基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC的園藝育苗監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計.pdf

第39卷第3期 2023年3月 商丘師范學(xué)院學(xué)報 JOURNAL OF SHANGQIU NORMAL UNIVERSITY Vol 39 No 3 Mar 2023 收稿日期 2022 03 18 修回日期 2022 05 27 基金項目 滁州學(xué)院創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目 自動化系統(tǒng)集成綜合設(shè)計與訓(xùn)練 2021cxcykc04 滁州學(xué)院創(chuàng)新訓(xùn)練計劃資助項目 基 于PLC的養(yǎng)殖環(huán)境多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 2021CXXL055 溫室大棚智能灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計 2021CXXL060 作者簡介 王祥傲 1983 男 安徽滁州人 滁州學(xué)院講師 博士 主要從事電氣自動化技術(shù)的研究 基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC的園藝育苗監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 王祥傲 張國棟 王帥康 徐昊 郭建勇 滁州學(xué)院機械與電氣工程學(xué)院 安徽滁州239000 摘 要 傳統(tǒng)園藝育苗采用人工管理方式 人力資源消耗大且不利于規(guī)?；N植 設(shè)計了以PLC Programmable Logic Controller 為核心的監(jiān)控系統(tǒng) 采用PID自整定方式控制儲罐液位 實現(xiàn)自動施肥和溫濕度控制 上位機 智能 網(wǎng)關(guān)和PLC通過交換機連接 上位機運行組態(tài)王軟件 實時監(jiān)控現(xiàn)場運行狀態(tài)并利用Access數(shù)據(jù)庫保存數(shù)據(jù) 智能 網(wǎng)關(guān)內(nèi)置Node RED物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序 將現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)實時上傳至騰訊云平臺 用戶通過智能手機等移動終端實 現(xiàn)對現(xiàn)場的遠(yuǎn)程監(jiān)控 擺脫地域限制 有效降低人工成本 關(guān)鍵詞 育苗 PLC 組態(tài)王 智能網(wǎng)關(guān) 物聯(lián)網(wǎng) 中圖分類號 TP273 5 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1672 3600 2023 03 0025 05 Design of horticultural seedling monitoring system based on IoT and PLC WANG Xi n o ZHANG Guodon WANG Shu ik n XU H o Guo Ji nyon School of Mechanical and Electrical Engineering Chuzhou University Chuzhou 239000 China Abstract Traditional horticultural seedling raising adopts manual experience management which consumes a lot of human resources and is not conducive to large scale planting The monitoring system with PLC Programmable Logic Controller as the core is designed and the PID self tuning method is used to control the tank liquid level to realize automatic fertilization temperature and humidity control The upper computer intelligent gateway and PLC are connected through the switch The upper computer runs Kingview software to monitor the on site operation status in real time and save data by using access database The intelligent gateway has a built in node red internet of things application to upload the on site operation data to Tencent cloud platform in real time Users can realize the remote monitoring of the site through smart phones and other mobile terminals get rid of regional restrictions and effectively reduce labor costs Key W ords grow seedlings PLC kingview intelligent gateway IoT 作為世界上人口數(shù)量最多的國家 我國有近2億的農(nóng)業(yè)從業(yè)人員 但年糧食進口量占比超過20 位居世界第一 農(nóng)業(yè)現(xiàn) 代化水平較高的美國 農(nóng)業(yè)從業(yè)人口占比不到1 出口糧食占世界糧食出口總量的34 以上 以色列2 2 的農(nóng)業(yè)從業(yè)人口 不僅滿足本國農(nóng)產(chǎn)品消費需求 還向歐洲出口大量冬季蔬菜 日本為了解決本國農(nóng)業(yè)從業(yè)人口高齡化和勞動力不足的問題 大力推廣農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng) 極大提高了生產(chǎn)和流通效率 荷蘭陸地國土面積僅為3 5萬km2 創(chuàng)造的農(nóng)業(yè)產(chǎn)值占全球10 左右 1 與發(fā)達國家相比 我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)沿用傳統(tǒng)的精耕細(xì)作方式 主要依賴人工勞作 不僅投入高 產(chǎn)出低 而且過度用水 施肥 已經(jīng)造成嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)用水危機和環(huán)境污染 2 發(fā)展智慧農(nóng)業(yè) 降低人工成本的同時提高精細(xì)化 自動化種植水平是破解困局 的關(guān)鍵 育苗移栽是許多觀賞植物和綠化植物種植的必需階段 現(xiàn)代種植業(yè)中水肥一體化技術(shù)是重要手段 3 目前 國內(nèi)生產(chǎn)的 輕簡水肥一體化設(shè)備雖然成本低 但是存在水肥配比精度低 對自然條件要求高等問題 國外生產(chǎn)的高端水肥一體化設(shè)備的 控肥精度雖然高于國內(nèi)的設(shè)備 但是操作人員必須具備一定的專業(yè)知識 在種植業(yè)的實際推廣應(yīng)用過程中暴露出成本高 操 作復(fù)雜 維護難度大等問題 造成高端水肥一體化設(shè)備在種植業(yè)生產(chǎn)中難以大規(guī)模推廣 4 5 針對國內(nèi)外關(guān)于種植業(yè)水肥一體化設(shè)備的應(yīng)用以及我國目前種植業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)的水肥利用率低 人工耗用量大 施肥不 當(dāng)造成環(huán)境污染等問題 將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用于生產(chǎn)過程 6 7 設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)園藝育苗監(jiān)控系統(tǒng) 由PLC 上位機 智能 網(wǎng)關(guān) 騰訊云平臺和遠(yuǎn)程移動終端等設(shè)備組成 PLC根據(jù)傳感器檢測的溫濕度信號精準(zhǔn)控制育苗大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù) 上位機采 用組態(tài)王設(shè)計監(jiān)控軟件 并利用Access數(shù)據(jù)庫保存運行數(shù)據(jù) 智能網(wǎng)關(guān)運行Node RED物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序 建立云平臺與PLC 的通信連接 移動終端通過騰訊云可以不受地域限制的實現(xiàn)對育苗過程的遠(yuǎn)程監(jiān)控 1 園藝育苗監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 園藝育苗監(jiān)控系統(tǒng)用于圖1所示的苗圃大棚 主要設(shè)施包括儲水罐 液態(tài)肥儲罐 用于調(diào)節(jié)液位的比例閥 噴淋電磁閥和 微噴頭 溫濕度變送器和液位變送器 溫濕度變送器采集大棚內(nèi)的環(huán)境溫濕度 濕度低時啟動儲水罐的噴淋電磁閥 通過微噴 頭噴水的方式控制濕度在適宜范圍內(nèi) 根據(jù)設(shè)定的施肥量和施肥時間 啟動比例閥將水和液肥充分混合后向苗圃內(nèi)施肥 液 位變送器實時檢測罐體內(nèi)的液位高度 確保各罐體內(nèi)的儲存量在合理范圍內(nèi) 為了提高園藝育苗生產(chǎn)過程的自動化水平 降低對人工經(jīng)驗的依賴和人力資源成本 針對上述苗圃大棚的控制需求設(shè)計 了圖2所示的監(jiān)控系統(tǒng) 考慮到系統(tǒng)運行的長期性和可靠性 選用可編程邏輯控制器PLC作為現(xiàn)場控制器 接收溫濕度變送 器 液位變送器的檢測信號 根據(jù)用戶設(shè)定值控制比例閥 微噴頭和指示燈的運行 上位機 智能網(wǎng)關(guān)經(jīng)以太網(wǎng)交換機與雙向 PLC通信 上位機運行組態(tài)王監(jiān)控軟件和Access數(shù)據(jù)庫 監(jiān)控現(xiàn)場運行狀態(tài)并將PLC上傳的運行數(shù)據(jù)存于數(shù)據(jù)庫 用于歷史 查詢 智能網(wǎng)關(guān)內(nèi)置Node RED物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序 將現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)發(fā)送至騰訊云平臺 用戶通過智能手機等移動終端可以遠(yuǎn) 程查看現(xiàn)場運行狀態(tài) 并可以發(fā)送控制指令給PLC 從而實現(xiàn)不受地域限制的遠(yuǎn)程監(jiān)控 圖1 苗圃大棚內(nèi)部裝置結(jié)構(gòu)示意圖 圖2 園藝育苗監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu) 2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計 通過對現(xiàn)場設(shè)備開關(guān)量 模擬量信號的統(tǒng)計 園藝育苗監(jiān)控裝置共有4個DI 4個DO 5個AI和3個AO I O分配如表1 所示 表1 控制系統(tǒng)I O分配表 輸入注釋輸出注釋 I0 0施水開啟Q0 0施水電磁閥 I0 1施肥開啟Q0 1施肥電磁閥 I0 2施水停止Q0 2施水指示燈 I0 3施肥停止Q0 3施肥指示燈 AIW0當(dāng)前溫度QIW0水罐比例閥 AIW2當(dāng)前濕度QIW2肥罐比例閥 AIW4水罐液位QIW4混合罐比例閥 AIW6肥罐液位 AIW8混合罐液位圖3 PLC端子接線圖 根據(jù)IO分配和系統(tǒng)的功能選用西門子S7 1200系列中的CPU1214C型PLC作為現(xiàn)場控制器 S7 1200系列PLC具有 集成度高 可擴展性強 性價比高的優(yōu)點 其CPU本體集成的數(shù)字量輸入輸出點即可滿足設(shè)計需要 且留有充足的裕量 便于 功能擴展 具有以太網(wǎng)通信接口 方便組網(wǎng) 根據(jù)I O分配表和選型結(jié)果設(shè)計如圖3 圖4的硬件接線圖 圖3為CPU1214C本體的開關(guān)量接線圖 62商丘師范學(xué)院學(xué)報 2023年 由于電流信號抗干擾能力強 傳輸距離遠(yuǎn) 故模擬量采用電流信號 因為CPU本體集成的模擬量輸入點不支持電流型信 號輸入 所以采用模擬量輸入擴展模塊SM1231采集溫濕度和液位信號 該模塊有8個4 20 mA電流信號輸入的模擬量通 道 采用模擬量輸出擴展模塊SM1232對比例閥進行控制 該模塊有4路4 20 mA電流信號輸出的模擬量通道 圖4 模擬量擴展模塊接線圖 圖5 園藝育苗水肥噴淋PLC控制程序流程圖 3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計 3 1 PLC控制程序設(shè)計 園藝育苗水肥噴淋控制流程如圖5所示 PLC實時采集溫濕度作為溫濕度控制的依據(jù) 施水的間隔時長和單次施水時長 均由苗圃現(xiàn)場的實際需要進行預(yù)設(shè) 規(guī)律的間歇性施水為苗圃提供了溫濕度與微環(huán)境保障 系統(tǒng)也考慮了天氣突變等原因引 起的高溫 低濕 低溫 高濕所應(yīng)做出的示警功能 改變施水動作進而控制濕度 苗圃施肥的參數(shù)由操作人員根據(jù)實際需要通過上位機或移動終端遠(yuǎn)程設(shè)定 以便對所種植的苗木品種變化時或肥料種 類變化時做出相應(yīng)的施肥參數(shù)修改 可遠(yuǎn)程設(shè)定的參數(shù)有施肥時長 水肥混合比例以及施肥間隔天數(shù) 苗圃現(xiàn)場的PLC控制 儲水罐和液肥罐的比例閥將水 肥按照設(shè)定的比例充分混合后進入混合罐 混合液通過施肥電磁閥為苗圃施肥 儲水罐和混合肥儲罐的液位采用PI自整定控制方式調(diào)節(jié) 以儲水罐液位的調(diào)節(jié)為例 圖6所示為PI自整定控制程序及 控制參數(shù)設(shè)置 在PID參數(shù)設(shè)置界面中將I O參數(shù)設(shè)定為模擬量 過程值的上下限設(shè)定為0 100 先調(diào)節(jié)PID參數(shù)設(shè)置 中的比例 初始設(shè)為2 m 在設(shè)定液位與當(dāng)前液位基本相等時 根據(jù)穩(wěn)態(tài)誤差的大小對積分時間進行調(diào)節(jié) 當(dāng)水罐液位接近穩(wěn) 態(tài)時再投入自整定功能得到最優(yōu)的控制效果 圖6 PI自整定控制程序及參數(shù)設(shè)置 3 2 上位機監(jiān)控軟件設(shè)計 3 2 1 組態(tài)王監(jiān)控軟件設(shè)計 采用組態(tài)王作為上位機監(jiān)控軟件 作用是實時監(jiān)控現(xiàn)場各運行參數(shù) 實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化 并將數(shù)據(jù)存儲于數(shù)據(jù)庫 PLC與組 態(tài)王軟件之間采用以太網(wǎng)通信 圖7所示為組態(tài)王與PLC建立的通信連接 與PLC的通信連接成功后 在組態(tài)王中建立數(shù)據(jù)詞典 并設(shè)計監(jiān)控畫面 包括主監(jiān)控畫面 液位趨勢曲線畫面 實時報表 畫面和數(shù)據(jù)庫查詢畫面 圖8所示為主監(jiān)控畫面 設(shè)置有控制按鈕 運行指示 并可以通過畫面切換按鈕轉(zhuǎn)換到其他功能畫面 72 第3期 王祥傲 等 基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC的園藝育苗監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 圖7 以太網(wǎng)通信連接設(shè)置 圖8 上位機主監(jiān)控畫面設(shè)計 3 2 2 數(shù)據(jù)庫應(yīng)用設(shè)計 上位機的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)保存于Access數(shù)據(jù)庫中 方便用戶進行歷史查詢 上位機需安裝Access數(shù)據(jù)庫軟件 并通過 ODBC訪問接口的用戶DSN連接 建立與組態(tài)王的通信連接 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲與查詢 ODBC數(shù)據(jù)源的建立如圖9所示 然后在組態(tài)王的SQL訪問管理器中利用SQL結(jié)構(gòu)化查詢語言建立表格模板和記錄體 建立組態(tài)王與Access數(shù)據(jù)庫的變 量關(guān)聯(lián) 創(chuàng)建的表格模板如圖10所示 圖9 建立ODBC數(shù)據(jù)源 圖10 數(shù)據(jù)存儲表格模板 3 3 移動終端監(jiān)控軟件設(shè)計 智能網(wǎng)關(guān)IOT2040內(nèi)置有Node RED開發(fā)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序 實現(xiàn)智能手機等終端設(shè)備對PLC的遠(yuǎn)程訪問和控制 圖 11所示為Node RED編寫的監(jiān)控程序 圖11中 園藝育苗PLC 節(jié)點建立與PLC的通信連接 數(shù)據(jù)上報 節(jié)點讀取PLC相 關(guān)寄存器的數(shù)據(jù)并經(jīng) Tencent IoT Publish 節(jié)點上報至騰訊云平臺 智能手機通過 騰訊連連 小程序接入騰訊云即可監(jiān)視現(xiàn) 場運行狀態(tài) 智能手機下發(fā)的控制指令經(jīng) Tencent IoT Subscribe 節(jié)點發(fā)送給PLC 實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制 表2為Node RED上傳至 騰訊云的數(shù)據(jù)和智能手機下發(fā)的指令列表 表2 數(shù)據(jù)上報 指令下發(fā)分配表 數(shù)據(jù)上報注釋指令下發(fā)注釋 Apply Fertilizer施肥開啟Apply Fertilizer施肥開啟 Temperature當(dāng)前溫度Fertilization time施肥時間 Humidity當(dāng)前濕度Mixing ratio水肥混合比例 Total water application施水總量 Fertilization amount施肥總量 圖11 基于Node RED的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序4 系統(tǒng)運行調(diào)試 園藝育苗監(jiān)控系統(tǒng)試驗裝置如圖12所示 包括PLC及其模擬量擴展模塊 智能網(wǎng)關(guān) 以太網(wǎng)交換機 溫濕度變送器 液位 變送器 上位機和儲存罐 系統(tǒng)上電運行時 上位機實時監(jiān)測溫濕度和液罐液位 當(dāng)溫濕度或液位超限時 對應(yīng)的指示燈亮 圖13為施肥狀態(tài)下的主 監(jiān)控畫面運行效果 通過監(jiān)控畫面可以對施肥時長和水肥混合比例進行設(shè)定 并顯示當(dāng)前的水肥使用量和施水施肥流速等 82商丘師范學(xué)院學(xué)報 2023年 情況 圖12 園藝育苗監(jiān)控系統(tǒng)試驗裝置 圖13 監(jiān)控主畫面 通過主監(jiān)控畫面的切換按鈕可以查看實時報表 液位趨勢曲線或進行數(shù)據(jù)庫查詢 實時報表如圖14所示 每次施肥完成 后自動產(chǎn)生一組數(shù)據(jù)記錄 通過右側(cè)功能鍵區(qū)的按鈕可以對報表進行保存 打印等操作 數(shù)據(jù)庫查詢?nèi)鐖D15所示 通過日歷控件實現(xiàn)數(shù)據(jù)篩選和查詢 圖14 實時數(shù)據(jù)報表 圖15 數(shù)據(jù)庫查詢 用戶通過智能手機連接騰訊云后可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控 圖16所示為通過智能手機設(shè)置施肥參數(shù) 并實時監(jiān)測溫濕度和水肥 使用量 圖16 智能手機遠(yuǎn)程監(jiān)控 5 結(jié) 語 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)主要沿用人工管理的勞作方式 不僅勞動強度高 且不利于 規(guī)?；N植 已越來越難以適應(yīng)市場化發(fā)展要求 鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的提出為 農(nóng)業(yè)發(fā)展指明了方向 發(fā)展智慧農(nóng)業(yè) 提高科學(xué)種植水平 降低人工成本 有助于提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)值 提升農(nóng)業(yè)發(fā)展質(zhì)量 設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC的園 藝育苗監(jiān)控系統(tǒng) 運用PLC采集環(huán)境參數(shù)并控制相應(yīng)設(shè)備實現(xiàn)對苗圃大 棚內(nèi)溫濕度和施肥的自動控制 通過上位機和數(shù)據(jù)庫實時監(jiān)控并保存運 行數(shù)據(jù) 便于分析和調(diào)整系統(tǒng)運行參數(shù) 通過智能網(wǎng)關(guān)和騰訊云實現(xiàn)智能 手機等移動終端設(shè)備的遠(yuǎn)程訪問和控制 使得管理擺脫了地域限制 進一 步解放了勞動力 參考文獻 1 冉紅偉 基于國際比較的中國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的影響因素及策略研究 D 重慶 重慶師范大學(xué) 2019 2 孫璐 馮國軍 劉大軍 等 以日本為對比談中國智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展之路 J 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研究 2021 27 12 139 140 3 蔡紹博 徐歡 夏志波 等 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能水肥一體化溫室農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng) J 數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用 2021 39 11 211 213 4 劉炳鑠 果園分布式水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) D 泰安 山東農(nóng)業(yè)大學(xué) 2021 5 鄧帥濤 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用 J 農(nóng)業(yè)與技術(shù) 2022 42 01 52 54 6 陳瑞志 一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)場大棚系統(tǒng)的開發(fā) J 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2022 01 112 114 7 陸大同 盧翠珍 基于PLC的智能蔬菜大棚控制系統(tǒng)設(shè)計 J 廣西民族大學(xué)學(xué)報 自然科學(xué)版 2016 22 01 91 94 責(zé)任編輯 孟團結(jié) 92 第3期 王祥傲 等 基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC的園藝育苗監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計