基于PLC和GPRS的智能畜牧養(yǎng)殖大棚系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

緒論1.1研究背景和意義在我國(guó)畜牧養(yǎng)殖業(yè)在國(guó)家經(jīng)濟(jì)中占據(jù)了很大比重，尤其是在內(nèi)蒙古、新疆一帶，但是古老的散養(yǎng)模式并不能帶來(lái)高產(chǎn)且優(yōu)質(zhì)的肉類產(chǎn)品。優(yōu)質(zhì)的肉類是當(dāng)今社會(huì)人類必須攝入的蛋白質(zhì)來(lái)源之一，并且肉類在一日三餐中占據(jù)了很大比例，目前中國(guó)大部分肉類主要依賴進(jìn)口國(guó)外，并且人口稠密的城市是不適合進(jìn)行大規(guī)模畜牧養(yǎng)殖的，一些人口稀少的邊遠(yuǎn)地區(qū)又面臨著環(huán)境條件惡略，如果進(jìn)行大規(guī)模畜牧養(yǎng)殖牲畜性命得不到保障，于是一套適應(yīng)我國(guó)國(guó)情的智能畜牧養(yǎng)殖大棚系統(tǒng)就顯得尤為重要。怎么樣去精確且穩(wěn)定的檢測(cè)智能畜牧養(yǎng)殖大棚的環(huán)境參數(shù)、如何實(shí)現(xiàn)定時(shí)定點(diǎn)對(duì)牲畜投喂飼料，如何保障牲畜的飲用水就具有重要的研究?jī)r(jià)值。影響牲畜生長(zhǎng)的原因的比較多，例如溫度、濕度、還有定時(shí)定點(diǎn)的投喂料、充足的飲用水，畜牧大棚對(duì)這些信息的采集也提出了不同的要求，傳統(tǒng)條件下才有電線進(jìn)行上下位機(jī)的關(guān)聯(lián)，因?yàn)樾竽琉B(yǎng)殖基地主要建立在比較偏僻且環(huán)境較為惡略的地方，如果遇到惡略天氣在畜牧大棚內(nèi)部的操作方法就會(huì)失效。于是我采用的一種方案就是使用無(wú)線GPRS傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，這種方案是對(duì)于上述問(wèn)題最好的解決方案并且這種方案的成本低、穩(wěn)定性好。通過(guò)GPRS外掛設(shè)備可實(shí)現(xiàn)上位機(jī)（PLC）和下位機(jī)（計(jì)算機(jī)）遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸，通過(guò)組態(tài)王畫面和PLC按鈕可以滿足現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程上位機(jī)（計(jì)算機(jī)）同時(shí)操控的需求，使上位機(jī)和下位機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)采集信息的運(yùn)算、處理，達(dá)到對(duì)畜牧大棚中的通風(fēng)系統(tǒng)、升溫系統(tǒng)、緊急消防系統(tǒng)、加濕泵加濕系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)、自動(dòng)蓄水系統(tǒng)、自動(dòng)投喂料小車系統(tǒng)的控制。根據(jù)上述研究說(shuō)明我選用了DHTM-025、MQ-2這兩種傳感器來(lái)檢測(cè)畜牧大棚中的溫度、濕度、煙霧濃度、之后將檢測(cè)到的大棚環(huán)境數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS設(shè)備傳輸顯示到精心設(shè)計(jì)的組態(tài)王畫面里。通過(guò)參數(shù)的變化來(lái)達(dá)到對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，本設(shè)計(jì)具有收集數(shù)據(jù)精度高、整體穩(wěn)定性強(qiáng)、控制簡(jiǎn)單、符合我國(guó)國(guó)情的特點(diǎn)，在智能畜牧養(yǎng)殖中可以起到重要作用。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀上世紀(jì)70年代荷蘭、美國(guó)和日本就已經(jīng)開始著手畜禽舍環(huán)境控制系統(tǒng)的研究。國(guó)內(nèi)外很多的成功案例顯示，美國(guó)提出的RFID技術(shù)在畜牧養(yǎng)殖業(yè)的應(yīng)用有很大的前景，目前已經(jīng)成為一種趨勢(shì)。RFID技術(shù)是對(duì)動(dòng)物的養(yǎng)殖、運(yùn)輸、屠宰等方面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以有效的追溯動(dòng)物的源頭，便于當(dāng)發(fā)生疫情的時(shí)候，可對(duì)其進(jìn)行追溯，把疫情的蹤跡暴露出來(lái)，把源頭消滅。RFID技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)能夠提供即時(shí)、具體、可靠的把動(dòng)物從出生到屠宰的整個(gè)過(guò)程的數(shù)據(jù)。RFID技術(shù)在畜牧業(yè)方面分為三級(jí)系統(tǒng)，分別為管理中心、控制中心、檢疫站。應(yīng)用計(jì)算機(jī)養(yǎng)殖是以色列的一大特色，其獸醫(yī)中心、飼料中心、育種中心都建立了全國(guó)的信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，每一個(gè)畜牧養(yǎng)殖基地都安裝了牲畜觀管理軟件，牲畜從出生到出售，實(shí)施全程監(jiān)控。牲畜成長(zhǎng)的各個(gè)階段的數(shù)據(jù)都能及時(shí)被采集，育種專家、獸醫(yī)專家、營(yíng)養(yǎng)專家會(huì)隨著對(duì)奶牛場(chǎng)進(jìn)行綜合數(shù)據(jù)分析，然后提出自己的建議，共享數(shù)據(jù)。1.2.2國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀2018年慧云信息與英方合作單位共同展示了項(xiàng)目的最新研發(fā)成果——可穿戴智能傳感設(shè)備以及智能監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。如今許多養(yǎng)殖場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集是依靠傳統(tǒng)傳感器，不僅體積大功能單一，而且需要定期消毒更換，成本高，而可穿戴智能傳感器外觀小巧輕便，可以配戴在工人身上，在工人完成喂食、清理等工作的同時(shí)，傳感器就能迅速采集到禽舍內(nèi)有害因子如溫度、濕度、光照、二氧化碳、二氧化硫、病原微生物等環(huán)境因素，以及雞鳴聲音這一動(dòng)態(tài)生理因素，方便快捷，且精準(zhǔn)度更高。項(xiàng)目通過(guò)針對(duì)不同季節(jié)、不同品種和不同日齡的家禽養(yǎng)殖場(chǎng)進(jìn)行臨床測(cè)試，同時(shí)通過(guò)可穿戴智能傳感設(shè)備監(jiān)測(cè)有害因子數(shù)據(jù)，定義出健康、亞健康和患病家禽的數(shù)據(jù)基線標(biāo)準(zhǔn)，制定出智能監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)規(guī)范。當(dāng)傳感器采集到禽舍內(nèi)數(shù)據(jù)之后，根據(jù)系統(tǒng)中的家禽有害因子應(yīng)用規(guī)則進(jìn)行自動(dòng)快速分析比對(duì)，一旦有某個(gè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常情況，就可以及時(shí)做出綜合防控措施，比如當(dāng)雞鳴聲音出現(xiàn)異常，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別聲音的頻率高低、聲色特征，判定家禽是否異常，以防家禽發(fā)生病害，降低疫病發(fā)生率，提高家禽成活率。該設(shè)備的生產(chǎn)對(duì)于畜牧業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化、智能化發(fā)展有著重要意義。1.3本課題研究?jī)?nèi)容本設(shè)計(jì)采用了基于PLC和GPRS的智能畜牧養(yǎng)殖大棚系統(tǒng)。溫濕度檢測(cè)采用DHTM-025傳感器，煙霧濃度采用的時(shí)BQ-2，GPRS采用的是振鴻偉業(yè)生產(chǎn)的DTU4gGPRS，PLC對(duì)傳輸?shù)较到y(tǒng)里的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過(guò)GPRS傳輸?shù)缴衔粰C(jī)組態(tài)王中顯示出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫濕度管理的實(shí)時(shí)性和有效性和畜舍防火防災(zāi)的基本安全。同時(shí)設(shè)計(jì)中還包含了定時(shí)定點(diǎn)的自動(dòng)投喂料小車和自動(dòng)蓄水裝置，保障了牲畜的一個(gè)食物和飲水問(wèn)題，同時(shí)組態(tài)畫面也可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到小車和水槽的一個(gè)變化，非常直觀。本設(shè)計(jì)需要完成的任務(wù)主要包括以下內(nèi)容：選擇合適的傳感器完成對(duì)智能畜牧大棚內(nèi)部溫度濕度的檢測(cè)；選擇合適的煙霧傳感器保障畜舍的一個(gè)防火防災(zāi)的安全；設(shè)計(jì)自動(dòng)投喂料下車和自動(dòng)蓄水裝置，保障牲畜的一個(gè)食物和飲水；硬件部分設(shè)計(jì)（控制器型號(hào)的確定，無(wú)線通信模塊的選擇，流風(fēng)機(jī)、遮陰簾、加濕機(jī)、報(bào)警裝置等執(zhí)行結(jié)構(gòu)）PLC軟件設(shè)計(jì)（軟件部分設(shè)計(jì)主要包括：收集和計(jì)算傳輸來(lái)的溫度、濕度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)值、煙霧濃度采集和讀取、自動(dòng)送料小車和自動(dòng)蓄水裝置、無(wú)線通信部分的實(shí)現(xiàn)，數(shù)據(jù)顯示以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制）組態(tài)王設(shè)計(jì)（設(shè)計(jì)組態(tài)王畫面達(dá)到遠(yuǎn)程手控和自動(dòng)控制畜牧大棚的一切執(zhí)行機(jī)構(gòu)，同時(shí)也要直觀的表現(xiàn)出來(lái)送料小車和蓄水槽的狀態(tài)，顯示及記錄畜牧大棚內(nèi)環(huán)境的變化值同時(shí)可以設(shè)計(jì)環(huán)境上下限制）GPRS無(wú)線傳輸?shù)恼{(diào)試。2可編程控制器及GPRS設(shè)計(jì)概述2.1PLC的系統(tǒng)組成與工作原理2.1.1PLC的組成結(jié)構(gòu)可編程序控制器是為工業(yè)控制應(yīng)用而設(shè)計(jì)制造的。早期的可編程控制器稱為可編程邏輯控制。如今人們?nèi)匀谎赜肞LC作為可編程控制器的縮寫名稱。它是一個(gè)以微處理器為核心的數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)裝置，專為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程的存儲(chǔ)器，用于在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、算術(shù)運(yùn)算和定時(shí)計(jì)算等操作指令，并通過(guò)數(shù)字式或模擬式的輸入輸出接口，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程。按硬件的結(jié)構(gòu)形式不同，PLC可以分為模塊式和整體式。本次設(shè)計(jì)中使用的是整體式，這種PLC的CPU、存儲(chǔ)器I/O接口等都安裝在一個(gè)箱體內(nèi)，整體式PLC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格低。小型PLC一般采用整體式結(jié)構(gòu)，整體式PLC成本相對(duì)較低，邏輯控制相對(duì)簡(jiǎn)單。PLC的工作原理PLC的CPU有兩種工作模式：運(yùn)行（RUN）模式和停止（STOP）模式。處于停止（STOP）模式的CPU不執(zhí)行用戶程序，不刷新輸入/輸出過(guò)程映像區(qū)，但會(huì)處理通信請(qǐng)求、執(zhí)行診斷功能，可以下載程序?；诎踩目紤]，對(duì)于輸出模塊的輸出值，有兩種選擇：保持上一次的值或者使用替代值。處于運(yùn)行（RUN）模式的CPU以循環(huán)掃描的方式進(jìn)行工作，依次分為如下幾個(gè)步驟：1）將輸出過(guò)程映像區(qū)的值寫入到外設(shè)的物理地址中；2）將外設(shè)的輸入值讀取到輸入過(guò)程映像區(qū)中；3）調(diào)用主程序組織塊（OB1）；4）處理通信請(qǐng)求、進(jìn)行自我診斷；5）任何時(shí)候如果發(fā)生中斷事件，則進(jìn)行中斷處理；PLC每執(zhí)行一循環(huán)掃描所用的時(shí)間稱為掃描周期，每一個(gè)掃描周期內(nèi)，外設(shè)的值（輸入/輸出）只更新一次，從而保證了PLC在執(zhí)行程序時(shí)，不受外界信號(hào)變化的影響。2.2GPRS技術(shù)概述GPRS同時(shí)也被叫做通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)，GPRS是一種被GSM移動(dòng)電話客戶正在使用的移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，它在數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)中屬于第二代。GPRS被稱為是GSM的延續(xù)。以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞胶虶PRS是有大大不同的，它的計(jì)費(fèi)方式不是像以前以其整個(gè)頻道來(lái)計(jì)算，所以在一些方面上比較便宜。它的傳輸速度相比之前有非常大的提高?，F(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上使用的傳輸技術(shù)就是分組交換技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)向使用者推出WAP游覽、電子信箱等一些功能，使移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)得到了很大的發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)將數(shù)據(jù)通信技術(shù)和移動(dòng)通信技術(shù)的完美融合。2.3GPRS的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用分組交換的傳輸模式是由GPRS首先引入的，將以前GSM采用的電路交換模式來(lái)傳輸數(shù)據(jù)的方式進(jìn)行了質(zhì)的變化，這種轉(zhuǎn)變?cè)跓o(wú)線資源稀少的情況下尤為重要。就電路交換模式來(lái)講，位于全部鏈接時(shí)間內(nèi)，使用者不管有沒(méi)有傳輸數(shù)據(jù)都將一個(gè)人使用無(wú)線信道。在對(duì)話時(shí)間內(nèi)，有很多的程序大多都有很多的閑置時(shí)間，好比上網(wǎng)頁(yè)游覽、接收電子郵件。而在分組交換情況下，使用者僅僅在發(fā)送、接收數(shù)據(jù)的時(shí)間段內(nèi)才使用資源，這就是說(shuō)同一個(gè)無(wú)線信道可以被大量的用戶可高效率地一起使用，提升了信道的利用率。GPRS使用者的計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)是以通信的數(shù)據(jù)量為依靠的，實(shí)現(xiàn)了“用多少，花多少”的原則?，F(xiàn)實(shí)使用中，長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)幾乎是每個(gè)GPRS用戶的連接時(shí)間，然而他們支付的花費(fèi)相對(duì)于其他是非常便宜的。時(shí)代催生了GSM中新的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)GPRS，無(wú)線分組數(shù)據(jù)接入服務(wù)可以用到每一個(gè)用戶的身上。分組交換技術(shù)被GPRS所采用，這項(xiàng)技術(shù)可以使某些固定的信道資源被多個(gè)用戶一起使用。伴隨著帶寬數(shù)量的變多，人們?cè)絹?lái)越喜歡移動(dòng)辦公的方式。在移動(dòng)辦公這種方式下每一個(gè)員工都可以無(wú)論在什么地方什么時(shí)間都可以和公司之間保持暢通的消息連接，這大大提高了工作的效率。這包括警務(wù)執(zhí)法、商務(wù)辦公，農(nóng)林牧業(yè)、移動(dòng)辦公等等。很大程度上提升了辦工和執(zhí)行的速度。3系統(tǒng)的硬件選型與設(shè)計(jì)3.1傳感器的選型與設(shè)計(jì)3.1.1傳感器的選型原則在本設(shè)計(jì)中傳感器的選擇也是一項(xiàng)重要步驟，設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮脡氖怯蓚鞲衅鞯馁|(zhì)量來(lái)決定的，一個(gè)質(zhì)量?jī)?yōu)秀適合系統(tǒng)的傳感器不僅可以降低整個(gè)系統(tǒng)的成本，并且還可以使系統(tǒng)的性能大大提高，所以說(shuō)傳感器的選擇在一個(gè)智能控制系統(tǒng)中顯得尤為重要，由于目前溫濕度、煙霧傳感器的種類很多，所以我們?cè)谶x擇傳感器是要秉著一下原則：功能達(dá)到系統(tǒng)所使用的要求、成本不能太高、使用要便捷易懂、滿足系統(tǒng)的一個(gè)接口要求等等。3.1.2DHTM-025傳感器本設(shè)計(jì)選擇的溫度、濕度傳感器型號(hào)為DHTM-025，實(shí)物圖如圖3-1所示，本次設(shè)計(jì)選用的傳感器具有高密度材質(zhì)外殼、高精度、低功耗、易安裝、范圍廣、一致性好的優(yōu)點(diǎn)。圖3-1溫濕度傳感器實(shí)物圖這里選擇的是5V的規(guī)格的DHTM-025，溫濕度和電壓對(duì)應(yīng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系表3-1所示：表3-1溫濕度與電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系輸出對(duì)應(yīng)表：0-5V電壓（V）00.51.01.522.53.03.54.04.55.0電流（I）-20-1001020304050607080溫度（%RH）01020304050607080901003.1.3MQ-2煙霧傳感器本次課題選擇的煙霧濃度傳感器型號(hào)為MQ-2，實(shí)物圖如圖3-2所示，MQ-2是一種多氣體探測(cè)傳感器。它的探測(cè)范圍相當(dāng)?shù)膹V泛。它的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)定性好、反應(yīng)快、壽命長(zhǎng)、極靈敏的特性、簡(jiǎn)單易懂的驅(qū)動(dòng)電路等特點(diǎn)。圖3-2MQ-2實(shí)物圖良好的重復(fù)性和長(zhǎng)期的穩(wěn)定性是MQ-2型傳感器被選為這次課題的一個(gè)重要原因。初始穩(wěn)定，響應(yīng)時(shí)間短，長(zhǎng)時(shí)間工作性能強(qiáng)，原理圖如圖3-3所示，規(guī)格說(shuō)明如表3-2。圖3-3MQ-2傳感器原理圖表3-2規(guī)格說(shuō)明A．標(biāo)準(zhǔn)工作條件符號(hào)參數(shù)名稱技術(shù)條件備注VC回路電壓≤15VACorDCVH加熱電壓5.0V±0.2VACorDCRL負(fù)載電阻可調(diào)RH加熱電阻31Ω±0.3Ω室溫PH加熱功耗≤900mW3.2PLC的選型與模塊配置本設(shè)計(jì)的重中之重就是PLC的選型，PLC發(fā)展到現(xiàn)在種類可以說(shuō)是琳瑯滿目，現(xiàn)在PLC的公司常見的有：德國(guó)的西門子公司；美國(guó)的羅克韋爾公司；法國(guó)的施耐德公司；日本的三菱公司和歐姆龍公司等；我們國(guó)家也有生產(chǎn)PLC的廠商，本設(shè)計(jì)對(duì)于PLC的選型要求是滿足I\O接口數(shù)，操作方便，編程易懂，維護(hù)簡(jiǎn)單，成本低。3.2.1PLC的選型原則具體PLC信號(hào)的選擇可以從以下幾個(gè)方面考慮：1、I/O點(diǎn)數(shù)估算在PLC中的一項(xiàng)重要標(biāo)準(zhǔn)就是I/O點(diǎn)數(shù)。一個(gè)點(diǎn)數(shù)就是一個(gè)I/O單元。但是我們?cè)谏a(chǎn)生活中對(duì)于I/O口的選擇時(shí)要到寧多不少的原則。本次設(shè)計(jì)對(duì)于輸入、輸出接口的要求如下所示輸入信號(hào)：開始、停止信號(hào)還有一些控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的啟停信號(hào)按鈕，所以本設(shè)計(jì)至少需要18個(gè)輸入，這里我們必須有20個(gè)輸入。輸出信號(hào)：由于本設(shè)計(jì)涉及到了報(bào)警，警示提醒，傳感器輸出，還有一些執(zhí)行機(jī)構(gòu)的輸出，所以本設(shè)計(jì)至少需要10個(gè)輸出，這里我們必須有14個(gè)輸出接口。3.2.2PLC的選取及其特點(diǎn)PLC發(fā)展到現(xiàn)在種類可以說(shuō)是琳瑯滿目，現(xiàn)在PLC的公司常見的有：德國(guó)的西門子公司；美國(guó)的羅克韋爾公司；法國(guó)的施耐德公司；日本的三菱公司和歐姆龍公司等；我們國(guó)家也有生產(chǎn)PLC的廠商，但是本次課題綜合成本、I/O口數(shù)，于是選擇了西門子公司生產(chǎn)的S7-200PLC。2.本設(shè)計(jì)PLC的配置這次選用的PLC型號(hào)是S7-200，它的CUP型號(hào)為226，該型號(hào) PLC具有24個(gè)輸入接口，16個(gè)輸出接口，同時(shí)為了滿足傳感器的外界模擬信號(hào)輸入我在本次設(shè)計(jì)中加入了EM235模塊EM235模塊具體的量程開關(guān)調(diào)整如表3-2-1。表3-2-1EM235功能配置表單極性輸入量程范圍單位123456ONOFF0FFON0FFON0到50mV12.5μVOFF0NOFFONOFF0N0到100mV25μAONOFFOFFOFFONON0到500mV125uAOFFONOFFOFFONON0到1V250μAONOFFOFFOFFOFFON0到5V1.25mAONOFFOFFOFFOFFON0到20mV5μAOFFONOFFOFFOFFON0到10V2.5mA雙極性輸入量程范圍單位SW1SW2SW3SW4SW5SW6ONOFFOFFONOFFOFF±25mV12.5μVOFFONOFFONOFFOFF±50mV25μVOFFOFFONONOFFOFF±100mV50μVONOFFOFFOFFONOFF±250mV125μVOFFONOFFOFFONOFF±500250μVOFFOFFONOFFONOFF±1V500μVONOFFOFFOFFOFFOFF±2.5V1.25mVOFFONOFFOFFOFFOFF±5V2.5mVOFFOFFONOFFOFFOFF±10V5mV3.2.3PLC硬件設(shè)計(jì)表3-2-2是PLC的I/0分配表，包括輸入I及其功能描述、輸出Q及其功能描述。表3-2-2I/O分配表功能輸入I功能輸出Q自動(dòng)模式啟動(dòng)I0.0報(bào)警器控制Q0.0手動(dòng)模式啟動(dòng)I0.1加熱器控制Q0.1報(bào)警關(guān)閉啟動(dòng)I0.2除濕機(jī)控制Q0.2加熱器啟動(dòng)I0.3通風(fēng)機(jī)控制Q0.3上水啟動(dòng)I0.4大棚加濕器控制Q0.4風(fēng)機(jī)啟動(dòng)I0.5上水電機(jī)控制Q0.5加濕水泵開關(guān)I0.6小車左行控制Q0.6除濕開關(guān)I0.7小車右行控制Q0.7水池上限位I1.0翻斗門控制Q1.0水池下限位I1.1底門控制Q1.1左行開關(guān)I1.2右行開關(guān)I1.3翻斗門開關(guān)I1.4左行限位I1.5右行限位I1.6自動(dòng)小車復(fù)位IPLC的硬件接線圖3.2.5PLC模塊EM235的硬件接線圖4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1PLC編程思路本次智能畜牧系統(tǒng)的要求如下所示：1、畜牧大棚溫度監(jiān)測(cè)：畜牧大棚內(nèi)的溫度值被實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)溫度值在當(dāng)前設(shè)置溫度區(qū)間內(nèi)的時(shí)候，畜牧大棚內(nèi)是正常情況，當(dāng)大于溫度區(qū)間時(shí)自動(dòng)開啟風(fēng)機(jī)降低大棚內(nèi)的溫度到正常溫度區(qū)間內(nèi)，當(dāng)溫度小于溫度區(qū)間的時(shí)候加熱器自動(dòng)開啟，使溫度回升到正常溫度區(qū)間。2、畜牧大棚濕度監(jiān)測(cè):畜牧大棚內(nèi)的濕度值被實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)濕度值在當(dāng)前設(shè)置溫度區(qū)間內(nèi)的時(shí)候，畜牧大棚內(nèi)是正常情況，當(dāng)大于濕度區(qū)間時(shí)自動(dòng)開啟除濕機(jī)降低大棚內(nèi)的濕度到正常濕度區(qū)間內(nèi)，當(dāng)濕度小于濕度區(qū)間的時(shí)候加濕器自動(dòng)開啟，使?jié)穸然厣秸穸葏^(qū)間。3、當(dāng)空氣溫度和空氣濕度數(shù)值不在正常數(shù)值范圍內(nèi)時(shí)，報(bào)警器打開。4、煙霧濃度檢測(cè)：畜牧大棚內(nèi)的煙霧濃度值被實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)煙霧濃度值在當(dāng)前設(shè)置煙霧濃度區(qū)間內(nèi)的時(shí)候，畜牧大棚內(nèi)是正常情況，當(dāng)大于設(shè)置煙霧濃度區(qū)間的時(shí)候，立即開啟報(bào)警、開啟緊急斷電、開啟消防噴水裝置，開啟通風(fēng)機(jī)保護(hù)牲畜安全5、定時(shí)12小時(shí)的自動(dòng)投料小車，啟動(dòng)30分鐘、休眠12小時(shí)，符合牲畜的飼料習(xí)慣，保障了牲畜的一個(gè)正常飲食。6、自動(dòng)蓄水裝置保障了牲畜的一個(gè)日常飲水需求，在低水位自動(dòng)蓄水，到達(dá)高水位線停止，自動(dòng)補(bǔ)充。7、系統(tǒng)分為手動(dòng)和自動(dòng)兩部分，方便人工進(jìn)行處理。4.3梯形圖程序設(shè)計(jì)圖4-1手動(dòng)、自動(dòng)模式選擇程序圖4-2加熱機(jī)構(gòu)啟動(dòng)程序圖4-3通風(fēng)機(jī)啟動(dòng)程序圖4-4空氣加濕泵啟動(dòng)程序圖4-5除濕機(jī)啟動(dòng)程序圖4-6自動(dòng)上水啟動(dòng)程序圖4-6是上水控制程序，由上下水限位開關(guān)自動(dòng)控制水位，可以做到缺水蓄水；滿水關(guān)機(jī)的一個(gè)狀態(tài)。圖4-7自動(dòng)投喂料裝置小車程序圖4-7是自動(dòng)投喂料裝置小車程序，自動(dòng)投喂料小車可以做到休眠12個(gè)小時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)30分鐘完成一次投喂料動(dòng)作，滿足牲畜的一個(gè)飼料需求。圖4-8緊急情況報(bào)警程序圖4-8所示是報(bào)警程序，當(dāng)畜牧大棚中溫度、濕度、煙霧濃度大于或者小于設(shè)置區(qū)間的時(shí)候，緊急情況報(bào)警程序都將開啟，提醒用戶。圖4-9圖4-9是空氣溫度監(jiān)測(cè)量程轉(zhuǎn)換程序。輸入到EM235的模擬量寄存在AIW0中。溫度實(shí)時(shí)值輸出到VD100中。圖4-10圖4-10是空氣濕度檢測(cè)量程轉(zhuǎn)換程序。輸入到EM235的模擬量寄存在AIW4中。溫度實(shí)時(shí)值輸出到VD132中。圖4-11圖4-11是煙霧濃度檢測(cè)量程轉(zhuǎn)換程序。輸入到EM235的模擬量寄存在AIW2中。溫度實(shí)時(shí)值輸出到VD132中。4.4溫度讀入子程序設(shè)計(jì)中使用的傳感器是DHTM-025，這種傳感器是集溫度檢測(cè)和濕度檢測(cè)一體的傳感器，將外界采集來(lái)的模擬值轉(zhuǎn)化為0-5V的電壓，通過(guò)電壓表示當(dāng)前溫度值的大小，之后將電壓值傳輸?shù)紼M23中，通過(guò)系統(tǒng)中程序的一系列運(yùn)算得出當(dāng)前溫度值,具體流程圖可見圖4-12。圖4-12溫度讀入子程序流程圖4.5濕度讀入子程序由于DHTM-025傳感器是集溫度檢測(cè)和濕度檢測(cè)一體的傳感器。所以濕度轉(zhuǎn)化原理與濕度相同，多說(shuō)無(wú)益，但是傳感器中的濕度芯片HM1500輸出電壓是0V-5V的，當(dāng)外界溫度處于23攝氏度時(shí)它的輸出電信號(hào)與輸出濕度的計(jì)算關(guān)系是：Uo=1.079+0.2568RH（4-1）但是溫度實(shí)時(shí)變化的當(dāng)外界的溫度不再是23攝氏度低，這時(shí)濕度傳感器中的自動(dòng)補(bǔ)償就凸顯作用了，這時(shí)HM1500溫度補(bǔ)償公式為：[]（4-2） 4.6煙霧濃度讀入子程序煙霧濃度傳感器使用的氣敏材料是二氧化錫半導(dǎo)體，這種氣敏材料屬于表面離子式N型半導(dǎo)體。當(dāng)它在200~300攝氏度時(shí)，二氧化錫就會(huì)將空氣中的氧氣吸附，形成氧的負(fù)離子吸附，這時(shí)電子在半導(dǎo)體中的密度就會(huì)減少，他的電阻值就會(huì)相應(yīng)的增加。當(dāng)煙霧和這種氣敏材料接觸之后，這時(shí)由于煙霧的變化晶粒間界處的勢(shì)壘從而也產(chǎn)生了變化，這時(shí)表面導(dǎo)電率就會(huì)發(fā)生變化，直流電壓（0V-5V）經(jīng)過(guò)模塊內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換成12位數(shù)據(jù)存放在相應(yīng)的寄存器之中，在經(jīng)過(guò)內(nèi)部程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理和運(yùn)算后，再輸入到規(guī)定的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之中以備其他程序的調(diào)用。MQ-2的計(jì)算公式阻值R與空氣中被測(cè)氣體的濃度C的計(jì)算關(guān)系式logR=mlogC+n(m，n均為常數(shù))（4-3）常數(shù)n：與氣體檢測(cè)靈敏度有關(guān)，除了隨傳感器材料和氣體種類不同而變化外，還會(huì)由于測(cè)量溫度和激活劑的不同而發(fā)生大幅度的變化。常數(shù)m：表示隨氣體濃度而變數(shù)的傳感器的靈敏度（也稱作為氣體分離率）。對(duì)于可燃性氣體來(lái)說(shuō)，m的值多數(shù)介于1/2至1/3之間。具體煙霧濃度讀入子程序流程圖如圖4-13。4-13煙霧濃度讀入子程序流程4.7GPRS(ZHD780DTU）產(chǎn)品概述ZHD780DTU系列是振鴻偉業(yè)研發(fā)的工業(yè)級(jí)4G全網(wǎng)通DTU產(chǎn)品。該設(shè)備是通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)可輕松實(shí)現(xiàn)串口到網(wǎng)絡(luò)的雙向數(shù)據(jù)透明傳輸，ZHD780DTU系列采用靈活的RS232/485端子接口或者DB9接的接線方式與終端設(shè)備連接，從而實(shí)現(xiàn)客戶終端設(shè)備與服務(wù)器間的通訊，實(shí)物圖如圖4-14所示。ZHD780DTU系列采用工業(yè)級(jí)軍工設(shè)計(jì)，具有無(wú)線數(shù)據(jù)通信及數(shù)據(jù)處理能力；低功耗，外形小巧，堅(jiān)固耐用；內(nèi)嵌TCP\UDP\PPP\IP實(shí)現(xiàn)了用戶設(shè)備到數(shù)據(jù)中心遠(yuǎn)程透?jìng)?，便于集成。ZHD780DTU產(chǎn)品尺寸如圖4-15所示。圖4-14ZHD780DTU實(shí)物圖4-15ZHD780DTU產(chǎn)品尺寸4.7.1ZHD780DTU產(chǎn)品功能及技術(shù)參數(shù)ZHD780DTU設(shè)備穩(wěn)定并且可靠它支持寬電壓范圍輸入；支持用戶串口參數(shù)設(shè)；內(nèi)部集成TCP/IP協(xié)議棧;支持參數(shù)配置，永久保存；提供串口數(shù)據(jù)雙向轉(zhuǎn)換功能；支持自動(dòng)心跳，保持永久在線;支持動(dòng)態(tài)IP地址數(shù)據(jù)中心DNS域名尋址。ZHD780DTU的技術(shù)參數(shù)如表4-1-1所示表4-1-1ZHD780DTU的技術(shù)參數(shù)規(guī)格∕網(wǎng)絡(luò)ZHD780DTU（移動(dòng)、聯(lián)通、電信）無(wú)線參數(shù)ZHD780WTDD-LTE、FDD-LTE、WCDMA、TD-SCDMA、GPRSZHD780QTDD-LTE、FDD-LTE、EVDO、WCDMA、TD-SCDMA、GPRS、CDMA無(wú)線模塊工業(yè)級(jí)4G模塊CPU芯片組高性能32位嵌入式ARM處理器功能特點(diǎn)1：數(shù)據(jù)全透明傳輸2：支持實(shí)時(shí)永遠(yuǎn)在線數(shù)據(jù)傳輸3：支持掉線自動(dòng)連接4：支持呼叫喚醒功能帶寬ZHD780W2300-2575MHzZHD780Q2370-2655MHz通訊接口支持RS-232、RS485、DB9電源接口2.1芯電源頭/端子接口(VIN/GND)3.5mm天線接口標(biāo)準(zhǔn)SMA陰頭天線接口，特性阻抗50歐電源寬電壓供電：5V-24V工作電流開機(jī)12V50ma待機(jī)12V26ma發(fā)射12V60~150ma建議供電電流12V850ma以上即10W工作溫度-40℃～+85℃工作濕度<95%無(wú)凝結(jié)指示燈具有網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、在線指示、信號(hào)四個(gè)指示燈外形尺寸75長(zhǎng)x72寬x18高mm(不包括天線和安裝件)重量200g本次課題我們選用的是ZHD780DTU產(chǎn)品中的RS232/485（接線端子），該端子有接口穩(wěn)定可靠、插拔方便、接線簡(jiǎn)單易懂等優(yōu)勢(shì)，具體RS232/485接線端子引腳定義如下表4-1-2所示：表4-1-2RS232/485接線端子引腳定義RS232/485接線端子引腳定義如下表所示：引腳信號(hào)名稱描述備注1VIN電源輸入正極5V~24V2GND電源輸入負(fù)極3485-A485信號(hào)+4485-B485信號(hào)-5GND信號(hào)地6232-TXD232信號(hào)發(fā)送輸出7232-RXD232信號(hào)接收輸入8DCD懸空保留引腳4.7.2ZHD780DTU組網(wǎng)方案本次課題考慮到了組網(wǎng)時(shí)是上位機(jī)和下位機(jī)的交互，規(guī)模較小并且還要考慮到之后應(yīng)用在實(shí)際中之后的一個(gè)成本問(wèn)題，所以我選用了中心采用ADSL等INTELNET公網(wǎng)連接，采用公網(wǎng)固定IP或者公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP+DNS解析服務(wù)的一個(gè)方案。此種方案向先INTERNET運(yùn)營(yíng)商申請(qǐng)ADSL等寬帶業(yè)務(wù)。1、中心公網(wǎng)固定IP：監(jiān)控點(diǎn)直接向中心發(fā)起連接。運(yùn)行可靠穩(wěn)定，推薦此種方案。2、中心公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP+DNS解析服務(wù)：客戶先與DNS服務(wù)商聯(lián)系開通動(dòng)態(tài)域名，監(jiān)控點(diǎn)先采用域名尋址方式連接DNS服務(wù)器，再由DNS服務(wù)器找到中心公網(wǎng)動(dòng)態(tài)IP，建立連接。此種方式可以大大節(jié)約公網(wǎng)固定IP的費(fèi)用，但穩(wěn)定性受制于DNS服務(wù)器的穩(wěn)定，所以要尋找可靠的DNS服務(wù)商。此種方案適合小規(guī)模應(yīng)用，具體的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由圖4-16所示。4-16ZHD780DTU網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D4.7.3ZHD780DTU的調(diào)試1、硬件準(zhǔn)備ZHD780DTU需要用端子232/485接口進(jìn)行配置DTU前請(qǐng)?zhí)崆皞浜萌缦掠布?）天線2）電源（自備支持5-24V寬電壓，一般可用12v1A支持原廠購(gòu)買）3）485轉(zhuǎn)232的USB線（自備）14）連接端子帶屏蔽引線（配置完成后與DTU所連設(shè)備時(shí)使用）5）已開通流量且有余額的移動(dòng)或者聯(lián)通SIM卡（自備）6）ZHD780DTU主機(jī)一個(gè)7）電腦/筆記本（自備筆記本可用USB口/電腦用DB9口或者USB）2、DTU參數(shù)配置1）打開2G/3G/4GDTU參數(shù)配置軟件如圖4-174-17‘2G/3G/4G’DTU參數(shù)配置軟件2）“串口”參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)實(shí)際情況選擇相應(yīng)的串口號(hào)，我選擇的是COM1串口，波特率為9600，停止位為1，校驗(yàn)位None。如圖4-18所示4-18串口調(diào)試3）點(diǎn)擊“一鍵讀取”按鈕，讀取DTU的配置信息和系統(tǒng)參數(shù)。如圖4-18所示4-18DTU的配置信息和系統(tǒng)參數(shù)4）此時(shí)DTU配置成功，關(guān)閉配置程序，避免程序之間造成沖突。3、DTU與服務(wù)器連接1）打開服務(wù)器軟件，界面如圖4-19所示4-19服務(wù)器軟件界面圖2）點(diǎn)擊“創(chuàng)建服務(wù)器”，界面如圖4-20所示，把“本機(jī)端口”設(shè)置為2000，將這里的“本機(jī)端口”和DTU處的“主數(shù)據(jù)中心端口”設(shè)置成一致。4-20創(chuàng)建連接設(shè)置3)點(diǎn)擊“啟動(dòng)服務(wù)器”按鈕，等待上線，大約需要等待10至30秒的時(shí)間，成功界面界面如圖4-21所示4-20DTU與服務(wù)器成功界面5監(jiān)控界面設(shè)計(jì)5.1組態(tài)王界面設(shè)計(jì)組態(tài)王是國(guó)內(nèi)第一家較有影響的組態(tài)軟件開發(fā)公司生產(chǎn)出來(lái)的工控軟件。組態(tài)王提供了資源管理器式的操作主界面，并且提供了以漢字作為關(guān)鍵字的腳本語(yǔ)言支持。組態(tài)王也提供多種硬件驅(qū)動(dòng)程序，圖形編輯器也是組態(tài)王的一大創(chuàng)新特色，在組態(tài)軟件中用戶可以新建畫面、模板、符號(hào)、圖庫(kù)精靈等，可以直觀的設(shè)計(jì)出用戶所需要的工控界面。本設(shè)計(jì)中組態(tài)王界面的設(shè)計(jì)也是其中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，組態(tài)王界面的好壞關(guān)系到了用戶的一個(gè)使用體驗(yàn)，一個(gè)好的界面不僅簡(jiǎn)單明了并且對(duì)系統(tǒng)的一個(gè)控制也能做到面面俱到，本章節(jié)就詳細(xì)概述了如何設(shè)計(jì)一個(gè)成熟的組態(tài)王控制監(jiān)控畫面。5.2組態(tài)王設(shè)置1、組態(tài)王串口設(shè)置（1）在本次設(shè)計(jì)中要把PLC和組態(tài)王關(guān)聯(lián)起來(lái)就要用到設(shè)置組態(tài)王的串口設(shè)置，這里我們選用了COM1串口，設(shè)備選用了西門子S7-200系列，通訊口使用了自由口里的GPRS接口，完成了使用GPRS設(shè)備的無(wú)線傳輸。如圖5-1所示。 5-1組態(tài)王串口設(shè)置（）這里我4GDTU選用了桑榮協(xié)議，這里組態(tài)王的板卡我選擇了莫迪康ModbusRTU,保證了組態(tài)王和上位機(jī)的正常通訊，如圖5-2組態(tài)王板卡的選擇。5-2組態(tài)王板卡的選擇2、數(shù)據(jù)詞典要將組態(tài)王和PLC的狀態(tài)和按鍵相關(guān)聯(lián)的話，那么組態(tài)王中數(shù)據(jù)詞典的設(shè)置是必不可少的，這里對(duì)PLC中按鍵關(guān)聯(lián)了M寄存器，避免了組態(tài)王按鍵和PLC按鍵之間的沖突，同時(shí)也關(guān)聯(lián)了每個(gè)電器機(jī)構(gòu)的狀態(tài)。如圖5-3所示5-3組態(tài)王數(shù)據(jù)詞典的設(shè)置3、自定義函數(shù)命令語(yǔ)言為了將PIC控制的電器機(jī)構(gòu)和組態(tài)王的畫面同步，這里編寫了一部分的組態(tài)王的動(dòng)態(tài)程序，滿足了組態(tài)畫面機(jī)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)電器機(jī)構(gòu)的同步，達(dá)到了實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。如圖5-4所示。5-4組態(tài)王程序編寫5.3組態(tài)王畫面測(cè)試1、組態(tài)王歷史界面本設(shè)計(jì)在組態(tài)畫面中添加了歷史畫面曲線，通過(guò)歷史畫面曲線可以了解到最近一段時(shí)間內(nèi)畜牧大棚內(nèi)的環(huán)境變化，可以就這個(gè)變化趨勢(shì)對(duì)牲畜進(jìn)行針對(duì)性管理。歷史曲線如圖5-5所示。5-5組態(tài)王歷史曲圖2、畜牧養(yǎng)殖大棚報(bào)警記錄界面在組態(tài)設(shè)計(jì)中我添加了報(bào)警記錄，報(bào)警記錄可以記錄下每一次報(bào)警的時(shí)間、日期以及原因，可以更加直觀的看的每一次的報(bào)警記錄，方便對(duì)這一時(shí)間段中管理出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行匯總。報(bào)警界面如圖5-6所示5-6組態(tài)王報(bào)警界面3、畜牧養(yǎng)殖大棚控制界面如圖5-7所示，該畫面就是設(shè)計(jì)之后的組態(tài)王畫面，通過(guò)該畫面可以直觀的了解到大棚內(nèi)的溫度、濕度、煙霧濃度，還有每個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)，并且通過(guò)畫面還可以了解到送料小車的動(dòng)態(tài)情況，以及蓄水裝置的水位情況，畫面內(nèi)還可以設(shè)置大棚內(nèi)部溫度、濕度、煙霧濃度的一個(gè)上下限，通過(guò)畫面上的按鈕和開關(guān)可以對(duì)大棚內(nèi)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行手動(dòng)或者自動(dòng)控制。 5-7畜牧養(yǎng)殖大棚控制界面6結(jié)論本次設(shè)計(jì)是基于GPRS和PLC的智能畜牧大棚系統(tǒng)，設(shè)計(jì)是以PLC為主要控制核心，采用了DHTM-025,MQ-2傳感器完成對(duì)畜牧生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)的采集，使用振鴻偉業(yè)推出的ZHD780DTU作為上位機(jī)和下位機(jī)的傳輸渠道，完成了傳感器對(duì)畜牧大棚環(huán)境內(nèi)溫度、濕度、煙霧濃度采集、通過(guò)PLC進(jìn)行運(yùn)算，達(dá)到對(duì)畜牧大棚中的通風(fēng)系統(tǒng)、升溫系統(tǒng)、緊急消防系統(tǒng)、加濕泵加濕系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)的控制，同時(shí)自動(dòng)蓄水系統(tǒng)、自動(dòng)投喂料小車系統(tǒng)完成對(duì)牲畜的飲水要求和飼料要求，本文完成了以下工作。（1）通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外的牲畜大棚現(xiàn)狀，確立課題的研究方法，進(jìn)行整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并分模塊進(jìn)行硬件搭接及軟件設(shè)計(jì)。（2）學(xué)習(xí)PLC的相關(guān)指令，并編寫程序。（3）通過(guò)查閱資料了解傳感器的分類與選型，確定設(shè)計(jì)中要使用的傳感器。（4）學(xué)習(xí)EM235模塊的知識(shí)，使EM235模塊可以成功采集傳感器信息。（5）學(xué)習(xí)振鴻偉業(yè)ZHD780DTUGPRS模塊內(nèi)容，使上下位機(jī)可以遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸。（6）學(xué)習(xí)組態(tài)王的使用方法，創(chuàng)建畫面、編寫命令語(yǔ)言等完成畜牧大棚遠(yuǎn)程控制界面的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)智能畜牧大棚系統(tǒng)的研究，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)畜牧大棚內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控和對(duì)牲畜飲食、飲水的智能化控制。但是本系統(tǒng)還存在一些問(wèn)題，需要進(jìn)一步改進(jìn)，而且功能上還可以做進(jìn)一步的擴(kuò)展。（1）加入智能識(shí)別模塊，對(duì)牲畜可以精準(zhǔn)識(shí)別，了解牲畜對(duì)不同環(huán)境的需求（2）加入監(jiān)控?cái)z像頭，完成對(duì)大棚的實(shí)時(shí)監(jiān)控（3）加入紅外熱感應(yīng)模塊和GPS定位模塊，實(shí)時(shí)了解牲畜數(shù)量和動(dòng)態(tài)參考文獻(xiàn)[1]P.Salgado，J.BoaventuraCunha．Greenhouseclimatehierarchicalfuzzymodeling［J］．ControlEngineeri