基于物联网和PLC的园艺育苗监控系统设计.pdf

第39卷第3期 2023年3月 商丘师范学院学报 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 基金项目 滁州学院创新创业项目 自动化系统集成综合设计与训练 2021cxcykc04 滁州学院创新训练计划资助项目 基 于PLC的养殖环境多参数监控系统设计 2021CXXL055 温室大棚智能灌溉控制系统设计 2021CXXL060 作者简介 王祥傲 1983 男 安徽滁州人 滁州学院讲师 博士 主要从事电气自动化技术的研究 基于物联网和PLC的园艺育苗监控系统设计 王祥傲 张国栋 王帅康 徐昊 郭建勇 滁州学院机械与电气工程学院 安徽滁州239000 摘 要 传统园艺育苗采用人工管理方式 人力资源消耗大且不利于规模化种植 设计了以PLC Programmable Logic Controller 为核心的监控系统 采用PID自整定方式控制储罐液位 实现自动施肥和温湿度控制 上位机 智能 网关和PLC通过交换机连接 上位机运行组态王软件 实时监控现场运行状态并利用Access数据库保存数据 智能 网关内置Node RED物联网应用程序 将现场运行数据实时上传至腾讯云平台 用户通过智能手机等移动终端实 现对现场的远程监控 摆脱地域限制 有效降低人工成本 关键词 育苗 PLC 组态王 智能网关 物联网 中图分类号 TP273 5 文献标识码 A 文章编号 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 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 plat 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 作为世界上人口数量最多的国家 我国有近2亿的农业从业人员 但年粮食进口量占比超过20 位居世界第一 农业现 代化水平较高的美国 农业从业人口占比不到1 出口粮食占世界粮食出口总量的34 以上 以色列2 2 的农业从业人口 不仅满足本国农产品消费需求 还向欧洲出口大量冬季蔬菜 日本为了解决本国农业从业人口高龄化和劳动力不足的问题 大力推广农业物联网 极大提高了生产和流通效率 荷兰陆地国土面积仅为3 5万km2 创造的农业产值占全球10 左右 1 与发达国家相比 我国的农业生产沿用传统的精耕细作方式 主要依赖人工劳作 不仅投入高 产出低 而且过度用水 施肥 已经造成严重的农业用水危机和环境污染 2 发展智慧农业 降低人工成本的同时提高精细化 自动化种植水平是破解困局 的关键 育苗移栽是许多观赏植物和绿化植物种植的必需阶段 现代种植业中水肥一体化技术是重要手段 3 目前 国内生产的 轻简水肥一体化设备虽然成本低 但是存在水肥配比精度低 对自然条件要求高等问题 国外生产的高端水肥一体化设备的 控肥精度虽然高于国内的设备 但是操作人员必须具备一定的专业知识 在种植业的实际推广应用过程中暴露出成本高 操 作复杂 维护难度大等问题 造成高端水肥一体化设备在种植业生产中难以大规模推广 4 5 针对国内外关于种植业水肥一体化设备的应用以及我国目前种植业生产中出现的水肥利用率低 人工耗用量大 施肥不 当造成环境污染等问题 将物联网技术运用于生产过程 6 7 设计了基于物联网技术园艺育苗监控系统 由PLC 上位机 智能 网关 腾讯云平台和远程移动终端等设备组成 PLC根据传感器检测的温湿度信号精准控制育苗大棚内的环境参数 上位机采 用组态王设计监控软件 并利用Access数据库保存运行数据 智能网关运行Node RED物联网应用程序 建立云平台与PLC 的通信连接 移动终端通过腾讯云可以不受地域限制的实现对育苗过程的远程监控 1 园艺育苗监控系统的结构 园艺育苗监控系统用于图1所示的苗圃大棚 主要设施包括储水罐 液态肥储罐 用于调节液位的比例阀 喷淋电磁阀和 微喷头 温湿度变送器和液位变送器 温湿度变送器采集大棚内的环境温湿度 湿度低时启动储水罐的喷淋电磁阀 通过微喷 头喷水的方式控制湿度在适宜范围内 根据设定的施肥量和施肥时间 启动比例阀将水和液肥充分混合后向苗圃内施肥 液 位变送器实时检测罐体内的液位高度 确保各罐体内的储存量在合理范围内 为了提高园艺育苗生产过程的自动化水平 降低对人工经验的依赖和人力资源成本 针对上述苗圃大棚的控制需求设计 了图2所示的监控系统 考虑到系统运行的长期性和可靠性 选用可编程逻辑控制器PLC作为现场控制器 接收温湿度变送 器 液位变送器的检测信号 根据用户设定值控制比例阀 微喷头和指示灯的运行 上位机 智能网关经以太网交换机与双向 PLC通信 上位机运行组态王监控软件和Access数据库 监控现场运行状态并将PLC上传的运行数据存于数据库 用于历史 查询 智能网关内置Node RED物联网应用程序 将现场运行数据发送至腾讯云平台 用户通过智能手机等移动终端可以远 程查看现场运行状态 并可以发送控制指令给PLC 从而实现不受地域限制的远程监控 图1 苗圃大棚内部装置结构示意图 图2 园艺育苗监控系统架构 2 控制系统的硬件设计 通过对现场设备开关量 模拟量信号的统计 园艺育苗监控装置共有4个DI 4个DO 5个AI和3个AO I O分配如表1 所示 表1 控制系统I O分配表 输入注释输出注释 I0 0施水开启Q0 0施水电磁阀 I0 1施肥开启Q0 1施肥电磁阀 I0 2施水停止Q0 2施水指示灯 I0 3施肥停止Q0 3施肥指示灯 AIW0当前温度QIW0水罐比例阀 AIW2当前湿度QIW2肥罐比例阀 AIW4水罐液位QIW4混合罐比例阀 AIW6肥罐液位 AIW8混合罐液位图3 PLC端子接线图 根据IO分配和系统的功能选用西门子S7 1200系列中的CPU1214C型PLC作为现场控制器 S7 1200系列PLC具有 集成度高 可扩展性强 性价比高的优点 其CPU本体集成的数字量输入输出点即可满足设计需要 且留有充足的裕量 便于 功能扩展 具有以太网通信接口 方便组网 根据I O分配表和选型结果设计如图3 图4的硬件接线图 图3为CPU1214C本体的开关量接线图 62商丘师范学院学报 2023年 由于电流信号抗干扰能力强 传输距离远 故模拟量采用电流信号 因为CPU本体集成的模拟量输入点不支持电流型信 号输入 所以采用模拟量输入扩展模块SM1231采集温湿度和液位信号 该模块有8个4 20 mA电流信号输入的模拟量通 道 采用模拟量输出扩展模块SM1232对比例阀进行控制 该模块有4路4 20 mA电流信号输出的模拟量通道 图4 模拟量扩展模块接线图 图5 园艺育苗水肥喷淋PLC控制程序流程图 3 监控系统软件设计 3 1 PLC控制程序设计 园艺育苗水肥喷淋控制流程如图5所示 PLC实时采集温湿度作为温湿度控制的依据 施水的间隔时长和单次施水时长 均由苗圃现场的实际需要进行预设 规律的间歇性施水为苗圃提供了温湿度与微环境保障 系统也考虑了天气突变等原因引 起的高温 低湿 低温 高湿所应做出的示警功能 改变施水动作进而控制湿度 苗圃施肥的参数由操作人员根据实际需要通过上位机或移动终端远程设定 以便对所种植的苗木品种变化时或肥料种 类变化时做出相应的施肥参数修改 可远程设定的参数有施肥时长 水肥混合比例以及施肥间隔天数 苗圃现场的PLC控制 储水罐和液肥罐的比例阀将水 肥按照设定的比例充分混合后进入混合罐 混合液通过施肥电磁阀为苗圃施肥 储水罐和混合肥储罐的液位采用PI自整定控制方式调节 以储水罐液位的调节为例 图6所示为PI自整定控制程序及 控制参数设置 在PID参数设置界面中将I O参数设定为模拟量 过程值的上下限设定为0 100 先调节PID参数设置 中的比例 初始设为2 m 在设定液位与当前液位基本相等时 根据稳态误差的大小对积分时间进行调节 当水罐液位接近稳 态时再投入自整定功能得到最优的控制效果 图6 PI自整定控制程序及参数设置 3 2 上位机监控软件设计 3 2 1 组态王监控软件设计 采用组态王作为上位机监控软件 作用是实时监控现场各运行参数 实现数据可视化 并将数据存储于数据库 PLC与组 态王软件之间采用以太网通信 图7所示为组态王与PLC建立的通信连接 与PLC的通信连接成功后 在组态王中建立数据词典 并设计监控画面 包括主监控画面 液位趋势曲线画面 实时报表 画面和数据库查询画面 图8所示为主监控画面 设置有控制按钮 运行指示 并可以通过画面切换按钮转换到其他功能画面 72 第3期 王祥傲 等 基于物联网和PLC的园艺育苗监控系统设计 图7 以太网通信连接设置 图8 上位机主监控画面设计 3 2 2 数据库应用设计 上位机的实时监控数据保存于Access数据库中 方便用户进行历史查询 上位机需安装Access数据库软件 并通过 ODBC访问接口的用户DSN连接 建立与组态王的通信连接 实现数据的存储与查询 ODBC数据源的建立如图9所示 然后在组态王的SQL访问管理器中利用SQL结构化查询语言建立表格模板和记录体 建立组态王与Access数据库的变 量关联 创建的表格模板如图10所示 图9 建立ODBC数据源 图10 数据存储表格模板 3 3 移动终端监控软件设计 智能网关IOT2040内置有Node RED开发的物联网应用程序 实现智能手机等终端设备对PLC的远程访问和控制 图 11所示为Node RED编写的监控程序 图11中 园艺育苗PLC 节点建立与PLC的通信连接 数据上报 节点读取PLC相 关寄存器的数据并经 Tencent IoT Publish 节点上报至腾讯云平台 智能手机通过 腾讯连连 小程序接入腾讯云即可监视现 场运行状态 智能手机下发的控制指令经 Tencent IoT Subscribe 节点发送给PLC 实现远程控制 表2为Node RED上传至 腾讯云的数据和智能手机下发的指令列表 表2 数据上报 指令下发分配表 数据上报注释指令下发注释 Apply Fertilizer施肥开启Apply Fertilizer施肥开启 Temperature当前温度Fertilization time施肥时间 Humidity当前湿度Mixing ratio水肥混合比例 Total water application施水总量 Fertilization amount施肥总量 图11 基于Node RED的物联网应用程序4 系统运行调试 园艺育苗监控系统试验装置如图12所示 包括PLC及其模拟量扩展模块 智能网关 以太网交换机 温湿度变送器 液位 变送器 上位机和储存罐 系统上电运行时 上位机实时监测温湿度和液罐液位 当温湿度或液位超限时 对应的指示灯亮 图13为施肥状态下的主 监控画面运行效果 通过监控画面可以对施肥时长和水肥混合比例进行设定 并显示当前的水肥使用量和施水施肥流速等 82商丘师范学院学报 2023年 情况 图12 园艺育苗监控系统试验装置 图13 监控主画面 通过主监控画面的切换按钮可以查看实时报表 液位趋势曲线或进行数据库查询 实时报表如图14所示 每次施肥完成 后自动产生一组数据记录 通过右侧功能键区的按钮可以对报表进行保存 打印等操作 数据库查询如图15所示 通过日历控件实现数据筛选和查询 图14 实时数据报表 图15 数据库查询 用户通过智能手机连接腾讯云后可以实现远程监控 图16所示为通过智能手机设置施肥参数 并实时监测温湿度和水肥 使用量 图16 智能手机远程监控 5 结 语 传统农业主要沿用人工管理的劳作方式 不仅劳动强度高 且不利于 规模化种植 已越来越难以适应市场化发展要求 乡村振兴战略的提出为 农业发展指明了方向 发展智慧农业 提高科学种植水平 降低人工成本 有助于提高农业产值 提升农业发展质量 设计了基于物联网和PLC的园 艺育苗监控系统 运用PLC采集环境参数并控制相应设备实现对苗圃大 棚内温湿度和施肥的自动控制 通过上位机和数据库实时监控并保存运 行数据 便于分析和调整系统运行参数 通过智能网关和腾讯云实现智能 手机等移动终端设备的远程访问和控制 使得管理摆脱了地域限制 进一 步解放了劳动力 参考文献 1 冉红伟 基于国际比较的中国智慧农业发展的影响因素及策略研究 D 重庆 重庆师范大学 2019 2 孙璐 冯国军 刘大军 等 以日本为对比谈中国智慧农业发展之路 J 现代农业研究 2021 27 12 139 140 3 蔡绍博 徐欢 夏志波 等 基于物联网的智能水肥一体化温室农业管理系统 J 数字技术与应用 2021 39 11 211 213 4 刘炳铄 果园分布式水肥一体化系统设计与实现 D 泰安 山东农业大学 2021 5 邓帅涛 物联网技术在现代化农业发展中的应用 J 农业与技术 2022 42 01 52 54 6 陈瑞志 一种基于物联网技术的智能农场大棚系统的开发 J 物联网技术 2022 01 112 114 7 陆大同 卢翠珍 基于PLC的智能蔬菜大棚控制系统设计 J 广西民族大学学报 自然科学版 2016 22 01 91 94 责任编辑 孟团结 92 第3期 王祥傲 等 基于物联网和PLC的园艺育苗监控系统设计