基于PLC的智能农业现场监控系统设计分析
来源:用户上传
作者:王婷
摘 要 科技的发展不断革新现代农业的作业方式，当前智慧农业领域已经取得了巨大的发展，在智能农业现场（大棚、温室）可运用智能感知可靠传输和智能处理的系统理念，基于PLC控制器设计一种监控系统，通过大数据、云计算，对农业作物生长环境参数实时采集监控，并实行智能灌溉、精准施肥等，为用户提供可视化管理、智能化控制、科学化决策。基于此，分析基于PLC的智能农业现场监控系统的设计。
关键词 智能农业;PLC;监控系统
中图分类号：S126 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.27.092
随着现代农业产业化水平提升，根据传统的种植经验来制定农事管理的措施已显得不够精确，把现代控制技术、信息技术融入农事生产和管理中，搭建并完善智慧农业平台是有效实施乡村振兴战略的重要措施，是现代农业的一大发展趋势。在大棚、温室中，用智能农业监测系统将多信息融合技术应用于其复杂多变的微气候环境，可创建一个智能农业现场，实现农作物生长信息的多地实时监测与控制，并在专家系统辅助下，实现农业生产管理智能化实施。该类型监测系统采集信息全面，包括各类环境参数和作物的实时图像、视频，系统从信息的采集、转换到传输的全过程都是智能化处理，能实现远程传输和控制。
1 系统的总体设计
系统用传感器采集数据，包括塑料大棚或温室中环境参数（温度、湿度、土壤温度、土壤湿度、光照强度、土壤pH值、二氧化碳浓度等）的采集。以PLC作为控制核心，能识别并存储承载参数的电流信号，将采集的信息结合设定值，手动或自动驱动相应的执行器，实现作物生长环境的智能调节。组态软件用于生成人机交互界面，实施现场监控，PLC云网关模块不仅可以实现现场设备的远程控制，还能将PLC数据传送到专家系统和用户平台，一方面，经过大数据处理平台对信息进行实时分析，根据监测到的数据作出实时预警发送给用户或管理人员;另一方面，用户通过电脑或手机登录网站能对整个生产状况进行实时监测，有了情况后方便用户或管理人员及时进行处理。
系统的总体框架分三层结构，分别是信息采集通讯层、远程传输控制层、智能分析与控制层三个部分。
1.1 信息采集通讯层
在进行数据采集时，将空气温度传感器和湿度传感器、土壤温度传感器和湿度传感器等工作精度高、工作可靠的传感器安置于智能农业现场，采用多点测量，现场安装网络摄像头对作物生长、生产环境等情况进行视频监控，将采集数据与传输层设备进行交互和共享，数据采集与传输设备会自动周期性读取采集的温度、湿度等参数，结合实时现场图像，实现信息的可视化，管理的自动化。
1.2 远程传输控制层
主要对采集的数据进行周期性存储，为智能分析与控制层提供数据，由PLC、GPRS、通信模块、继电器等硬件模块组成，与Internet建立连接，实现数据的处理、远程传输和设备远程控制[1]。
1.3 智能分析与控制层
利用组态软件直观展示环境参数，远程或自动控制设备，全面实现人机交互、物物互联。数据传输至专家平台，经过大数据进一步分析处理，科学种植，精准施策。
2 系统硬件的选型
现场各类环境参数的采集依靠传感器，传感器要把各类信号成功采集到PLC，需匹配PLC输入接口并进行选型。常用的模拟量传感器分为两线制和四线制，当四线制传感器与PLC数据采集的模板输入通道连接，PLC只采集模拟信号，当两线制传感器与PLC数据采集的模板输入通道连接时，PLC的模拟输入模板的通道上还要向外输出一个直流24 V的电源，以驱动传感器工作。传感器可通过无线Zigbee連接，通过通信协议轮训式问答，实时对每台采集器数据的收集。
PLC控制器的选择应根据监测环境的规模、监测因子的选择、控制执行器的数量等确定系统的输入输出点数、存储容量、输出方式、通讯方式等，从经济、精度要求多角度考量选择相应的PLC及扩展模块，再确定相应的组态软件。
智能农业现场各执行机构来自控制柜及连接现场的控制设备，其系统组成和原理有所不同，包括遮阳系统、开窗系统、风机降温系统、灌溉系统、内保温系统等。系统可根据用户的需求和实际情况选择部署控制设备，也可根据栽培作物的品种、生长周期灵活设定自动控制目标，支持手动和自动控制模式。
PLC云网关模块可选用湖南华辰智通科技有限公司的HINET智能网关。该设备结合WIFI、以太网、4G等多种通讯方式，支持PLC远程监控、调试、上下载、控制，支持WINCC、组态王、力控等组态软件远程组态和远程监控。
本系统的电源配置根据设备的需求，配置220/380V交流电源和开关电源。PLC处理数据后发出控制信号驱动电气控制柜中的控制器件（包括接触器、继电器、变频器、电磁阀等）对不同电机实现功能控制。
3 系统软件的设计
3.1 PLC软件设计
PLC程序设计分主站控制和从站控制，主站主要用于环境参数的采集，因作物在每个阶段所需的温湿度、光照强度、灌溉量不同，用户或管理人员可以在组态软件上修改相应的参数设定值来对比实际环境参数监测结果，同时在人机交互界面中实时观察智能农业现场的各类参数情况，选择对设备自动或手动两种操作模式[2]。
手动模式操作：在组态界面中可选择设备启停按钮或其他操作。若PLC程序出现故障或失效时，也可以用手动模式启停设备。
自动模式操作：数据采集与设定值的比较参数正常则本次扫描周期结束，进入下一个循环，若参数超出设定的阈值范围，PLC自行驱动相应执行设备，控制灌溉系统、风机系统等设备工作，直到环境参数回到合理范围，设备自动停止运行，控制子程序回到主程序，等待下一个检测扫描周期。
智能农业现场是一个复杂的生态系统，系统中影响作物生长的环境参数较多，且参数受很多不确定因素的影响，同时各参数相互影响，共同作用，具有时变非线性的特点。智能农业现场的执行设备不止影响单一参数，对某一参数的调节需多设备同时工作，比如温度设定为25 ℃，当温度传感器的测量值高出环境温度的设定值时，PLC会驱动风机系统，一段时间后若风机不能降低温度，则会驱动湿帘水泵或开启通风口，又会使环境的湿度和光照度受影响。因此，可以根据作物的需求，设置环境参数的优先级，根据优先级设计程序，满足不同的需求[3]。 3.2 现场组态设计
应用组态子系统控制现场设备，可以实现多种监控内容。1）系统利用触摸屏直观显示PLC采集传输的环境参数及现场设备运行状态，实现远程监控;2）实时历史曲线、报表数据显示环境变化;3）工作方式（手动、自动）的切换，多种形式报警（适合不同场合需要）;4）通过GSM网络，实现短信监控，远程数据传输、故障诊断;5）精简数据，长期保存等。这样，数据具有可视化、存储化的特点，生成的图表可调取、传送、下载打印，控制参数在用户权限下方便调整修改，优化用户的管理。
3.3 远程云平台组态设计
远程监控的应用：针对农作物种植场地地域分散、距离遥远等特点，本系统采用HINET智能网关分层的B/S软件架构，在公司官网申请账号后登陆云平台，创建项目，上传PLC数据，关联到智能网关和云平台，用户能够通过浏览网站上系统提供的信息全面掌控地块情况，作出科学规划。
3.4 专家系统
经系统采集、分析处理后的信息还可以通过互联网管理平台将数据传递到农业管理部门、科研部门，可得到专家的指导。当判别环境数据有异时，系统可以通过网站或短信立即提醒用户及时采取科学的管理措施，通过系统分析，种植户可以及时发现传统经验不能判别的状况，比如农业气象灾害。
4 结语
本系統设计以传感器和PLC为监控核心，融合信息技术实现智能农业现场的创建和监测管理，通过对现场各种器件、设备和采集数据的合理支配与使用，打破空间和时间的限制，系统依据优化准则实现数据从采集到传输控制，再到智能分析应用，完备监控功能。在实际应用中，该系统有助于用户更准确地分析智能农业现场内在规律性和动态变化规律，从而进行合理、科学的调节，实现增产创收的目标。
参考文献：
[1] 肖进.高星星.王琢，等.基于PLC和物联网技术的设施农业智能监控系统探究[J].湖北农机化，2019（23）：150-152.
[2] 曾令培.基于PLC的智能农业温室大棚控制系统设计[J].农机装备研发，2017（10）：38-39.
[3] 范哲超，陆明.基于国产PLC的光伏供电温室控制系统设计与实现[J].江苏农业科学，2017，45（15）：225.
（责任编辑：赵中正）
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15354871.htm
