基于PLC的设施蔬菜环境监控系统设计与应用_王晋宁

·研究与开发·

农业网络信息

AGRICULTURENETWORKINFORMATION

2013年第11期

基于ＰＬＣ的设施蔬菜环境监控

系统设计与应用

潘大丰，杨方王晋宁，

(山西省农业科学院农业科技信息研究所，山西太原030031)

摘

要：针对设施蔬菜环境难以把握、难以调控的问题，采用工控化思想，综合利用自动化、通讯工程等技术，设计一

套基于PLC的环境监控系统，实现了设施蔬菜环境监测信息化、环境调控自动化。实践证明该系统能降低病虫害发生概率、降低水肥药投入成本和人力管理成本，是实现设施蔬菜优质、高产、高效的有效技术手段。关键词：设施蔬菜；PLC；环境监控；物联网中图分类号：S126

文献标识码：A

文章编码：1672－6251（2013）11－0032－03

DesignandApplicationofProtectedVegetableEnvironmentMonitoringSystemBasedonPLC

WANGJinning,PANDafeng,YANGFang

(AgriculturalSci-TechInformationInstituteofShanxiAcademyofAgriculturalSciences,ShanxiTaiyuan030031)Abstract:Inordertosolvethegeneralproblemsofthedifficultyonregulatingandcontrollingenvironmentofprotectedvegetableproduction,thispaperadoptsindustrialcontrolideology,anddesignedasetofenvironmentmonitoringsystembasedonPLCwithAutomation,CommunicationEngineeringtechnology,whichcouldimplementinformatizationandautomationofenvironmentmonitoring.Theresultindicatesthatthesystemwillreducetheprobabilityofoccurrenceofpestsanddiseases;anddecreasesinputofwater,fertilizer,pesticide,andhumanmanagementcost,soitistheeffectivetechnicalmethodforimplementationofhighyield,highqualityonprotectedvegetableproduction.

Keywords:protectedvegetableproduction;PLC;environmentmonitor;Internetofthings

设施蔬菜不同生长阶段有着不同的环境要求，空气温湿度、CO2浓度、光照度等是影响设施蔬菜健康生长的重要环境因子，健康的设施生态环境不但有利于产出优质高产的绿色蔬菜，而且能有效降低病虫害的发生概率，减少设施管理投入成本，对于提高设施蔬菜经济效益有着重要作用。该系统主要集成传感器、PLC、DTU等硬件，利用组态软件搭建环境监控平台，实现设施蔬菜环境本地化、远程化智能监控，为菜农提供一个易学易用的设施环境智能化管理平台，助推菜农增收。

温湿度、土壤墒情等传感器)实现对设施环境因子的感知、识别和采集，利用RS485总线通讯方式，将采集的信息与传输控制层中的设备进行资源共享与交互。传输控制层集成PLC、GPRS、继电器等硬件模块，承担感知层采集信息的处理、传输、设备控制等工作，并通过GPRS与Internet建立可靠连接，实现与应用层的数据传输。应用层实现设施环境信息的直观展示、分析处理和决策工作，利用组态软件搭建设施蔬菜环境监控系统，实现物与物、人与物之间互联，如图1所示。

1系统架构

本系统设计基于物联网三层架构，即：感知层、

2

2.1

主要硬件

PLC

PLC（ProgrammableLogicController），中文名称

传输控制层、应用层。感知层通过环境传感器(空气

基金项目：山西省星火项目（编号：20120510044-1）。

作者简介：王晋宁(1984-)，男，学士，研究实习员，研究方向：计算机应用技术。通信作者：潘大丰，男，本科，研究员，研究方向：农业信息技术。收稿日期：2013-11-04

—32

《农业网络信息》2013年第11期

研究与开发

2.3DTU

DTU(DataTransferUnit)，中文名称“数据传输单元”，主要功能是实现串口格式数据与IP格式数据之间的相互转换，再通过无线通信网络进行传送，在现场串口设备与远程服务器之间建立一个透明的数据通道。采用的DTU接口为RS485，与224XPCNCPU其中一个RS485接口连接，内置一个SIM卡，使用

图1设施蔬菜环境监控系统三层架构示意图

GPRS流量实现现场PLC设备与远端服务器的数据交互，包括环境因子信息、控制指令等数据。

“可编程序控制器”，是在继电顺序控制基础上发展起来的以微处理器为核心的通用的工业自动化控制装置[1]。PLC采用了典型的计算机结构，主要由微处理器（CPU）、存储器（RAM/ROM）、输入输出接口（I/O）电路、通信接口及电源组成。

2.4触摸屏

考虑到系统使用的直观性、友好性、易操作等，

在实现设施蔬菜环境本地监控功能时，在控制箱上集成安装液晶触摸屏，并提供菜单式管理功能，主要用于实时动态显示温室各项环境指标，通过触摸相应功能按钮可以控制温室辅助设备(风机水帘、卷帘等)。触摸屏选用北京昆仑通态公司的人机界面产品

PLC按控制等效电路可分为三个部分：输入部分、输出部分及控制部分[2]。输入部分主要负责采集外部指令及设备状态，以使CPU作出判断，输出部分主要任务是将CPU的运算结果向外部输出，根据控制程序的执行结果直接驱动相应负载，控制部分是由用户自行编写的PLC控制程序[3]。

为保障系统运行稳定可靠，选用西门子SIMATIC

TPC7062Hi，该产品是一套以嵌入式低功耗CPU为核心(主频600MHz)的高性能嵌入式一体化触摸屏，设计采用了7英寸高亮度TFT液晶显示屏(分辨率800×

480)，四线电阻式触摸屏(分辨率1024×1024)。TPC7062Hi通过RS485接口与224XPCNCPU建立连接，实现数据交互。

S7-200产品，S7-200系列可编程序逻辑控制器的应用已非常成熟，能够控制各种设备以满足自动化控制需求。设施蔬菜环境监控系统主要采集空气温湿度、

3软件

3.1组态软件

在本地监控环境中，选用MCGS(monitorand

CO2浓度、土壤温湿度、光照度等六个环境因子，根据环境变化来控制卷帘、补光灯、水泵、上下风口、水帘风机等七个对象。基于以上需求，针对1个设施蔬菜，使用1个224XPCNCPU，该型号具有能提供数字量14输入/10输出、2个RS-485接口、最大允许7个扩展I/O模块等特点，完全能够满足系统需求，扩展模块使用2个PLCEM235，共实现8路模拟量输入、2路模拟量输出。

controlgeneratedsystem)组态软件，基于WINCE操作系统，该软件是北京昆仑通态公司推出，以实时数据库为核心，能提供各种标准设备驱动程序，可与各种工控设备连接，包括上述的西门子CPU、PLC扩展模块等。系统最终界面如图2所示。

2.2传感器

在传感器选型方面，选用北京华宇展业科技有线公司产品，核心芯片单元为瑞士原装。各传感器主要技术参数如下：空气温度测量范围-40℃~120℃，测量误差±0.5℃；空气湿度测量范围0~100%Rh，测量误差±3%Rh；光照度测量范围0~20000Lux，测量误差

±5%Lux；土壤湿度测量范围0~100%Rh，测量误差±3%Rh；土壤温度测量范围-30℃~120℃，测量误差:±0.2℃；CO2浓度测量范围0~5000ppm，测量误差±50ppm。

图2设施蔬菜本地环境监控(基于MCGS)界面

在远程监控环境中，为了实现基于B/S架构的浏览器模式，选用力控(ForceControl)组态软件，

该软

—

《农业网络信息》2013年第11期

研究与开发

件具有实时数据库及其管理系统、Web门户工具、保暖措施。”）。

OPC等功能组成，可以实现现场数据采集、实时和历史数据处理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、趋势曲线和报表输出等功能。力控组态软件是在自动控制系统监控层一级的软件平台，它能同时和国内外各种工业控制厂家的设备进行网络通讯，它可以与高可靠的工控计算机和网络系统结合，便可以达到集中管理和监控的目的，同时还可以方便的向控制层和管理层提供软、硬件的全部接口，来实现与“第三方”的软、硬件系统集成[4]。系统最终界面如图3所示。

4.3自动开关补光灯、卷帘等设备

通过编程设置PLC计时器、装配行程开关，实现对补光灯、卷帘等设备的自动开关，菜农可自行设置延时开关条件。

4.4设施蔬菜环境数据统计功能

“设施蔬菜环境监控系统”实时连续记录温室环境因子数据，并存储在SQLServer数据库中，提供实时数据、历史数据查询等功能，并以曲线、柱形图等多种形式展示。

5运行情况

设计的设施蔬菜环境监控系统已在太原市小店区孙家寨三个温室得到应用，系统运行稳定可靠，菜农可通过控制箱或电脑实时查看、控制温室环境，极大地方便了菜农管理，得到了当地菜农的普遍认可。其中，应用监控系统的一个育苗温室，自2013年农历正月初五育出第一茬菜苗，截至2013年7月份，已

图3设施蔬菜远程环境监控(基于力控)界面

累计育出1000余万株，为孙家寨、杜家寨、贾家寨等周边乡村和清徐、祁县、文水、寿阳等地菜农提供了优质菜苗，实现经济效益100多万元。实践证明，设施蔬菜环境监控系统能提升设施管理集成度、信息化、智能化水平，有效预防病虫害等灾害发生，降低劳动强度和生产成本，是设施蔬菜高产、高效、健康发展的有力保障，是实现菜农增产增收的有效途径。

3.2STEP7

在具体编程工作中，包括调试PLC、传感器、继

电器等硬件设备，以及实现定时开关等功能时，采用西门子PLC配套编程语言STEP7。它适用于SIMATIC

S7-300/400等PLC产品，具有硬件配置和参数设置、通讯组态、编程、测试、启动和维护、文件建档、运行和诊断功能等功能，囊括了自动化项目中从项目的启动、实施到测试以及服务，每一阶段所需要的全部功能。

6结束语

利用工业化、信息化先进技术手段对当前设施蔬菜管理方式进行改造升级是十分必要的，PLC是实现这一转变的有效技术手段，相对于单片机、嵌入式系统具有更高的集成度、稳定性。下一步工作将结合各种蔬菜生长特性，探索其生长各关键阶段如:定植期、缓苗期、开花结果期所需的理想环境指标，建立生态环境数据库，构建环境预警机制，实现设施蔬菜病虫害智能监测预报功能。

4系统功能

4.1本地监控设施蔬菜环境

菜农通过温室控制箱上的触摸屏实时查看各项环境指标，根据温室实际情况实现对卷帘、补光灯、水泵、上下风口、水帘风机等温室设备的控制（触摸或机械开关两种方式）。

4.2远程监控设施蔬菜环境

利用Internet网络，可在山西省农业科学院网络中心搭建的“设施蔬菜环境监控系统”上，实时查看温室空气温湿度、土壤温度、土壤墒情、光照、CO2浓度等环境指标，并在必要可点击鼠标控制温室辅助设施。当环境变化异常时，系统第一时间向菜农手机推送预警信息，提醒菜农采取管理措施（例如:“监测到您的草莓温室温度低于13℃，建议放下卷帘，做好

参考文献

[1]周兰.基于DSP和CPLD的无位置传感器无刷直流电动机控

制系统[J].自动化信息,2010,(6):46-47.

[2]刘佳.基于PLC+ARM的仓库环境监控系统设计[J].无线互联

科技,2012,(4):57-58.

[3]石明江,张禾.基于力控组态软件的远程过程控制实验系统设

计[J].微计算机信息

,2011,(27):57-59.

—34