智能温室大棚控制系统.pdf

26 智青春·创未来第十一届“三菱电机杯”全国大学生电气与自动化大赛论文集 智能温室大棚控制系统 Abstract Greenhouse is vital in modern agricultural production. To achieve high quality, production and efficiency, it is necessary to detect and control the environmental factors such as temperature, humidity, carbon dioxide content and light intensity. This paper proposes a new detect-and-control system. Specically, MATLAB is rst employed for detecting leaf color, Texture, shape characteristics, and then sensors and MITSUBISHI PLC are utilized for controlling. Results show that the system is capable of accurate detection, control, and real-time monitoring of greenhouse. Thus it meets the requirements of the greenhouse environment. Key words Greenhouse; Image processing; PLC; Self-control 1 前言 当今农业现代化技术越来越受到重视，而温室大棚是高效 农业发展的一个重要组成部分，因此研究开发适合我国国情及性 能优越、低成本且运行可靠的高度智能化温室控制系统是当前该 领域研究的热点问题。自检自控的智能温室大棚也就成为当前农 业发展所需。 可编程控制器（Programmer Logic Controller, PLC）作为一种 先进的工业控制计算机其应用非常广泛，再结合温度传感器、湿 度传感器、二氧化碳传感器、光照传感器及辅助的人机交互和通 信技术，就能够有效地控制农作物生长所需的主要环境条件，有 助于温室种植的发展，提高农业生产的经济效益。本文即基于此 需求设计出一种自检并自控的智能化系统。 2 系统整体设计 本测控系统主要由图像处理模块、传感器数据采集模块、 PLC 控制模块、触摸屏模块和执行机构模块组成，来实现对温室 大棚中环境因子的监测和控制。其整体结构简图如图1所示。 三菱PLC控制器主要实现系统总体控制，包括传感器数据信 息采集、数据信息的处理、各种执行机构的运行。传感器数据采 集和图像处理决定了整个系统的检测精度和控制精度。传感器数 据信息采集部分主要是对温室的各个环境参数进行测量，并以 4～20mA的电流信号输入到PLC模拟单元。MATLAB图像处理部 分主要针对植物叶片的颜色特征、纹理特征与形状特征进行对 比，同时利用概率统计综合分析计算所采集的叶片，最后输出高 低电平的结果以显示当前叶片的生长状态并传给PLC控制器。触 摸屏主要是手动控制温室大棚的操作界面和实时参数检测界面。 执行机构主要包括冷热风机、卷帘遮阳补光装置、水泵加湿灌溉 装置和水泵施肥装置，对温室内环境参量的调整，保证作物的良 好生长。图1 温室大棚监控系统的整体结构简图3 系统硬件 本控制系统的硬件主要由电源模块、交流接触器模块、PLC 控制模块、传感器数据采集系统和执行机构组成。 摘 要 温室大棚在现代农业生产中至关重要。想要实现优质、高产及高效，就要对温室大棚的环境因子如温度、湿度、二氧化碳含量及 光照强度等有效检测并控制，对此应用了MATLAB的图像处理检测叶片颜色、纹理、形状特征，并结合传感器与三菱PLC相连使 用等构建了一个自检自控的系统。结果表明，该系统能够实现对温室环境因子准确检测并且有效控制，很好地实现对温室中各参 数的实时监控，较好地满足温室作物对生长环境的要求。 关键词 温室；图像处理；PLC；自检自控 ★ 张海玮，武波，杨爽，骆敏，荆帅（天津大学仁爱学院，天津 301636） Intelligent Greenhouse Control System 27 智青春·创未来第十一届“三菱电机杯”全国大学生电气与自动化大赛论文集 （1）电源模块 电源模块包括一个交流220V供电电源和一个直流24V供电电 源。交流电源分为两部分，一组用于给PLC的电源模块（Q61P） 和QY10模块供电，另一组用于给交流接触器供电。这里使用的 电源转换模块，输入是220V交流电，输出是24V、4.5A的电流。 24V直流电源给PLC的QX10和触摸屏供电。传感器与PLC相连间 接供电；执行机构和接触器相连供电。 （2）交流接触器模块 交流接触器主要连接PLC的输出端和执行机构，接触器由 220V交流进行供电，其常开触点与 PLC输出端和执行机构相连， 用于执行机构的开关控制。其中，执行机构由冷热风机、卷帘遮 阳补光装置、水泵加湿浇水装置和水泵施肥装置五部分组成。 （3）PLC控制模块 我组的PLC控制模块主要采用三菱公司的Q系列的PLC并配 用Q64AD系列的A/D转换块。其中我组选用Q64AD输入的模拟量 为4～20mA电流信号，四路通道分别连接二氧化碳、光强度、温 湿度传感器。 （4）传感器数据采集系统 数据采集系统主要使用温湿度、光强度、二氧化碳四种传 感器来完成对温室大棚内环境参数的采集工作。 二氧化碳传感器是精讯畅通的二氧化碳传感器，它是一款 传感、变送一体化的传感器，适用于实验室及农业大棚等二氧化 碳的测量。其供电方式是直流9～24V，输出信号是 4～20mA 电 流信号，量程是 0～5000ppm。 光照传感器是精讯畅通光照度传感器，传感器精选优质感 光球，具有高度灵敏、全防水等特点。其供电方式是直流 24V， 输出信号是 4～20mA 电流信号，量程是 0～65535Lux。 温湿度传感器采用瑞士SENSIRION温湿度传感器，长期稳 定性好。具有低漂流、响应速度快、抗干扰能力强等特点。供电 范围在9～36VDC，输出信号是4～20mA电流信号，温度量程是 0～100℃，湿度量程是0～100RH。 （5）执行机构 执行机构主要由冷热风机、卷帘遮阳装置、水泵加湿浇水 装置和水泵施肥装置五部分组成。 冷风机主要用于实现温室内过高温度的控制和温室内气体 比例不平衡的调节。当温度高于农作物正常生长温度的上限值 时，则打开左侧风扇，通过风扇对温室大棚进行降温处理；当室 温在正常温度范围内时，左侧风扇停止转动。当温室的气体不平 衡时，则左右两侧的风扇都会开启，通过一个风扇吹气，一个风 扇吸气，达到气体交换的目的，从而使温室气体比例达到平衡； 当温室气体比例平衡时，两侧的风机停止工作。 热风机主要用于提高温室内的温度。考虑到一年有四季， 随着天气变凉，温室的温度也会降低，这时就需要开启热风机调 节温度来达到植物生长的最适温度范围。 卷帘遮阳补光装置主要用于保证室内农作物能够在良好的 光照条件下进行有效的光合作用，促进作物正常生长。 水泵加湿浇水装置主要应用于农作物的加湿灌溉工作，通 过湿度传感器和图像处理检测环境湿度和植物水分是否充足，若 是没有达到农作物正常生长所需湿度环境，则水泵开始加湿，喷 头以喷雾式加湿。若是没有达到农作物正常生长的水分要求，则 水泵灌溉开始，喷头以喷水式灌溉。 水泵施肥装置主要应用于农作物施肥工作，本系统主要以 施液体肥料为主。液体肥料具有成分比例可调节、施肥方便等特 点。通过PLC定期给植物施肥。 4 系统软件 系统软件主要由PLC测控程序、MATLAB图像处理系统 构成。 （1）PLC测控程序 PLC采集和控制温室内环境参量，采集过程中需将传感器 输出电流模拟信号与PLC输入数字量之间进行转变，因此在编写 PLC 程序时，必需把温湿度的模拟量值与PLC中的数字量关系建 立起来。具体计算方法和公式（1）如下 温度﹕ 25 . 6 4 − ） （I T 湿度 25 . 6 4 − ） （I H 二氧化碳含量 5 . 312 4 − ） （I E 光照强度﹕ 9375 . 4095 4 − ） （I G （1） 上式中T表示实际温度值，单位为℃；H表示实际湿度值， 单位为RH；E表示二氧化碳含量，单位为ppm，G表示光照强 度，单位为Lux；I表示传感器输出值，通过Q64AD模块并结合上 述公式，写出采集数据和数据的转变程序，采集和控制程序流程 图如图2所示。图2 采集和控制程序流程图 28 智青春·创未来第十一届“三菱电机杯”全国大学生电气与自动化大赛论文集 （2）MATLAB图像处理系统 本系统利用了MATLAB软件对植物叶片进行无损伤测量与 检测的图像处理技术。首先，本系统采集的50组样本叶片用 MATLAB软件对其颜色特征、纹理特征及形状特征进行综合分 析。其中根据颜色特征分析出颜色的一阶矩、颜色二阶矩和颜色 三阶矩。根据纹理特征分析出样本叶片纹理走向均值、纹理排列 方差及纹理重合度。根据形状特征则分析出样本叶片的周长、面 积及外形轮廓。其次，通过这三个方面的数据进行概率统计计 算，利用中心极限定理最优化设计（梯度法）寻求最优样本叶 片颜色特征数值、纹理特征数值及形状特征平均值（K-means均 值）。中心极限定理如公式2所示。最后，为每一个特征加上符 合植物叶片生长规律的权重得到新样本的三个特征值向量，利用 分析出结果的待测样本的颜色特征、纹理特征及形状特征与样本 特征值向量比较。当不符合范围的特征时，输出该叶片相对应的 所要提供的能源供应；当符合范围时，则不作输出。（2）图3 图像处理流程图 5 系统的实际运行 为了验证本系统的工作稳定性和可靠性，随机选取某一天 采集数据进行分析。以温度为例，温度给定范围是26～29℃，根 据采集数据绘制的曲线如图4。图4 时间与温度关系图 测试结果表明，该控制系统工作稳定，可以满足基本的控 制需求。 6 结论 应用三菱PLC和MATLAB图像处理等构建了PLC温室测控系 统。通过图像处理检测叶片颜色、纹理、形状特征和传感器采集 二氧化碳、温湿度、光强度等数据，准确得出了温室环境因子对 植物的影响，并通过PLC控制执行机构来很好调节温室环境，为 多种植物提供最佳的生长环境。基本的实验测试表明，该测控系 统工作稳定，操作简单，具有一定发展和应用前景。 作者简介 张海玮（1983-），讲师，就职于天津大学仁爱学院，研究方向为电 力电子技术与智能控制。 武 波（1968-），讲师，就职于天津大学仁爱学院，研究方向为非 线性动力学系统混沌控制。 杨 爽（1993-），天津大学仁爱学院学生，研究方向为机械设计及 制造。 骆 敏（1996-），天津大学仁爱学院学生，研究方向为自动化。 荆 帅（1996-），天津大学仁爱学院学生，研究方向为电气及自 动化。 参考文献 [1] 刘方，栗震霄． 我国农业温室控制系统控制模式的研究［J］． 农机化研究，200810223－226. [2] 南书明.关于智能温室自动控制系统的应用探索[J].价值工程，20143572-73. [3] 王兆义,杨新志.三菱 FX3U 系列 PLC 技术特点[J].电世界,200791-3. [4] 王立舒，杨广林，徐向峰，等． 日光温室温、湿度模糊控制系统研究［J］．东北农业大学学报，2005，365625-627 [5] 王耀南, 李树涛, 毛建旭.计算机图像处理与识别技术[ M] .北京高等教育出版社, 2001