集装箱植物工厂自动控制系统建立.pdf

集装箱植物工厂自动控制系统建立赵 倩1， 2， 王琨琦1， 聂铭君2， 陈晓丽2， 王利春2， 郭文忠2， 薛绪掌2( 1 西安工业大学 机电工程学院 ， 西安 100021; 2 北京农业信息技术研究中心 ， 北京 100097)摘 要 : 针对集装箱植物工厂体积小 、可控性强的特征 ， 利用最适化控制原理 ， 针对控制成本低 、控制效果好的营养液管理 、人工补光 、箱内环境温度 3 个因子 ， 基于可编程控制器建立了一套自动控制系统 。该系统将人机交互触摸屏作为上位机 ， 采用开关量控制原理进行营养液循环和 LED 周期补光的管理 ; 利用闭环 PID 控制原理 ， 进行箱内温度的调节 ， 可实时监测集装箱内部温度和营养液特征变化过程 。同时 ， 采用人机友好的工作方式 ， 通过调用管理者输入的各类参数 ， 自动进行控制决策并执行控制程序 。试验验证表明 : 该系统能够根据人工设定的控制参数 ， 实现营养液分层循环 、定时供液 ; 能够按照设定时间自动控制 LED 光源的闭合 /断开 ， 实现不同光照周期的转换 ; 能够实时监测温度 ， 并根据目标温度调节制冷 /供暖机构 ， 使集装箱内温度持续保持在适宜作物生长的范围内 。参照系统在集装箱植物工厂内使用情况 ， 可以确定本系统成本低 、运行稳定 ， 能够满足集装箱植物工厂中农作物管理需求 。关键词 : 集装箱植物工厂 ; 最适化控制原理 ; 人工补光 ; PID 控制中图分类号 : S126 文献标识码 : A 文章编号 : 1003 188X( 2016) 10 0217 060 引言植物工厂的概念最早由日本提出 ， 被解释为是通过设施内高精度环境控制实现农作物周年连续生产的系统 1。1957 年 ， 世界上第 1 家植物工厂在丹麦诞生 ; 至 20 世纪末 ， 植物工厂这种新型的农业生产方式已经在日本 、俄罗斯等国家有了一定规模 1 3。之后 ， 这种生产方式被逐渐推广 ， 太阳光利用型 、人工光利用型 、太阳光和人工光并用型植物工厂 1 4被相继开发应用到实际生产中 。在日本 、荷兰等园艺发达的国家 ， 相应的光环境调控技术 、营养液管理技术 、工厂内环境控制技术及新能源的开发利用等众多高新技术 5 7也被研究出来 。我国学者也在远程监控 7、箱内环境控制 8 10等方面做了大量研究 ， 旨在彻底摆脱自然条件的束缚 ， 以最小的投入获得最大的产出 。植物工厂作为现代园艺高级阶段的产物 1， 建设成本居高不下一直是其研发和普遍推广过程中的瓶颈 11。随着植物工厂各项技术的不断发展 ， 一种建设成本低 、可移动式的集装箱植物工厂应运而生 。集装收稿日期 : 2015 11 15基金项目 : 国家高技术研究发展计划项目 ( 2013AA103005) ; 北京市农林科学院青年基金项目 ( QNJJ201421)作者简介 : 赵 倩 ( 1990 ) ， 女 ， 陕西榆林人 ， 硕士研究生 ，( E mail)15901291520 163 com。通讯作者 : 王琨琦 ( 1955 ) ， 男 ， 河南新郑人 ， 教授 ， 硕士生导师 ，( E mail) 372122167 qq com。箱植物工厂利用废旧货车箱 、铁皮等金属材料搭建 ，安放地点不受地理环境限制 ， 生产环境不受气候变化影响 。采用集装箱形式 ， 阻隔箱内环境与外界环境中空气 、水 、热等的物质交换和能量交换 ， 并且完全利用人工光源 ， 根据植物生长需要进行适度的箱内环境调控 ， 即可实现农作物四季生产 。本文针对集装箱植物工厂体积小 、可控性强的特征 ， 为了进一步降低成本及系统维修难度 ， 避弃了已经成熟 、的以单片机作为核心控制器的环境因子控制系统 12 13， 基于可编程控制器 ， 利用最适化控制原理 14， 将控制成本低 、效果好的箱内环境温度 、人工补光 、营养液管理 3 个因子作为控制对象 ， 进行硬件和软件的技术开发 ， 并建立了集装箱植物工厂自动控制系统 。1 控制系统总体设计11 植物工厂总体结构介绍该集装箱植物工厂使用废旧货车箱拼接 ， 安置于北京市小汤山国家精准农业研究示范基地 。植物工厂采用新风系统 ， 当箱内监测压力超过阈值范围后 ，将室外新鲜空气讲过过滤 、净化后经管道与室内空气进行交换 ， 保证集装型内空气的洁净度 。同时 ， 利用铝型材搭建立体种植支架 ， 采用深液流水耕栽培技术进行农作物生产 。植物工厂总体结构示意图如图 1所示 。7122016 年 10 月 农 机 化 研 究 第 10 期DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2016.10.0461 温度调控机构 2 控制器 3 原液桶4 贮液池 5 浮球 6 循环潜水泵 7 电磁阀 8 支架9 发光二极管 ( LED) 10 定值板 11 回液管道 12 栽培槽图 1 集装箱植物工厂结构示意图Fig1 Overall structure diagram of closed plant factory of container type12 系统总体结构针对营养液管理 ， 由图 1 可以看出 : 该集装箱植物工厂采用了深液流水耕栽培技术 ， 由供液管道和一定深度的回液管道来保持营养液在栽培槽中的液位 。同时 ， 根据植物栽培原理 ， 在根量较少 、根垫未形成之前 ， 采取连续供液方式 ; 待根部发育起来之后 ， 采取间歇供液方式进行栽培槽中营养液更新 1。供液时间和停止时间由管理人员在触摸屏上输入 。针对人工补光 ， 由图 1 可以看出 : 该集装箱植物工厂使用发光二极管 ( LED) 作为光源进行垂直补光 。相较于其他光源 ， LED 灯既能满足植物正常生长 ， 又有较高的发光效率 15。其补光周期由管理者在触摸屏上输入 。针对箱内环境温度 ， 由图 1 可以看出 : 该集装箱植物工厂由温度调控机构进行箱内温度向目标值逼近 。系统采用常用的 PID 调节方法进行温度调控 ， 其目标温度由管理者在触摸屏上输入 。综上 ， 该自动控制系统由人机交互模块 、中央控制模块 、数采集模块及执行模块组成 ， 控制系统整体结构如图 2 所示 。图 2 控制系统总体结构图Fig 2 Overall structure diagram of control system上位机采用触摸屏进行人机交互操作 ， 可全程监控工厂内系统运行情况 ， 并实现数据的实时显示 、控制参数的输入等功能 ; 数据采集模块包含温度传感器 、电导率传感器和 pH 传感器 。采集到的数据由可编程控制器的模拟量扩展模块经过 A/D 转换后送入上位机 。可编程控制器是该系统的核心 ， 它通过对传感器采集数据的分析 ， 参照管理者输入的控制参数 ，进行分析决策 ， 进而发送命令 ; 控制执行模块中各执行机构进行条件触发动作或定时执行动作 ， 从而达到控制目的 。13 系统工作过程系统上电后 ， 可编程控制器以一定扫描周期定时向数据采集模块发送采集命令 ， 采集到传感器的数据经过 A/D 转化后返回给控制器 ; 控制系统将采集到的数据结合已经由管理者设定的控制参数阈值 ， 进行融合判断 ， 得到控制决策后输出指令 ， 控制执行机构的开启 /关闭 ; 如此循环 ， 构成一个闭环自动控制系统 。系统提供控制决策参数和监控界面 。控制决策参数包括控制目标和定时开启时间点 、时间段 。其中 ，控制目标需要输入温度范围 、光照周期等 。当温度低于设定阈值下限时 ， 空调开启制热模式 ; 当温度高于设定阈值上限时 ， 空调开启制冷模式 。定时开启时间点 、时间段指的是 LED 人工光源开启的时间点和开启时长 。监控界面提供手自动切换的调用接口 : 在手动模式下 ， 可以通过屏幕按钮自由操作各个开关 ， 包括电磁阀 、水泵和 LED 灯 ; 在自动模式下 ， 采用用户自设定方式 ， 由系统自动进行决策和发送控制指令 。2 硬件系统设计系统采用三菱 FX1N 40M 001 作为核心控制器 ， 并扩展 FX2N 4AD 模块进行箱内温度和营养液特征参数采集 。其内置的 A/D 转换器 ， 可自动将采集到的模拟量信息转换为数字量并反馈给核心控制器 ;核心控制器再将数据传输给上位机 ， 用于数据的保存和查询 。系统执行机构采用开关量控制 ， 为了避免 PLC 输出信号太弱 ， 在 PLC 与控制设备之间增加中间继电器 ， 利用继电器的开 /关来控制电磁阀 、水泵 、LED 灯 、空调这 4 种执行执行机构的动作 。电源系统如图 3( a) 所示 。电磁阀控制原理如图 3( b) 所示 。参照图 3( a) ， 整个系统的电源由市电 220VAC 经过空气开关 QF 提供 ， 并配有电源指示灯 H0。同时 ，市电经过二级熔断器 ( QF0、QF1、QF2) 分别给变送器和 20VDC 空气开关供电 。参照图 3( b) ， SA1 为一个8122016 年 10 月 农 机 化 研 究 第 10 期两档的手自动转换开关 。当 SA1 切换至左边 ( 手动挡 ) 时 ， 001、003 路接通 ， 按下常开按钮 SB1 时中间继电器 KA1 常开触点吸合 ， 接通电磁阀线圈 ， 开阀指示灯 H1 亮 。按下常闭开关 SB2 时 ， 中间继电器断电 ， 电磁阀关闭 ; 当 SA1 切换至右边 ( 自动挡 ) 时 ， 001、002、004 路接通 ， 可由控制板输出口按照程序要求控制中间继电器的开闭 ， 进而达到控制电磁阀等执行机构的目的 。图 3 系统硬件电路图Fig3 Hardware circuitry of the system( a Power system; b Control principle of solenoid valve)3 系统软件功能实现31 上位机软件功能实现系统使用 7 寸人机交互触摸屏作为上位机 ， 完成参数设定和系统运行情况监视 。控制器与上位机之间使用标准的 ModbusTU 协议 、S485 接口方式进行通信 。管理者通过旋转两档开关实现手自动的切换 ;通过点击屏幕 ， 输入控制参数阈值 ; 通过控制柜上按钮 ， 手动控制执行机构开关 ; 通过界面按钮接口切换营养液循环界面和 LED 灯光控制界面 。上位机软件可以实现以下功能 : 手动自动切换功能 ; 实时显示功能 ， 包括监控系统运行状况 、实时显示系统时间 、EC、pH 测量值和画面调用接口 ; 控制参数设置功能 ， 包括营养液循环参数和 LED 灯板控制参数 ; 数据查询 、存储功能 。32 执行机构开关量控制关于营养液管理 ， 在自动模式下 ， 根据管理者设置的循环时间间隔 T1和每层循环时间 T2两个参数来完成营养液管理 。为保证流速恒定 ， 当用户设定好时间后 ， 从最上层开始循环 。循环时间间隔是指每隔 T19122016 年 10 月 农 机 化 研 究 第 10 期时间 ， 营养液从储液槽中经过循环管道和回流管道 ，更新栽培槽中的营养液 。每层循环时间 T2指每层循环 T2min 后 ， 关闭本层电磁阀 ， 开启下一层电磁阀 ， 直到 4 层循环完毕 。因而 ， 当需要连续供液时 ， 只需设置 T1= T2; 当需要间歇供液时 ， 要求用户所设循环时间间隔 T14 每层循环时间 T2。当设定出错后 ， 程序会弹出提示画面帮助用户重新进行设定 。软件程序流程图如图 4 所示 。图 4 营养液循环软件程序流程图Fig 4 Software program flow chart of nutrient solutions circulation关于 LED 灯控 ， 在自动模式下 ， 要求管理者在人机交互触摸屏上输入任意 3 组时间节点 ; 比较单元将这 3 组时间与系统时间相比较 ， 达到所设开启时间时 ， 控制器输出端闭合 ， 接通 LED 灯的电源 ， 达到开灯的目的 ; 达到所设关闭时间时 ， 控制器执行相反的控制动作 。33 温度的 PID 控制PID( Proportion( 比例 ) 、Integration( 积分 ) 、Differen-tiation( 微分 ) ) 控制是工业中最常用的一种闭环控制方式 。其原理是将目标信号 ( /设定值 ) 与反馈信号( 实测值 ) 不断地进行比较 ， 并根据比较结果连续地操作变频器输出频率和电机转速 。三菱 FX 系列 PLC 提供了模拟量控制的 PID 指令封装 16 17， 可以手动由MOV 指定各放大系数 ， 也支持程序参数自整定 。其闭环控制系统原理如图 5 所示 。图 5 PID 控制系统原理图Fig5 System schematic diagram of PID control4 系统验证利用最适化控制原理 ， 针对作物种植需求开发的自动控制系统 ， 通过在北京市小汤山国家精准农业研究示范基地的集装箱植物工厂进行运行 ， 实现了营养液的分层循环 ， 定时供液 ; 明期和暗期的自动转换以及环境温度的自动控制 。集装箱植物工厂外观及控制效果如图 6 所示 。1 个循环时间间隔内 ， 所检测营养液电导率 ( EC) 值和 pH 值的动态变化如图 7 所示 。EC 值基本稳定在 1 38mS/cm， pH 基本稳定在 6 9。1 LED 灯板 2 系统控制柜 3 种植板 4 栽培槽 5 混液桶图 6 植物工厂外观及控制效果图 ( a 为外观图 ; b 为控制效果图 )Fig6 Appearance and control effect of the plant factory( a Appearance; b Control Effect )0222016 年 10 月 农 机 化 研 究 第 10 期图 7 营养液动态变化Fig7 Dynamic variation of the nutrient solution( a Electric conductivity ofnutrient solution; b pH of nutrient solution)参考文献 : 1 杨其长 ， 张成波 植物工厂概论 M 北京 : 中国农业科学技术出版社 ， 2005 2 杨国伟 一种新型的植物生产方式 植物工厂 J 农业与技术 ， 2013， 33( 10) : 13 15 3 杨其长 植物工厂发展策略 J 科技导报 ， 2014， 32( 10) :20 24 4 Kozai T 太阳光利用型植物工厂 M 北京 : 中国农业出版社 ， 2009 5 Kozai T Innovation in agriculture: Plant factory with artificiallight J APO News， 2013， 14( 1) : 1 3 6 Stipanicev D， Mavasovic J Network embedded green housemonitoring and control J Control Application， 2003( 2) :1350 1355 7 杨其长 ， 张成波 植物工厂系列谈 ( 十 ) 高新技术在植物工厂中的应用 J 农业工程技术 : 温室园艺 ， 2006( 2) : 2023 8 贺冬仙 ， 杨珀 ， 朱本海 密闭式植物工厂的嵌入网络式环境监控系统 J 农业工程学报 ， 2007， 23( 12) : 156 160 9 商守海 ， 周增产 ， 卜云龙 ， 等 JPWZ 1 型微型植物工厂的研制 J 农业工程 ， 2012， 2( 1) : 44 47 10 王君 ， 杨其长 ， 魏灵玲 ， 等 人工光植物工厂风机和空调协同降温节能效果 J 农业工程学报 ， 2013， 29( 3) : 177183 11 邱兆美 ， 赵龙 ， 贾海波 植物工厂发展趋势与存在问题 J 农机化研究 ， 2013， 35( 10) : 230 233 12 贺冬仙 ， 朱本海 ， 杨珀 ， 等 人工光型密闭式植物工厂的设计与环境控制 J 农业工程学报 ， 2007， 23( 3) : 151 157 13 艾海波 ， 魏晋宏 ， 邱权 ， 等 微型植物工厂智能控制 J 农业机械学报 ， 2013， 44( 10) : 198 204 14 胡永光 ， 李萍萍 ， 堀部和雄 日本植物工厂及其新技术 J 世界农业 ， 2002( 11) : 44 46 15 曲溪 ， 叶方铭 ， 宋杰琼 ， 等 LED 灯在植物补光领域的效用探究 J 灯与照明 ， 2008， 32( 2) : 41 45 16 Huang Wei， Hu Qinglong The design of control system ofmanipulator with PLC J Mechanical and Electrical Engi-neering Technology， 2008， 11: 91 92 17 何孝成 ， 刘印 ， 王宫辉 三菱 PLC 在工业中的应用 J 中国包装工程 ， 2015( 12) : 13 14The Establish of Automatic Control System of theContainer type Plant FactoryZhao Qian1， 2， Wang Kunqi1， Nie Mingjun2， Chen Xiaoli2， Wang Lichun2，Guo Wenzhong2， Xue Xuzhang2( 1 College of Electromechanic Engineering， Xian Technological University， Xian 100021， China; 2 Beijing esearchCenter for information technology in Agriculture， Beijing 100097， China)Abstract: For the Container type Plant Factory， an automatic control system， which contains the cycle of nutrient solu-tion， the artificial light and the tempreture inside， was established This system aims at the feature of small volume andeasy control of container Simultaneously， sues three low cost and better effect factors as controlled object， according to op-timal control theory System is developed， based on the Programmable Logic Controller( PLC) and a touch screen is usedas the master computer Programs make use of swich signal control principle to manage the nutrient solution and LED Atthe same time， adjust temperature inside container on the basis of closed loop PID control The screen will monitoringthe whole process of the real time changes about the environment inside and the nutrient solution Meanwhile， controlpolicy is determined automatically through various parameters invocation and computer programs are executed by mans ofhuman machine coordination The experiment verified that the system could implement the layered cycle of the nutrientsolution and regularly supply according to the control parameters manually set And it could implement the conversion ofdifferent photoperiod by turning the LED on and off automatically， referring the time managers given In addition， the tem-preture could be controlled in a range which is suitable for the growth of plants by adjusting the temperature regulates or-1222016 年 10 月 农 机 化 研 究 第 10 期ganization Thus， this low cost and reliable control system could meet the demands crops need in Container type PlantFactoryKey words: the Container type Plant Factory; optimal control theory; artificial lights; PID control principle controlprinciple( 上接第 59 页 )Abstract ID: 1003 188X( 2016) 10 0056 EAAccuracy esearch of a Vibration Tray Precision SeedersHorizontal Adjustment Parallel MechanismGong Zhiqiang1， Chen Jin2a， Li Yaoming2b， Zhao Zhan2b( 1 School of Mechanical and Electronic Engineering， Chaohu University， Hefei 238000， China; 2 Jiangsu Universitya School of Mechanical Engineering; b School of Agricultural Equipment Engineering， Zhenjiang 212013， China)Abstract: In order to meet the requirements of Vacuum vibration Tray precision seeder， apply DEM software EDEM tosimulate seeds movement under the state of inclining seed plate， study the impact of level degree to seeds movement andinclude regulation accuracy requirements of seeder adjustment mechanism in the process of field seeding Achieve seeders vibration seed plate horizontal adjustment operation by adjustment parallel mechanism， get mechanism accuracy modelby solving total differential to mechanism position relationship， and draw relation curve of mechanism accuracy aboutkinematic error of drive pair， parameter error of modular structure， which provide a theoretical basis to adjustmentmechanism design and error compensationKey words: precision seeder; horizontal adjustment; parallel mechanism; accuracy analysis( 上接第 216 页 ) 24 张建锋 ， 何东健 ， 张志勇 采摘机器人自适应鲁棒跟踪控制算法设计 J 农机化研究 ， 2009， 31( 12) : 10 14 25 刘继展 ， 李萍萍 ， 李智国 番茄采摘机器人末端执行器的硬件设计 J 农业机械学报 ， 2008， 39( 3) : 109 112 26 阮鹏 ， 俞志伟 ， 张昊 ， 等 基于 ADAMS 的仿壁虎机器人步态规划及仿真 J 机器人 ， 2010， 32( 4) : 499 504Abstract ID: 1003 188X( 2016) 10 0213 EAThe Application of Single Chip Microcomputer in thePortable Intelligent Small Picking obotHou Wenfang1， Cao Guohua2( 1 Department of Electrical and Electronic Engineering ， Suzhou College of Information Technology， Suzhou 215200，China; 2 School of Electrical Automation Engineering ， Nanjing Normal University， Nanjing 210042， China)Abstract: In order to meet the needs of small area fruit picking， a new type of portable intelligent picking robot isdeveloped， and the infrared vision and motion control system of robot is designed It uses T Thread to realize the de-sign of the embedded system， and develop the Builder T Thread integrated environment The use of Gcc compiler canrealize the real time control of the embedded system In order to verify the reliability of portable robot， the robot infra-red and wireless control system and embedded microcontroller system were tested ， and it was found that picking robotthread scheduling and serial communication can be normal work， the portable picking robot can be successfully lockedtarget the picking area with infrared ray tracing And it can move the time consuming and artificial mobile comparedgreatly， also can save time and enhance the operational efficiency of picking， which can meet the mountain and the hillspicking operation demandKey words: picking robot; infrared vision; embedded system; thread scheduling; serial communication; single chip mi-crocomputer2222016 年 10 月 农 机 化 研 究 第 10 期