摘 要：為促進植物生長、發(fā)育，根據(jù)漢麻生長特點，調節(jié)漢麻育種室環(huán)境參數(shù)，模擬自然生長環(huán)境，對漢麻育種室的自動控制方案進行設計與研究。系統(tǒng)設計對溫濕度、光照強度、光照時間、土壤含水率等關鍵參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集并自動控制，具有數(shù)據(jù)采集、顯示、數(shù)據(jù)遠傳、手動\自動控制、數(shù)據(jù)記錄、報警提示、報表查詢打印等功能，采集的數(shù)據(jù)可本地顯示，也可通過網絡進行上傳，使用電腦和手機App軟件進行實時監(jiān)測查看。系統(tǒng)可應用于育種室、小型溫室、小型花卉大棚等。
受地域及氣候環(huán)境條件的影響，自然條件下開展?jié)h麻育種通常每年僅能種植選育1代，而在育種室內育種可每年完成2～3代，大大縮減了育種工作時間。漢麻室內育種對農業(yè)生產具有重要意義，隨著科學技術的不斷發(fā)展，農業(yè)生產信息化已成為提高農業(yè)生產的必然趨勢。育種室內環(huán)境因子對植物生長有很大的影響，自動控制組件應用于育種室、溫室、大棚等控制系統(tǒng)中，可精準控制溫室內的各環(huán)境因子，保持植物生長在一個適宜的環(huán)境，提高其品質和產量。
1整體方案設計
系統(tǒng)控制分為手動控制和自動控制，控制主要的技術參數(shù)有溫度、濕度、光照時間、光照強度、土壤水分；控制設備有電加熱器、霧化加濕器、燈光位置調節(jié)電機、風扇、土壤滴灌及室內通風風機等。
核心處理單元采用PLC進行系統(tǒng)參數(shù)計算及控制。PLC作為一種通用工業(yè)控制器具有可靠性高、使用靈活方便、控制精度高、控制功能完善等特點，符合育種室多參數(shù)控制要求。PLC內部485通信端口與溫濕度儀表及采集模塊進行通信讀取數(shù)據(jù)，采集模塊將光照強度、CO2濃度、O2濃度、土壤水分等幾個育種關鍵技術參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集及轉換，PLC讀取數(shù)據(jù)進行處理運算，驅動相應控制設備，自動控制育種室內環(huán)境參數(shù)，物聯(lián)網云盒將數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網上傳到手機及上位機，組態(tài)軟件進行參數(shù)顯示、查看和記錄。
系統(tǒng)的功能包括上位機組態(tài)畫面、參數(shù)顯示、報警提示、數(shù)據(jù)記錄與查詢、報表查詢打印及用戶操作權限等。
圖1 上位機組態(tài)軟件示意圖
1.1處理單元
核心處理單元采用三菱FX3U-32M系列PLC，該PLC是三菱第三代微型可編程控制器，內置高達64K大容量的RAM存儲器，內置業(yè)界高水平的高速處理0.065μS/基本指令，該控制器左側擴展槽可以連接功能強大、簡便易用的適配器，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。多個育種室數(shù)據(jù)集中采集處理，可采用該三菱PLC的特有N:N網絡通信模式，此通信方式操作簡單，不用復雜的程序制作，可實現(xiàn)多個PLC之間的數(shù)據(jù)通信，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€主站內，通過主站可對多個育種室進行數(shù)據(jù)處理。
圖2 PLC通信示意圖
如圖2所示，設計PLC左側擴展槽安裝485ADP模塊，采集單個育種數(shù)據(jù)，其中包括溫濕度儀表、CO2濃度、O2濃度、光照強度、土壤水分含量等數(shù)據(jù)。圖中黃色標線部分，三菱PLC內部485通信端口作為多個PLC之間的數(shù)據(jù)通信，主站通過N:N網絡通信模式，讀取其他多個育種間內的所有參數(shù)及數(shù)據(jù)，實現(xiàn)多個育種室數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。
1.2溫濕度控制
溫度是植物生長的關鍵環(huán)境因素，也是育種室內控制的重要參數(shù)，穩(wěn)定適宜的溫度參數(shù)對漢麻生長非常有利，也會減少病蟲害等。另外，漢麻在大田里生長時，白天和夜晚溫差較大。漢麻育種間內，夜間不主動降溫，晝夜溫差會非常小，漢麻在溫差較小的環(huán)境內生產易生病且生長不粗壯。
溫濕度的控制采用485通信功能儀表，溫濕度值本地顯示，儀表寬泛直流供電DC10V～30V，溫度采集精度±0.3℃，濕度采集精度±2%RH，溫度量程范圍-40℃～120℃，濕度量程范圍0%RH～100%RH，溫度分辨率為0.1℃，濕度分辨率為0.1%RH，該儀表功能參數(shù)符合漢麻育種室參數(shù)的自動控制指標要求。
通過上位機軟件設定，晝夜設定不同的溫度值，模擬自然環(huán)境，保持漢麻生長的溫差值。采集的實時溫度數(shù)據(jù)與設定值比較，控制電加熱器和通風風機的運行狀態(tài)，調節(jié)育種室內溫度。通過試驗，加熱方式采用比例運算控制即可達到溫度控制要求，驅動電加熱器的開關狀態(tài)及開關時間長短，提升育種室內溫度。育種室內溫度需要降低時，關閉加熱設備，打開降溫通風風機，進行室內外空氣交換，來實現(xiàn)降溫控制，使育種間內達到一個比較穩(wěn)定的溫度參數(shù)。
在溫度的提升比例運算控制中，需要調配合適的比例值，根據(jù)育種室面積大小及電加熱器功率大小等實際情況來調配比例值。比例值過大或過小都會導致控制曲線的上下浮動。
溫度、天氣、土壤水分含量等條件的變化都會導致育種間內的空氣濕度發(fā)生較大變化，育種室內濕度過大或過小都會影響漢麻的生長，可能導致漢麻生蟲染病、干枯、黃葉等。對濕度精準的范圍控制，可提高漢麻生長質量。根據(jù)漢麻生長不同時期設定不同的濕度范圍值，采集傳感器數(shù)據(jù)與設定范圍值做比較，濕度較小時驅動加濕裝置，對育種室內加濕處理；濕度較大時，開啟排風風機，啟動室內風扇，進行排濕來降低室內濕度，使育種室內有良好的濕度環(huán)境。
1.3補光時間控制
由于育種室內光照強度較弱，光照時間較短，所以育種室內需要補光處理。光照時間控制由上位機進行設置，可設定起始光照時間及光照時長，如設定每天早6點開啟照明，照明時長12h，那么上位機軟件將設定值下傳到PLC內，PLC程序進行指令比較運算，比較系統(tǒng)時間，時間到達6點，根據(jù)標志位的比較情況，開啟照明，時間到達18點，進行關閉照明動作，如此循環(huán)比較，實現(xiàn)光照時間的精準控制。
1.4光照強度控制
補光燈距離植物的遠近會使光照強度變化很大。通過讀取光照強度傳感器數(shù)值，控制補光燈吊裝電機的正反轉動，帶動拖繩轉動，可實現(xiàn)補光燈高低位置變化，實時反饋光照強度數(shù)據(jù)，直到反饋的數(shù)據(jù)達到預設值范圍內，電機停止轉動鎖定位置，實現(xiàn)光照強度的控制。
由于漢麻植株較高，生長較快，隨著時間的推移，育種室內漢麻生長一段時間后，高度會有較大變化，對補光的光照強度控制，需要對光照強度傳感器位置進行校正。
1.5土壤水分含量控制
將滴灌技術和自動化技術結合，對提高節(jié)水灌溉效率、節(jié)約人力成本有重要意義，對盆內的土壤水分含量控制是十分必要的，控制包括兩部分，即自動蓄水部分和自動滴灌部分。自動上水包括自來水、電磁閥、水龍頭、浮球開關、蓄水槽等。浮球開關檢測蓄水槽內水位情況，當水位達到最低時，PLC檢測到水位低信號，驅動電磁閥，水龍頭處于常開位置，自來水會不斷流入蓄水槽內。當水位達到最高水位，PLC關閉電磁閥，自來水停止流入水槽內，這樣實現(xiàn)自動蓄水功能。
自動滴灌部分是通過監(jiān)測土壤水分含量，PLC讀取盆內的水分含量值，與上位機水分含量設定值上下限作比較，判斷是否需要補水，需要補水時，啟動滴管裝置進行補水，保持盆內水分含量在一個正常范圍內。
圖3 自動滴灌示意圖
1.6室內通風控制
根據(jù)室內環(huán)境的變化，CO2濃度、O2濃度及溫濕度的限定條件，來啟動室內通風風扇，保持育種室內有一個較好的生長環(huán)境。通常條件下，育種間空氣長期不流通，會導致育種室內的環(huán)境發(fā)生變化，CO2濃度、O2濃度發(fā)生變化，不利于植物的生長，通過監(jiān)測濃度的變化，相應啟動通風風機運行，空氣流動及交換，保持育種室內有較好的生產環(huán)境。通風風機不僅能調節(jié)空氣環(huán)境質量，降低空氣濕度，對育種間內的溫度降低也有著重要作用。
2系統(tǒng)功能設計
2.1報警提示功能
系統(tǒng)設計報警功能，包括溫度上下限報警、濕度上下限報警、土壤水分含量上下限報警、485通信錯誤報警等，根據(jù)設定參數(shù)的范圍，技術參數(shù)值過高或過低時，系統(tǒng)會在本地和遠傳上位機上出現(xiàn)報警提示并記錄，提示工作人員進行相應的技術操作。
2.2數(shù)據(jù)記錄與查看
系統(tǒng)具有技術參數(shù)數(shù)據(jù)的記錄、查詢及打印功能，可隨時對某一時間段數(shù)據(jù)進行查看和記錄，需要的數(shù)據(jù)可進行在線打印。
2.3趨勢曲線功能
對重要的技術參數(shù)進行實時的曲線顯示并記錄保存，形成歷史趨勢曲線，可完整查看一個時間段內參數(shù)的歷史曲線形。如早晚溫度變化、濕度變化等情況，可直觀反映育種室內的技術參數(shù)走向，為漢麻育種技術提供更可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。
2.4操作權限功能
用戶操作權限功能是針對個人使用情況，對全部或某些參數(shù)進行權限管理操作，通過特定的參數(shù)實現(xiàn)加密保護，防止人員誤操作，防止重要試驗參數(shù)泄露，起到保障性作用，操作權限功能便于育種室的管理和使用。
3結語
近些年，物聯(lián)網技術在溫室中的應用越來越廣泛，從早期的手動控制到現(xiàn)在的智能自動控制，故國內室內環(huán)境控制技術取得了較快發(fā)展。自動控制系統(tǒng)加入漢麻育種室內，為漢麻生長提供了更適宜、更穩(wěn)定的生長環(huán)境，大大縮短了漢麻育種的工作時間。隨著農業(yè)技術、自動控制技術、人工智能技術、5G網絡技術等的進一步發(fā)展，溫室控制必然向著信息化、智能化、高效化、無人化發(fā)展。
參考文獻
[1]莫莉莉.花卉溫室大棚智能控制系統(tǒng)設計分析[J]．南方農業(yè)，2021，15（12）:234-235.
[2]宋鑫.基于S7-200PLC的溫室溫濕度控制系統(tǒng)[J]．科學技術創(chuàng)新，2020，（05）:69-70.
[3]王貴宇.三菱PLC在溫室控制系統(tǒng)中的運用[J]．山東工業(yè)技術，2019，（12）:170.
[4]劉五一，肖鵬飛，付建紅.淺談滴灌技術在單株家庭盆栽中的應用[J]．中國新通信，2019，21（02）:207.
[5]鄭志建.基于STM32的自動滴灌系統(tǒng)研發(fā)[D]．哈爾濱:黑龍江大學，2018.
[6]李榮，邊玉超，王向軍，等.智能溫室控制的發(fā)展及趨勢探討[J]．信息系統(tǒng)工程，2019，（11）:88，90.
文章摘自：張治國，王曉楠，朱浩，張曉燕.漢麻育種室自動控制系統(tǒng)的設計[J].黑龍江科學，2022，13（08）:64-66.
