一种设施农业环境全自动测控系统及其控制方法与流程

本发明涉及一种全自动测控系统，尤其是一种设施农业环境全自动测控系统及其控制方法，属于农业设施环境监控领域。

背景技术：

设施农业包括畜禽养殖和温室设施两种，随着现代农业畜牧业和植物工厂的发展，设施农业在生产作业中，环境参数对动植物的生长、产量有重要的影响，使得对环境参数的测控要求越来越高。在一些设施农业，如温室、家禽孵化、家畜产仔等，其生产环境对温度的控制相对较高的场所，空调作为一种商业化的成熟的设备，是环境温度调节设备的理想选择。

现有的设施农业环境参数监测系统有无线监测、有线监测；无线监测一般是采用电子采集电路和无线传输网络，这种电子电路环境参数采集系统一般很难对风机等执行机构进行控制；有线监测以PLC控制系统、总线技术系统较多，能够实现对现场参数的采集和对执行机构控制；现有的系统以风机、排风扇、降温湿帘等机构对环境进行调节，但空调作为独立的设备，很难和现有的检测系统一体实现全自动控制。

因此有必要设计一种能融合空调自动启停的全自动设施农业环境监测和控制的系统，通过空调的自动启停控制来满足现代设施对较高环境控制的需求。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服上述现有技术的缺陷与不足，提供了一种设施农业环境全自动测控系统，该系统将对空调的启停控制与PLC监测融合一体，实现对环境的全自动测控，相当方便和简便。

本发明的另一目的在于提供一种基于上述系统的控制方法。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种设施农业环境全自动测控系统，包括PLC控制器、集线器、人机交互设备、环境参数检测传感器、空调远程控制模块和空调，所述PLC控制器与集线器连接，所述集线器分别与环境参数检测传感器、空调远程控制模块连接，所述人机交互设备通过通信接口与PLC控制器连接，所述空调远程控制模块用于对空调进行启停控制。

作为一种优选方案，所述系统还包括风机、排风扇和水泵；所述PLC控制器的输入端接有开关，输出端接有接触器，所述开关包括风机启停开关、排风扇启停开关和水泵启停开关，所述风机、排风扇和水泵通过接触器与电源连接。

作为一种优选方案，所述PLC控制器包括总线接口，总线通过该总线接口连接到集线器的输入端，所述集线器的输出端分别与空调远程控制模块、环境参数检测传感器连接。

作为一种优选方案，所述空调远程控制模块包括单片机、红外发射电路、总线接口电路和按键电路，所述红外发射电路、总线接口电路和按键电路分别与单片机连接。

作为一种优选方案，所述红外发射电路包括第一三极管、第二三极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和红外发射管，所述第一三极管的发射极与第二三极管的发射极相连接，构成功率放大电路，第一三极管的基极通过第一电阻与单片机相连接，第一三极管的集电极连接电源，所述第二三极管的基极通过第二电阻与单片机相连接，第二三极管的集电极与红外发射管的阳极相连接，所述红外发射管的阴极通过第三电阻接地；

单片机与第一三极管的基极相连接的端子输出载波信号，与第二三极管的基极相连接的端子输出基带信号，载波信号和基带信号合成输出调制载波信号，通过红外发射管发射出去。

作为一种优选方案，所述总线接口电路采用总线接口芯片，总线接口芯片的RO引脚连接单片机的RXD端，为单片机的数据接收端；总线接口芯片的DI引脚连接单片机的TXD端，为单片机的数据发送端；总线接口芯片的A/B引脚通过集线器与PLC控制器的A/B端相连接，为总线接口芯片与PLC控制器的数据收发端，总线接口芯片的A引脚和B引脚之间接有第四电阻；总线接口芯片的DE引脚为高电平时，总线接口芯片处于发送状态，将单片机的数据发送给PLC控制器；总线接口芯片的RE引脚为高电平时，总线接口芯片处于接收状态，将PLC控制器的数据/指令发送给单片机。

作为一种优选方案，所述空调远程控制模块还包括复位电路和晶振电路，所述复位电路包括第一负载电容、复位按键和第一上拉电阻，所述复位按键的一端与单片机的RST端连接，另一端与第一上拉电阻串联后与电源连接，复位按键与第一上拉电阻的串联电路与第一负载电容并联；所述晶振电路包括第二负载电容、第三负载电容和晶振，所述晶振的一端与单片机的XTAL1端连接，另一端与单片机的XTAL2端连接，所述第二负载电容的一端与单片机的XTAL1端连接，另一端与第三负载电容连接后，连接到单片机的XTAL2端，第二负载电容和第三负载电容的连接点接地。

作为一种优选方案，所述按键电路包括第一温度设定按键、第二温度设定按键和停止按键，所述第一温度设定按键、第二温度设定按键和停止按键并联，且第一温度设定按键、第二温度设定按键和停止按键的一端分别连接单片机三个不同的输入端，第一温度设定按键、第二温度设定按键和停止按键的另一端短接，并通过串联第二上拉电阻、第一负载电容后与电源连接。

作为一种优选方案，所述空调远程控制模块还包括温度指示电路，所述温度指示电路包括第一指示灯、第二指示灯、第五电阻和第六电阻，所述第一指示灯与第一温度设定按键相对应，所述第二指示灯与第二温度设定按键相对应，所述第一指示灯与第五电阻并联，所述第二指示灯与第六电阻并联，所述第一指示灯和第五电阻的一端与单片机的对应输出端连接，所述第二指示灯和第六电阻的一端与单片机的对应输出端连接，所述第一指示灯、第二指示灯、第五电阻和第六电阻的另一端短接，并与电源连接。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基于上述系统的控制方法，所述方法包括以下步骤：

S1、空调远程控制模块有手动控制和自动控制两种模式，若选择手动控制，进入步骤S2，若选择自动控制，进入步骤S3；

S2、手动控制

当按下复位按键时，空调远程控制模块的单片机复位；

当按下第一温度设定按键时，若空调处于开启状态，则空调远程控制模块向空调发送相关指令，使空调温度运行在温度T1，同时第一指示灯亮；若空调处于停止状态，则空调远程控制模块向空调发送相关指令，使空调开启，并使空调运行在T1温度值，同时第一指示灯亮；

当按下第二温度设定按键时，若空调处于开启状态，则空调远程控制模块向空调发送相关指令，使空调温度运行在温度T2，同时第二指示灯亮；若空调处于停止状态，则空调远程控制模块向空调发送相关指令，使空调开启，并使空调运行在T2温度值，同时第二指示灯亮；

当按下停止按键时，则空调远程控制模块向空调发送停止指令，使空调停止；

S3、自动控制

系统上电后，空调远程控制模块开始工作；

通过PLC控制器设定到达t1时刻所需运行的温度为T1，设定到达t2时刻所需运行的温度为T2；在设定的时刻t1到达时，PLC控制器发送相关指令给空调远程控制模块的单片机，单片机在接收到指令后，自动发送温度T1的指令码给空调，使得空调温度变为T1；同理，在设定的时刻t2到达时，空调远程控制模块的单片机在接收到PLC控制器的相关指令后，发送温度T2的指令码给空调，使得空调温度变为T2。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明能够实现将空调设备与PLC控制技术融合一体，PLC控制器可以通过集线器自动发送空调控制指令给空调远程控制模块，由空调远程控制模块根据指令对空调进行启停控制，还可以通过环境参数检测传感器检测设施农业环境的参数(如温度、湿度、光照度等)，并根据这些环境参数，通过空调远程控制模块手动对空调进行启停控制，方便用户进行操作。

2、本发明系统还设置了风机、排风扇和水泵，可以根据环境参数检测传感器采集的参数，由PLC控制器进行运算，如温度过高(采集的温度参数大于或等于设定的温度阈值)或湿度过高(采集的湿度参数大于或等于设定的湿度阈值)时，PLC控制器可以通过接触器驱动风机、排风扇和水泵工作，待温度或湿度下降到符合要求时，PLC控制器可以通过接触器使风机、排风扇和水泵停止工作。

3、本发明系统可以在没有人工的干预下，实现对设施农业环境的自动测控，很好地实现了空调设备与环境检测系统的统一控制，实现设施农业内环境温度的精确控制，目前国内外没有融合空调自动启停的设施农业环境全自动测控系统，是具有创新性的一种全自动设施农业环境测控制系统。

附图说明

图1为本发明的设施农业环境全自动测控系统结构示意图。

图2为本发明的设施农业环境全自动测控系统中PLC控制器与环境参数检测传感器、空调远程控制模块的关系示意图。

图3为本发明的设施农业环境全自动测控系统中空调远程控制模块的电路框图。

图4为本发明的设施农业环境全自动测控系统中空调远程控制模块的电路原理图。

图1～图3中，1-PLC控制器，2-集线器，3-人机交互设备，4-空调远程控制模块，5-环境参数检测传感器，6-风机，7-排风扇，8-水泵，9-空调，10-控制柜，11-单片机，12-红外发射电路，13-总线接口电路，14-复位电路，15-晶振电路，16-按键电路，16-温度指示电路；

图4中，Q1-第一三极管，Q2-第二三极管，R1-第一电阻，R2-第二电阻，R3-第三电阻，R4-第四电阻，R5-第五电阻，R6-第六电阻，R7-第一上拉电阻，R8-第二上拉电阻，D1-红外发射管，C1-第一负载电容，C2-第二负载电容，C3-第三负载电容，W1-晶振，RESET-复位按键，STOP-停止按键，KEY1-第一温度设定按键，KEY2-第二温度设定按键，LD1-第一指示灯，LD2-第二指示灯。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1和图2所示，本实施例提供了一种设施农业环境全自动测控系统，该系统包括PLC控制器(Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器)1、集线器2、人机交互设备3、空调远程控制模块4、n个环境参数检测传感器5、风机6、排风扇7、水泵8以及空调9，所述PLC控制器1与集线器2连接，所述集线器2分别与空调远程控制模块4、环境参数检测传感器5连接，所述人机交互设备3通过通信接口与PLC控制器1连接，通信接口可以是以太网接口、PPI(Point to Point Interface，点对点通讯)接口等，所述空调远程控制模块4用于对空调9进行启停控制，本实施例将PLC控制器1和集线器2设置在控制柜10内，并通过24V的直流电源为集线器2供电，图2中只示出了五个环境参数检测传感器5与集线器2的连接，六个或以上环境参数检测传感器的连接同理。

所述PLC控制器1采用西门子公司的CPU ST20，其输入端接有开关，输出端接有接触器，所述开关包括风机启停开关SB1、排风扇启停开关SB2和水泵启停开关SB3，所述风机6、排风扇7和水泵8通过接触器与电源连接，通过开关可以手动对风机6、排风扇7和水泵8进行启停控制，通过接触器可以自动对风机6、排风扇7和水泵8进行启停控制，其包括总线接口，本实施例的总线接口为RS-485总线接口，RS-485总线通过RS-485总线接口连接到集线器2的输入端，集线器2的输出端分别与空调远程控制模块4、环境参数检测传感器5连接，其中环境参数检测传感器5带RS-485总线协议。

所述人机交互设备3可以采用触摸屏，也可以采用上位PC机，本实施例采用触摸屏，通过触摸屏可以启动系统，使系统开始工作，在系统工作后，可以实时监测设施农业环境的参数。

所述环境参数检测传感器5可以包括温度传感器、湿度传感器、光照度传感器等，以便采集温度、湿度、光照度等环境参数。

所述空调远程控制模块4的组成如图3所示，包括单片机11、红外发射电路12、总线接口电路13、复位电路14、晶振电路15、按键电路16和温度指示电路17，所述单片机11、红外发射电路12、总线接口电路13、复位电路14、晶振电路15、按键电路16和温度指示电路17分别与单片机连接。

空调远程控制模块4的电路原理如图4所示，具体如下：

所述单片机11采用STC12C5A60S2单片机芯片，是宏晶科技有限公司生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍，内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S)，针对电机控制，强干扰场合。

所述红外发射电路12包括第一三极管Q1、第二三极管Q2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和红外发射管D1，所述第一三极管Q1的发射极与第二三极管Q2的发射极相连接，构成功率放大电路，第一三极管Q1的基极通过第一电阻R1与单片机相连接，第一三极管Q1的集电极连接电源，所述第二三极管Q2的基极通过第二电阻R2与单片机相连接，第二三极管Q2的集电极与红外发射管D1的阳极相连接，所述红外发射管D1的阴极通过第三电阻R3接地；所述单片机与第一三极管Q1的基极相连接的端子输出载波信号，与第二三极管Q2的基极相连接的端子输出基带信号，载波信号和基带信号合成输出调制载波信号，通过红外发射管D1发射出去。

所述总线接口电路13采用MAX485总线接口芯片，总线接口芯片的RO引脚连接单片机的RXD端，为单片机的数据接收端；总线接口芯片的DI引脚连接单片机的TXD端，为单片机的数据发送端；总线接口芯片的A/B引脚通过集线器2与PLC控制器1的A/B端相连接，为总线接口芯片与PLC控制器1的数据收发端，总线接口芯片的A引脚和B引脚之间接有第四电阻R4，通过第四电阻R4进行阻抗匹配，消除由于不匹配在线路上产生的信号反射；总线接口芯片的DE引脚为高电平时，总线接口芯片处于发送状态，将单片机数据发送给PLC；总线接口芯片的RE引脚为高电平时，总线接口芯片处于接收状态，将PLC数据/指令发送给单片机。

所述复位电路14包括第一负载电容C1、复位按键RESET和第一上拉电阻R7，所述复位按键RESET的一端与单片机的RST端连接，另一端与第一上拉电阻R7串联后与电源连接，复位按键RESET与第一上拉电阻R7的串联电路与第一负载电容C1并联。

所述晶振电路15包括第二负载电容C2、第三负载电容C3和晶振W1，所述晶振W1的一端与单片机的XTAL1端连接，另一端与单片机的XTAL2端连接，所述第二负载电容C2的一端与单片机的XTAL1端连接，另一端与第三负载电容C3连接后，连接到单片机的XTAL2端，第二负载电容C2和第三负载电容C3的连接点接地，其作用是容易启震和减小频率的温漂。

所述按键电路16包括第一温度设定按键KEY1、第二温度设定按键KEY2和停止按键STOP，所述第一温度设定按键KEY1、第二温度设定按键KEY2和停止按键STOP并联，且第一温度设定按键KEY1、第二温度设定按键KEY2和停止按键STOP的一端分别连接单片机11三个不同的输入端，第一温度设定按键KEY1、第二温度设定按键KEY2和停止按键STOP的另一端短接，并通过串联第二上拉电阻R8、第一负载电容C1后与电源连接。

所述温度指示电路包括第一指示灯LD1、第二指示灯LD2、第五电阻R5和第六电阻R6，所述第一指示灯LD1与第一温度设定按键KEY1相对应，所述第二指示灯LD2与第二温度设定按键KEY2相对应，所述第一指示灯LD1与第五电阻R5并联，所述第二指示灯LD2与第六电阻R6并联，所述第一指示灯LD1和第五电阻R5的一端与单片机的对应输出端连接，所述第二指示灯LD2和第六电阻R6的一端与单片机的对应输出端连接，所述第一指示灯LD1、第二指示灯LD2、第五电阻R5和第六电阻R6的另一端短接，并与电源连接。

本实施例还提供了一种基于上述设施农业环境全自动测控系统的控制方法，该方法包括以下步骤：

S1、空调远程控制模块有手动控制和自动控制两种模式，若选择手动控制，进入步骤S2，若选择自动控制，进入步骤S3；

S2、手动控制

当按下复位按键时，空调远程控制模块的单片机复位；

当按下第一温度设定按键时，若空调处于开启状态，则空调远程控制模块向空调发送相关指令，使空调温度运行在温度T1，同时第一指示灯亮；若空调处于停止状态，则空调远程控制模块向空调发送相关指令，使空调开启，并使空调运行在T1温度值，同时第一指示灯亮；

当按下第二温度设定按键时，若空调处于开启状态，则空调远程控制模块向空调发送相关指令，使空调温度运行在温度T2，同时第二指示灯亮；若空调处于停止状态，则空调远程控制模块向空调发送相关指令，使空调开启，并使空调运行在T2温度值，同时第二指示灯亮；

当按下停止按键时，则空调远程控制模块向空调发送停止指令，使空调停止；

在上述手动控制时，用户可以根据环境参数检测传感器采集的环境参数，通过空调远程控制模块手动对空调进行启停控制，方便用户进行操作，假设所设定的温度T1是低温(18℃)，所设定的温度T2是高温(25℃)，如用户判断温度较高时，可以按下第一温度设定按键，如用户判断温度较低时，可以按下第二温度设定按键，如需停止空调运行，用户可以按下停止按键。

S3、自动控制

系统上电后，空调远程控制模块开始工作；

通过PLC控制器设定到达t1时刻所需运行的温度为T1，设定到达t2时刻所需运行的温度为T2；在设定的时刻t1到达时，PLC控制器发送相关指令给空调远程控制模块的单片机，单片机在接收到指令后，自动发送温度T1的指令码给空调，使得空调温度变为T1；同理，在设定的时刻t2到达时，空调远程控制模块的单片机在接收到PLC控制器的相关指令后，发送温度T2的指令码给空调，使得空调温度变为T2。

在上述自动控制时，系统可以根据环境参数检测传感器采集的参数，由PLC控制器进行运算，如温度过高(采集的温度参数大于或等于设定的温度阈值)时，PLC控制器可以可以通过接触器驱动风机、排风扇和水泵工作，待温度下降到符合要求(采集的温度参数小于设定的温度阈值)时，PLC控制器可以通过接触器使风机、排风扇和水泵停止工作，如湿度过高(采集的湿度参数大于或等于设定的湿度阈值)时，PLC控制器可以通过接触器驱动风机、排风扇和水泵工作，待湿度下降到符合要求(采集的湿度参数小于设定的湿度阈值)时，PLC控制器可以通过接触器使风机、排风扇和水泵停止工作；此外，水泵除了作为增湿器以外，还可以作为温室内的水循环系统、养殖舍的供水装置(以便喂水给养殖舍的畜禽)、湿帘等等。

综上所述，本发明系统可以在没有人工的干预下，实现对设施农业环境的自动测控，很好地实现了空调设备与环境检测系统的统一控制，实现设施农业内环境温度的精确控制，目前国内外没有融合空调自动启停的设施农业环境全自动测控系统，是具有创新性的一种全自动设施农业环境测控制系统。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，例如环境参数检测传感器、风机、排风扇、水泵等的数量可以根据实际需要作出改变，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。