摘 要：为促进植物生长、发育，根据汉麻生长特点，调节汉麻育种室环境参数，模拟自然生长环境，对汉麻育种室的自动控制方案进行设计与研究。系统设计对温湿度、光照强度、光照时间、土壤含水率等关键参数进行数据采集并自动控制，具有数据采集、显示、数据远传、手动\自动控制、数据记录、报警提示、报表查询打印等功能，采集的数据可本地显示，也可通过网络进行上传，使用电脑和手机App软件进行实时监测查看。系统可应用于育种室、小型温室、小型花卉大棚等。
受地域及气候环境条件的影响，自然条件下开展汉麻育种通常每年仅能种植选育1代，而在育种室内育种可每年完成2～3代，大大缩减了育种工作时间。汉麻室内育种对农业生产具有重要意义，随着科学技术的不断发展，农业生产信息化已成为提高农业生产的必然趋势。育种室内环境因子对植物生长有很大的影响，自动控制组件应用于育种室、温室、大棚等控制系统中，可精准控制温室内的各环境因子，保持植物生长在一个适宜的环境，提高其品质和产量。
1整体方案设计
系统控制分为手动控制和自动控制，控制主要的技术参数有温度、湿度、光照时间、光照强度、土壤水分；控制设备有电加热器、雾化加湿器、灯光位置调节电机、风扇、土壤滴灌及室内通风风机等。
核心处理单元采用PLC进行系统参数计算及控制。PLC作为一种通用工业控制器具有可靠性高、使用灵活方便、控制精度高、控制功能完善等特点，符合育种室多参数控制要求。PLC内部485通信端口与温湿度仪表及采集模块进行通信读取数据，采集模块将光照强度、CO2浓度、O2浓度、土壤水分等几个育种关键技术参数进行数据采集及转换，PLC读取数据进行处理运算，驱动相应控制设备，自动控制育种室内环境参数，物联网云盒将数据通过互联网上传到手机及上位机，组态软件进行参数显示、查看和记录。
系统的功能包括上位机组态画面、参数显示、报警提示、数据记录与查询、报表查询打印及用户操作权限等。
图1 上位机组态软件示意图
1.1处理单元
核心处理单元采用三菱FX3U-32M系列PLC，该PLC是三菱第三代微型可编程控制器，内置高达64K大容量的RAM存储器，内置业界高水平的高速处理0.065μS/基本指令，该控制器左侧扩展槽可以连接功能强大、简便易用的适配器，具有较高的可靠性和稳定性。多个育种室数据集中采集处理，可采用该三菱PLC的特有N:N网络通信模式，此通信方式操作简单，不用复杂的程序制作，可实现多个PLC之间的数据通信，将数据传输到一个主站内，通过主站可对多个育种室进行数据处理。
图2 PLC通信示意图
如图2所示，设计PLC左侧扩展槽安装485ADP模块，采集单个育种数据，其中包括温湿度仪表、CO2浓度、O2浓度、光照强度、土壤水分含量等数据。图中黄色标线部分，三菱PLC内部485通信端口作为多个PLC之间的数据通信，主站通过N:N网络通信模式，读取其他多个育种间内的所有参数及数据，实现多个育种室数据的统一管理。
1.2温湿度控制
温度是植物生长的关键环境因素，也是育种室内控制的重要参数，稳定适宜的温度参数对汉麻生长非常有利，也会减少病虫害等。另外，汉麻在大田里生长时，白天和夜晚温差较大。汉麻育种间内，夜间不主动降温，昼夜温差会非常小，汉麻在温差较小的环境内生产易生病且生长不粗壮。
温湿度的控制采用485通信功能仪表，温湿度值本地显示，仪表宽泛直流供电DC10V～30V，温度采集精度±0.3℃，湿度采集精度±2%RH，温度量程范围-40℃～120℃，湿度量程范围0%RH～100%RH，温度分辨率为0.1℃，湿度分辨率为0.1%RH，该仪表功能参数符合汉麻育种室参数的自动控制指标要求。
通过上位机软件设定，昼夜设定不同的温度值，模拟自然环境，保持汉麻生长的温差值。采集的实时温度数据与设定值比较，控制电加热器和通风风机的运行状态，调节育种室内温度。通过试验，加热方式采用比例运算控制即可达到温度控制要求，驱动电加热器的开关状态及开关时间长短，提升育种室内温度。育种室内温度需要降低时，关闭加热设备，打开降温通风风机，进行室内外空气交换，来实现降温控制，使育种间内达到一个比较稳定的温度参数。
在温度的提升比例运算控制中，需要调配合适的比例值，根据育种室面积大小及电加热器功率大小等实际情况来调配比例值。比例值过大或过小都会导致控制曲线的上下浮动。
温度、天气、土壤水分含量等条件的变化都会导致育种间内的空气湿度发生较大变化，育种室内湿度过大或过小都会影响汉麻的生长，可能导致汉麻生虫染病、干枯、黄叶等。对湿度精准的范围控制，可提高汉麻生长质量。根据汉麻生长不同时期设定不同的湿度范围值，采集传感器数据与设定范围值做比较，湿度较小时驱动加湿装置，对育种室内加湿处理；湿度较大时，开启排风风机，启动室内风扇，进行排湿来降低室内湿度，使育种室内有良好的湿度环境。
1.3补光时间控制
由于育种室内光照强度较弱，光照时间较短，所以育种室内需要补光处理。光照时间控制由上位机进行设置，可设定起始光照时间及光照时长，如设定每天早6点开启照明，照明时长12h，那么上位机软件将设定值下传到PLC内，PLC程序进行指令比较运算，比较系统时间，时间到达6点，根据标志位的比较情况，开启照明，时间到达18点，进行关闭照明动作，如此循环比较，实现光照时间的精准控制。
1.4光照强度控制
补光灯距离植物的远近会使光照强度变化很大。通过读取光照强度传感器数值，控制补光灯吊装电机的正反转动，带动拖绳转动，可实现补光灯高低位置变化，实时反馈光照强度数据，直到反馈的数据达到预设值范围内，电机停止转动锁定位置，实现光照强度的控制。
由于汉麻植株较高，生长较快，随着时间的推移，育种室内汉麻生长一段时间后，高度会有较大变化，对补光的光照强度控制，需要对光照强度传感器位置进行校正。
1.5土壤水分含量控制
将滴灌技术和自动化技术结合，对提高节水灌溉效率、节约人力成本有重要意义，对盆内的土壤水分含量控制是十分必要的，控制包括两部分，即自动蓄水部分和自动滴灌部分。自动上水包括自来水、电磁阀、水龙头、浮球开关、蓄水槽等。浮球开关检测蓄水槽内水位情况，当水位达到最低时，PLC检测到水位低信号，驱动电磁阀，水龙头处于常开位置，自来水会不断流入蓄水槽内。当水位达到最高水位，PLC关闭电磁阀，自来水停止流入水槽内，这样实现自动蓄水功能。
自动滴灌部分是通过监测土壤水分含量，PLC读取盆内的水分含量值，与上位机水分含量设定值上下限作比较，判断是否需要补水，需要补水时，启动滴管装置进行补水，保持盆内水分含量在一个正常范围内。
图3 自动滴灌示意图
1.6室内通风控制
根据室内环境的变化，CO2浓度、O2浓度及温湿度的限定条件，来启动室内通风风扇，保持育种室内有一个较好的生长环境。通常条件下，育种间空气长期不流通，会导致育种室内的环境发生变化，CO2浓度、O2浓度发生变化，不利于植物的生长，通过监测浓度的变化，相应启动通风风机运行，空气流动及交换，保持育种室内有较好的生产环境。通风风机不仅能调节空气环境质量，降低空气湿度，对育种间内的温度降低也有着重要作用。
2系统功能设计
2.1报警提示功能
系统设计报警功能，包括温度上下限报警、湿度上下限报警、土壤水分含量上下限报警、485通信错误报警等，根据设定参数的范围，技术参数值过高或过低时，系统会在本地和远传上位机上出现报警提示并记录，提示工作人员进行相应的技术操作。
2.2数据记录与查看
系统具有技术参数数据的记录、查询及打印功能，可随时对某一时间段数据进行查看和记录，需要的数据可进行在线打印。
2.3趋势曲线功能
对重要的技术参数进行实时的曲线显示并记录保存，形成历史趋势曲线，可完整查看一个时间段内参数的历史曲线形。如早晚温度变化、湿度变化等情况，可直观反映育种室内的技术参数走向，为汉麻育种技术提供更可靠的数据依据。
2.4操作权限功能
用户操作权限功能是针对个人使用情况，对全部或某些参数进行权限管理操作，通过特定的参数实现加密保护，防止人员误操作，防止重要试验参数泄露，起到保障性作用，操作权限功能便于育种室的管理和使用。
3结语
近些年，物联网技术在温室中的应用越来越广泛，从早期的手动控制到现在的智能自动控制，故国内室内环境控制技术取得了较快发展。自动控制系统加入汉麻育种室内，为汉麻生长提供了更适宜、更稳定的生长环境，大大缩短了汉麻育种的工作时间。随着农业技术、自动控制技术、人工智能技术、5G网络技术等的进一步发展，温室控制必然向着信息化、智能化、高效化、无人化发展。
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文章摘自：张治国，王晓楠，朱浩，张晓燕.汉麻育种室自动控制系统的设计[J].黑龙江科学，2022，13（08）:64-66.
