基于云存储和PLC的现代农业大棚自动控制设计

基于云存储和PLC的现代农业大棚自动控制设计

作者：诸葛林巍

来源：《现代农业科技》2016年第14期

摘要 此次设计是通过PLC通过温度、湿度、二氧化碳浓度传感器收集各类数据，利用PLC技术、组态技术以及无线通信技术，实现控制大棚卷帘、控制灌溉水泵、二氧化碳发生器的开启和停止，从而减轻农民负担，提高农作物生长的质量和产量。 关键词 云存储；PLC；控制器；APP

中图分类号 TP273+.5 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2016）14-0187-02 Design of Automatic Control System for Modern Agricultural Greenhouse Based on Cloud Storage and PLC ZHU-GE Lin-wei

（Nari Technology Development Limited Company，Nanjing Jiangsu 211106）

Abstract In order to raise farmers′ production efficiency and improve the quality and yield of the crop，we designed the system.By collecting the temperature，humidity，carbon dioxide with the sensors，the PLC system controlled the electrical equipment such as shutters，water pumps，carbon dioxide generators，besides，the farmers could also use the APP to control from anywhere under the cloud computing.

Key words cloud computing；PLC；sensor；APP

传统农业大棚的温度、湿度、二氧化碳浓度是根据农民种植经验，以人工调节影响农作物生长的参数，存在反应时间慢、浪费资源和产量低下等缺点。本系统利用云存储、PLC技术、组态技术以及无线通信技术，实现PLC、简易控制开关和手机APP的通讯，实时显示当前参数，自动执行机构动作，远程发送故障报警信息[1-2]。系统应用于内蒙古地区，相比以往种植，不仅蔬菜口感有提高，其产量也提高30%，同时降低人工成本。 1 系统控制的主要目标和任务

系统控制原理如图1所示，可以看出，该系统由市电供电设备、PLC控制器、温度传感器、湿度传感器、二氧化碳浓度传感器、卷帘设备、鼓风机、水泵喷洒、二氧化碳发生器、通讯终端APP等设备组成，可以通过使用以下流程来模拟各种气候条件以观测农作物的生长情

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况：①采光流程。根据需要，定时开启卷帘。②温控流程。根据需要，利用通风换气降温，利用暖风机加温。③喷洒流程。根据需要，定时开启喷洒流程，增加大棚内湿度。④二氧化碳发生流程。根据需要，定时开启二氧化碳发生器，增加二氧化碳浓度。⑤报警流程。通过无线通信技术，发送实时数据至农民手机APP，方便农民了解大棚状态并采取措施。 2 系统总体结构 2.1 硬件总体结构

如图2所示，该系统的硬件总体结构共由三部分组成：PLC自控系统、云平台通讯处理系统、可靠性控制电路系统。云计算（cloud computing）是基于互联网的相关服务的增加、使用和交付模式，通常涉及通过互联网来提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。该系统充分利用云计算的强大功能，实现大量农业数据的采集存储。GPRS模块选取巴彦淖尔瑞安网络公司生产的智能通讯管理设备，该设备能实时读取PLC数据，并通过存储等手段上送至云端服务器[3]。在手机安装瑞安网络APP，可直接与云端服务器通讯，这样就能实时反映大棚内的农作物状态，方便科研工作者和农民进行决策和调整。借助4G或者WIFI网络，农民打开手机APP软件，界面实时刷新大棚温度、湿度、二氧化碳浓度等数据，同时显示卷帘位置、电机状态，并可在屏幕上点击控制按钮。

PLC选用德国西门子S7-200，配套模拟量采集模块EM235。PLC自控系统配套模拟量接入模块，负责收集农业大棚各个传感器数据。一方面，所有数据将通过配套GPRS模块实时传递至云端，方便用户通过手机通讯APP从云端下载，用户可按照数据内容分析并发出控制命令下发至PLC系统，PLC接受到命令后通过I/O模块驱动相应设备，达到调节的目的；另一方面，PLC自控系统本身可以写入各项指标的设定值，系统自行比对收集数据，经过逻辑运算后通过I/O模块驱动相应设备，达到调节的目的。但是，需要提出的是，通讯终端APP优先级为最高[4]。

控制电路设计以C51单片机为主体，电路接入各个行程开关信号作为逻辑判据，尤其对于大棚卷帘控制设置2级行程开关配套，同时配以各个控制模块接触器，一般的电路为单片机输出端配套继电器，逻辑判据为各行程开关量串联进电路，从而实现对电机的电气闭锁，提高仪器的可靠性。 2.2 软件模块设计

如图3所示，①软件程序将所有收集数据通过GPRS模块上送至用户终端。②PLC在整体上控制着离散控制电路，对整个系统具有最高决策权，这主要表现在S7-200软件下传给单片机电路拥有最高优先级，而现场单片机电路被动接受控制命令。③单片机电路在电气控制方面具有相对的性和智能性，它的主要功能是保护辅助功能。比如要求现场大棚的温度在某一范围内，PLC采集模块将数据上送至控制程序，控制程序启动通风电路调节。若温度过高，开启通风机；若温度过低，开启取暖机或者结合光感数据打开或关闭卷帘来调节。

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云端服务器数据以及手机APP程序设计包括租用云端服务器、设计存储模块、访问程序模块、操作模块、应急模块等。存储模块主要用于对大棚各个数据的分类存储为文本文件，并按照日期归类，访问程序用于开放给安装APP的用户，通过检验用户名和密码登陆。操作模块接受手机APP控制数据，并通过无线方式下发给瑞安网络公司生产的通讯模块，解析后与PLC通讯完成控制功能。APP的画面简单友好，仅显示数据和控制按钮，对于广大农民有实用性。APP画面分为3层，第1层为用户名密码登陆界面；第2层为温度、湿度等数据的显示，第3层为各种开关控制按钮，并有事故总信号提醒。

单片机电气系统程序由以下部分组成：主程序、存取程序、监控管理程序、控制输出程序、时钟定时中断和报警程序。软件设计采用了模块化结构设计方法，所有程序采用单片机高级C语言编写。主程序完成各个外设接口初始化，然后接入行程开关组合电路采样程序，由时钟中断程序完成显示扫描更新及采样处理。控制输出程序对应各个驱动电路继电器。 3 应用云计算、APP互联一体化

系统设计的主体思想是利用现有的科技手段，将农业大棚每天产生的数据实时备份到云端，方便各级用户访问，提取实际优选数据。对科技工作者而言，无需再搭建试验环境，便可提取到不同纬度、不同区域、不同环境的农作物生产数据，在农作物的培育方面可跨区域进行试验；对于农民而言，提供了异地耕作的可能性，将传统农业向自动化农业的转型提供了一些帮助，完全可实现无人值守的农作方式。 4 结语

经过1年多的设计和运行，该系统取得了一定的效果，并得到农民的肯定。实践证明，云计算对农业影响非常之大，若想改变农业的耕作方式，使之可控可变化，突破时空的，实现工业化和信息化的有机结合，实现传统与现代的结合。本文对现代农业作了一些探索工作，今后要采集更多农业大棚内部数据，将更多的数据存储下来，实现更多的自动化控制，增强农业的自动化水平，从而提高农民的耕作效率，让农民能真正得益于现代化科技。 5 参考文献

[1] 吴晓梅，包金明，崔利生.Rockwell PLC在10层电梯控制系统中的应用[J].电子技术应用，2005，31（7）：29-31.

[2] 王永华.现代电气及可编程技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2002. [3] 张晓乡.C51单片机实用教程[M].北京：电子工业出版社，2010. [4] 王庆波，金涬，何乐.虚拟化与云计算[M].北京：电子工业出版社，2010.

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