开遮阳帘遮蔽日光。CO₂浓度传感器传回数据小于设定值，外部设备CO₂发生器启动开始补充CO₂。温室内传感器实时检测，使农作物稳定的生长。不同的温室作物具有不同的适应环境，所以所控制的值取中间区间作为设定值。作物生长所需温度要求大多数在20°C~31°C，本系统取值范围为20°C~25°C；光照强度单位为Lx（勒克斯），控制系统取光照强度取值为2.5万~3万Lx；夏季阳光最强烈时，光照强度达到7万~9万Lx，多云天气时0.1万~1.2万Lx。CO₂浓度单位为ppm，空气中含量为300-400ppm，作物生长所需的CO₂浓度为1000ppm~1700ppm，控制系统取的CO₂浓度值范围为1000ppm~1500ppm。2.3.2程序及软件流程图1.温度控制流程图，如图2.5所示图2.5温度控制流程图系统启动开始检测温度，温室温度参数通过传感器检测，检测值送入PLC进行数据对比并控制设备进行调控。传感器输出值低于设定值，温度太高需降低温度，冷风机和风扇启动开始降低温室内的温度，温度降到适合作物生长的范围；传感器输出值高于设定值，温度太低需升高温度，热风机和加热器启动开始升温，温度上升到适合作物生长的范围。2.光照强度控制流程图，如图2.6所示。图2.6光照强度控制流程图系统启动开始检测温室内的光照强度，温室的光照参数通过传感器检测，检测值由PLC进行数据对比并控制设备进行调控，当测量值大于设定值时即为光照强度过高需要遮光，遮阳帘启动从大棚顶落下遮蔽阳光；当测量值小于设定值时即为光照强度过低需要阳光，遮阳帘收起补光灯启动开始补足光照，光照强度到达设定的作物所需值时停止。3.CO₂浓度控制流程图，如图2.7所示。图2.7CO₂浓度控制流程图系统启动开始检测CO₂浓度，温室的CO₂浓度参数由CO₂浓度传感器检测输出值低于PLC设定的值，即为CO₂浓度不足，CO₂发生器工作开始补充CO₂，CO₂浓度到达设定的作物所需值时停止。编程软件选择了STEP7-Micro/WIN32编程软件，该软件是由西门子为S7-200所研发设计的，功能十分强大可以监控程序运行状态。2.4本章小结本章介绍了智能温室系统的方案设计、硬件选择设计、软件选择设计和电路设计。选择合适的硬件设备，设计软件的参数和流程图，用编写软件编写程序，使得控制系统得以正常运行。三、系统调试验证3.1验证内容本文实验通过实验箱进行验证，但实验设备有限硬件不足缺少模拟量采集模块，所以验证执行部分是温度调试、光照强度调试和.CO₂浓度调试。主要验证内容为：1.温度调试，温度高于或低于设定的值时降温和升温设备是否启动。2.光照强度调试，当光照强度不足或太强时补光设备和遮光设备是否启动。3.CO₂浓度调试，当CO₂浓度不足时CO₂发生设备是否启动，寻找系统中存在的问题并及时解决。3.2验证过程3.2.1硬件验证电源检查和元器件极性测试，使用+5VDC电源，并通过万用表检测元器件引脚的电压值和极性是否处于正确范围。发现错误及时检查排除并加以更改，正确使用元器件。断开电源，按照顺序安装元器件，接通电源后检查数值是否正确。3.2.2软件验证通过实验室的实验箱验证，以输出区的指示灯作为实验的验证结果。用电缆将实验箱与计算机相连接，将STEP7编写的程序编译无误后导入实验箱中。由于输出接口不足，分批次进行实验验证。图3.1编译正确通过I/O分配表进行接线将输入端接好开关，输出端连接指示灯。PLC处于运行状态，接线检查无误后开始进行验证。打开总启动开关指示灯点亮，系统进入运行状态。先进行温度验证如图3.3图3.4，指示灯Q0.1为风扇开启，Q0.2为风扇关闭，Q0.3为冷风机，Q0.4为热风机，Q0.5为加热器。当温度过高时按下开关I0.1代替传感器指令，通风扇和冷风机开始工作，指示灯点亮设备正常运行；温度低时按下I0.2代替传感器指令，加热器和热风机开始工作，指示灯点亮设备正常运行。图3.2系统开始工作图3.3温度过高风扇和冷风机启动图3.4温度过低热风机和加热器启动进行光照强度验证如图3.5图3.6，指示灯Q0.1为遮阳帘打开，Q0.2为遮阳帘关闭，Q0.3为补光灯启停。光照强度过高时按下I0.1代替传感器指令，遮阳帘打开遮蔽阳光，指示灯点亮设备正常运行；光照强度不足时按下I0.2代替传感器指令，遮阳帘关闭或处于关闭状态补光灯开始补光，指示灯点亮设备正常运行。图3.5光照过强遮阳帘启动图3.6光照不足遮阳帘关闭补光灯启动进行CO₂浓度验证如图3.7，指示灯Q0.1为CO₂发生器启停。作物进行光合作用吸收CO₂制造氧气，所以不考虑CO₂浓度过高的情况。CO₂浓度不足时按下I0.1代替传感器指令，CO₂发生器启动开始补充CO₂，指示灯点亮设备正在运行。图3.7CO₂浓度不足CO₂发生器启动3.3验证结果通过对于控制系统的硬件和软件的综合调试，编程程序正确无误，系统得以正常运行，控制系统基本完成了预期目标。四、工作总结和展望4.1工作总结在整个设计文章中，首先讨论了温室的概述和工作原理。其次，讨论了温室自动控制的工作原理和设计图，以及硬件选择设计、软件选择设计和系统电路设计，然后讨论了智能温室控制系统的调试和检查。查找设计中的不足之处，不断完善系统的设计，最后总结了宝贵的经验和设计中遇到的问题。智能温室控制系统可以改变农业生产的方式方法，它是在一般培育作物的温室上结合自动控制技术、互联网技术、传感器技术等科学手段来实现的。节省了人力资源提高了经济效益。智能温室所需要监控调整的对象是温度、光照强度、CO₂浓度。通过传感器实现对这些环境因素进行检测，得到的参数与设定好的参数进行比较，从而判断是否采取自我调节的闭环控制。温室大棚智能控制系统使用西门子S7-200系列PLC，完成温室大棚智能控制的方案设计。控制系统使用两种操作模式：手动和自动。自动模式是正常工作状态，而手动模式是处理故障排除其他异常情况。在自动工作模式下，传感设备对温度、光照、CO₂浓度等影响作物生长的数值进行检测通过PLC进行数据对比做出判断，发出指令调控温室环境参数，使温室环境始终处于最合适的状态，从而提高农作物的产量带来更多的经济利益。