基于三菱PLC的一种温室温湿度数据采集节点技术设计

【摘要】本文以三菱FX3U为工控核心，对系统硬件结构、软件系统及其数字传感器件进行分析和选择，提出了一种利用DS18B20、DHT11传感器为节点、有效采集温室温度和湿度的技术方案。同时，提出的技术方案对温度控制和湿度控制进行了流程设计，为后续模块化功能设计做了基础研究。另外，对于系统中上位机和下位机的通信，我们也在研究中考虑为系统将来进一步技术完善而预留了空间。

【关键词】三菱PLC；DS18B20；DHT11；温湿度监测

一般而言，温度和湿度是温室大棚最容易控制和调节的环境因子。温室大棚对温度控制及调节主要有下面三种形式：增温、降温、恒温。温度的控制与调节要确保大棚内的作物能茁长生长，棚内温度分布要均匀，变化范围要小，不影响作物的生长。而温室内的湿度分为空气湿度和土壤湿度，调节好两种湿度方能更好地控制棚内的湿度，湿度的调控范围一般在20%RH～90%RH之间，其精度则为±5%。湿度调控和温度调控之间可能会相互影响，所以我们设计一种利用三菱PLC为工控核心的监测系统，能够实现温室内温度和湿度的有效监控。

本文设计的控制系统主要由以下三个部分构成：人机界面、PLC主控制器、数据采集节点。各种传感器节点对大棚内温度因子进行实时检测，然后通过A/D转换器转换后传入给单片机，完成了环境数据采集；主控制器为PLC，监控模块则由PC机和组态软件组成，两者通过串口进行通信来控制系统的执行部件，实现了控制过程的智能化、人性化。

采集数据节点分布在大棚内部，通过节点模块上的传感器采集大棚内各个位置温度值、湿度值和光照强度值，通过单片机处理后传给输入端口，输入端口再传给PLC。PLC将各个节点采集的数据进行处理计算，取其计算平均值作为棚内实际值，PLC程序处理平均值后得到相应控制数据，通过输出端口传输给采集节点，然后节点再驱动相应控制设备，并通过人机界面触摸屏反应控制设备的运行状态。

一、系统硬件部分设计

采用上位机三菱GT系列触摸屏和下位机三菱FX-3U系列可编程控制器、STC系列单片机组成分布式温室控制系统的硬件部分。智慧大棚温室系统监控和环境参数的设置由触摸屏完成，单片机负责对温室参数信息采集，控制中心PLC负责接收，并对参数进行逻辑运算，从而控制设备运行。由于PLC的生产已经实现批量生产，并且PLC在使用已形成一个系统的标准，使用过程中随时对每个环节进行调整，方便可靠，成本较低，所以控制系统选择以PLC为主控器进行研究和设计。

二、系统软件部分设计

根据系统硬件的选择，选择三菱GT系列触摸屏作为系统的上位机监测软件，三菱3U系列PLC作为下位机系统软件，触摸屏的监控程序则由触摸屏相应编程软件进行设计，PLC的控制程序则采用GXWork2编程软件进行设计和开发。系统软件的选择立足于满足对温室环境因子检测和监控，同时也要完成上下位机之间数据信号的传输，而且整个系统的设计实现人机界面简单显示，环境因子控制能简单方便，同时满足适用性好、通用性强的软件开发原则，为系统以后功能的扩充和进一步开发留下余地。

三、传感器件的选择

传感器系统的主要功能是将传感器采样得到的模拟信号转换成温室现场控制器所需要的信号。温室环境参数的检测中，传感器位于作物需要检测的位置，一般通过双绞线的方法将检测到的信号传输给温室控制器。考虑到传输距离的问题，本文设计中将系统的输出电流都控制在0～10mA，从而减小传输过程中的干扰，保证采样值的准确性与可靠性。传感器型号的选用应该首先考虑使用方便，变换電路简单等特点。温度传感器DS18B20是电流输出型温度传感器，以电流输出量作为温度指示，其电流温度灵敏度为1μA/k。它的输出电流精确地正比于绝对温度，可以作为精确测温元件。DS18B20只需要一个电源（3.0-5.5V/DC），即可实现温度到电流源的转换，使用方便。DS18B20的校准精度可达±0.5℃，当其在常温区范围内校正后，测量精度可达±0.1℃。作为一种正比于温度的高阻电流源，它克服了电压输出型温度传感器在长距离温度遥测和遥控应用中电压信号损失和噪声干扰问题，不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声的干扰，因此，除适用于多点温度测量外，特别适用于远距离温度测量和控制。因此，选用DS18B20传感器可达到设计要求。

另外，设计时选用的DHT11传感器是一种数字温湿度传感器，可以实现温湿度信号共同检测和传递，DHT11主要采用了特殊的数字模块采集技术和专业的温湿度传感技术，保证了该传感器的稳定性和可靠性。DHT11传感器由一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件组成，同时可以连接一个8B性能的单片机。同时，DHT11还有传感器使用单线串行接线端口，使系统连接和控制更加简单方便。DHT11传感器的测量范围：湿度量程为20%RH～90%RH，精度为±0.5RH；温度量程为0℃～50℃，精度为±2℃。

四、节点电路设计

根据温室内作物生长环境的需求，把STC89C52单片机作为数据采集节点的核心元件，集成DS18B20温室传感器、LCD1602字符型液晶显示器等元器件，最终运用Proteus电路仿真软件对数据采集节点电路进行设计。

如图1所示，采集数据节点分布在温室内，通过节点模块上的传感器采集大棚内各个位置温度值、湿度值，通过单片机处理后传给输入端口，输入端口再传给PLC。PLC将各个节点采集的数据进行处理计算，取其计算平均值作为棚内实际值，PLC程序处理平均值后得到相应控制数据，通过输出端口传输给采集节点，然后节点再驱动相应控制设备，并通过人机见面触摸屏反应控制设备的运行状态。

PLC软件设计了按下启动按钮，PLC卡随即开始扫描，温度传感器将温湿度测量值信号送到PLC中，与PLC设定的值进行对比分析，最后将得到的分析结果输出给驱动机构，如果分析结果值高于设定值，则控制打开通风扇或风机，如果分析结果值等于设定结果等于低于设定值，则打开供热设备。假设风机、供热设备或传感器出现故障的时候就发出声光报警。空气湿度传感器将检测的温室参数送到PLC中，PLC将检测值与设定值进行比较，如果空气温度高与设定值，则控制打开风机进行去湿，如果测量值等于设定值，则关闭风扇和风机；如果测量值低于主设定值，则发出指令控制打开空气湿度电磁阀，对空气进行喷雾。土壤湿度传感器检测的值先送到PLC中，与PLC设定的值进行对比分析，如果测量值高于设定值，则由PLC发出控制，关闭控制土壤湿度的电磁阀；如果电磁-阀发生故障则会发出声光警报。

五、温度控制流程设计

当控制系统开始运行时，温度传感器对大棚内的温度值进行检测，经过单片机的运算处理后传给PLC，与PLC设定好的温度值进行对比分析。当检测值等于设定值，则保持大棚的温度不变；当测量值小于设定值，则打开加热器对大棚进行加热；当测量值大于设定值，则运行散热风扇对大棚降温。温室控制工作流程如图2所示。

六、湿度控制流程设计

系统开始工作时，湿度传感器对大棚环境湿度进行检测。空气湿度传感器和土壤湿度传感器将测量结果送到PLC中心后，PLC将测量值与设定值进行比较，如果测量值等于或大于设定值，则关闭喷灌电磁阀；当小于设定值时，则打开喷灌电磁阀。湿度控制流程图如图3所示。

参考文献

[1]廖常初.FX系列PLC编程及应用[M].北京：机械工业出版社，2012.

[2]楼然苗.单片机课程设计指导[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[3]董文国.蔬菜温室大棚智能控制系统的设计[D].山东：曲阜师范大学，2012.

[4]葛瑜.基于PLC和组态王的智能灌溉系统设计[J].江苏农业科学，2014（12）.

[5]胡金山，王熙.基于PLC、MCGS组态技术的北方寒地温室环境监控系统设计[D].江苏：江苏农业大学，2015.

作者简介：高毅（1978—），男，苗族，贵州贵阳人，硕士，贵阳学院机械工程学院，副教授，研究方向：机械工程及其自动化。

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