家庭智能蔬菜农场设计和实现 软件工程专业

题 目：基于PLC的智慧家庭蔬菜农场设计专题题目（若无专题则不填）： 原始依据(包括设计（论文）的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等)：（1） 工作基础 近些年来, 对于很多城市居民而言, 他们追求自然生态的家庭种植观念, 但现有市面上大部分生产模式是工业产品化生产, 并不能给用户一个参与和互动的环节。所以我们提出的智慧家庭蔬菜农场这一创新性的服务系统是在城市居民对有机食品安全的高度关注和追求的情况下产生的, 它主要目的在于解决城市居民追求自然以及食品安全的主要问题和矛盾, 然后根据这一切入点推广我们的服务设计。（2） 研究条件我国相关政府部门高度重视我国现代农业的发展。中央财政以科学发展观为指导, 不断地加大对智能农业技术相关领域的投入力度, 先后已出台多项积极政策规划, 为我国大力发展现代化农业、智能农业提供强有力的保障。再者，此类选题已经被许多研究人员研究探讨过，这为该学生进行必要设计提供了一定的资源。此外，学校图书馆拥有丰富图书资源，电子图书馆同时也具有大量学术期刊，这些情况为论文的撰写提供了必要的条件。（3） 应用环境 随着物联网技术的不断发展, 智能农业技术的不断推进, 我国和西方欧美发达国家在现代农业中已相继开展智能农业技术的广泛研究和探索应用。现阶段, 已在农业生态环境监测、智能农业生产、智能农业资源科学利用等领域, 取得一定的研究成果。我国智能农业发展起步较晚。20世纪70年代, 国内学者开始研究计算机技术在农业领域中的应用;80年代在智能农业、温控管理等相关领域展开研究;90年代初期, 中国农业科学院的农业气象研究所和作物花卉研究生联合研发的基于Windows操作系统的温室控制与管理系统, 标志着我国智能农业领域取得长足的进步。现阶段, 我国智慧农业发展处于初级发展阶段, 在智慧农业技术领域, 具有能够实现对温度、湿度、光照、CO2浓度等进行控制的温室控制系统研究成果。（4） 工作目的解决方案需要结合硬件系统和软件控制系统两个方面，硬件是系统的“心脏”，软件是系统“大脑”，二者相互辅助，共同工作。在设计硬件系统时，设计内容需要涵盖设计机械结构、电机选择、温度检测器选择与布置、湿度检测器选择与布置、水质监测器选择等。在设计软件控制系统时，需要通过分析不同品种蔬菜对湿度和光照的生长需求，设计一种基于PLC技术的智、慧家庭蔬菜农场。PLC有着应用广、功能强大、使用方便等等特点，是以微处理器作为基础的一种通用工业装置。能够处理大量数据，提高系统的实时性。同时可以兼容多种LCD触摸屏，能支持操作系统和图形界面，可以提高人机交流的便捷性。设计的方案要能使农场的湿度和光照传感器终端节点不断采集相关数据，并发送到PLC控制模块，然后接收，存储，分析数据，与预先内置的生长需求参数比较，自动控制滴灌系统和调光系统工作。除此之外也要解决农重金属、污染药残留和对一些可溶性肥料进行监测和精准施肥的问题。主要要求和内容： （一）要求：1.根据设计要求设计机械结构（包括蔬菜种植仓、温度保持结构、支撑保护结构、水量处理结构、储水仓、减速器、其他部件等）、电机选择、温度检测器选择、湿度检测器选择与布置、水质监测器选择等。2.根据设计控制要求，设计选择合适的动力及传动计算输入、输出点数，和选择性输入/输出模块的类型与数量，并选择合适的PLC类型。3.控制系统方面，设计出电路图，根据电路图得出I/O数选出合适的PLC类型并分配I/O口进行分配 。4.画出PLC的梯形图并写出相关程序代码。5.在系统内完成软件仿真调试。（二）内容： 1.机械结构的解决方案；2.所需元器件选择；3.控制系统的整体方案确定； 4.选择PLC； 5.设计控制系统的原理图； 6.完成控制程序的编写和检查。（三）具体控制要求：1.设计机械结构，选择所需元器件；2.实现循环节水灌溉功能；3.实现智能浇灌功能；4.设计自适应的采光系统。日程安排：2019.01.042019.01.06 完成开题报告2019.01.072019.05.19 写作、修改、完善、定稿2019.04.152019.04.21 中期检查2019.05.262019.05.30 查重检测2019.05.312019.06.03 答辩 主要参考文献和书目：1 李继庆.机械零部件设计手册M.北京：高等教育出版社，1996：26-45 2 常晓玲.电气控制系统与可编程控制器M.北京：机械工业出版社, 2004：50-983 陈智慧.蔬菜栽培学各论M.科学出版社，2010：1-1064 梁银霞，周茂娟.设施蔬菜持续生产的理论与技术研究M.北京：科学出版社，2010：21-455 唐文彦.传感器M.北京：机械工业出版社，2011：54-986 周海涛.基于声发射农业智能灌溉系统J.电脑知识与技术，2013，（06）：142-1437 廖常初.S7-200 PLC编程及应用M.北京：机械工业出版社，2013:98-1218 王峰.家用智能型浇灌系统J.家庭电子，2005，（03）：56-649 杨惠英，王玉坤.机械制图M.北京：清华大学出版社，2011.12：1-10610 朱志浩.智能绿色栽培装置设计A.北京：科学出版社，2018：11 21-45王大康.机械设计基础M.北京：机械工业出版社，2014.5：26-45 指导教师（签字）： 年 月 日注：本表可自主延伸，各专业根据需要调整。开 题 报 告题 目：基于PLC的智慧家庭蔬菜农场设计专题题目（若无专题则不填）：本课题来源及研究现状：（一）课题来源：为了让人们食用更健康的蔬菜，设计基于PLC控制的智能农场。利用多种传感器采集植物的生存条件,包括光照强度、空气温湿度、液温、p H等,采用PLC控制加热器、加湿器、灯管、风扇、水泵等装置,形成一种环境控制、生长监测、可视一体化的集成式植物培养系统。系统可进行实时操控，系统满足设计要求,操作简单,具有实际应用价值。（2） 研究现状：随着城市化进程加快，物联网普及，智能家居和智慧城市离生活越来越近，人们对绿色环保追求越来越高。因此这种“智慧家庭蔬菜农场”高端栽培模式进入普通家庭，并受到广泛关注。“智慧家庭蔬菜农场”可用于家庭蔬菜花卉种植.设计了一种单PLC控制的智慧家庭蔬菜农场，主要包括光源控制、温度调节、湿度调节、气体循环控制、水循环控制、触屏控制，短信报警及软件监控。考虑到外界复杂且影响作物生长的诸多环境因素，检测时应该整体考虑，不单独侧重某一指标，需对多组传感器信号协调处理计算，实现系统各功能正常。由于种植面积较小而立体空间较充裕，“智慧家庭蔬菜农场”外形应为立体多层式设计。其次装置植物生长光灯、滴灌装置，驱虫装置，检测装置以及积水收集再利用装置等应安装在各层种植架上。最后为实现植物的反季节、跨地域种植，按需求调节作物产期，促进生长发育，模拟植物生存的天然环境，因此将“智慧家庭蔬菜农场”设计为矩形的立体式结构，设计的相对封闭。在智能管理系统操纵下，模拟自然气象条件并加以控制，使植物生长不受外部环境约束，达到环保高效的目的。课题研究：采用PLC为核心控制器，PC机与组态软件作为监控模块，两者通过串口进行通信来控制系统的执行部件，输出信号控制的机构有:开窗电机、遮阳电机、通风电机、加热阀门、压水泵和喷淋泵。温室的执行机构可用正反转运行电机，如开窗、拉幕等，这些电机需要正转、反转和停止，必须有限位开关；还需要开关控制设备，如风机、水泵等。在软件控制方面，通过分析不同品种蔬菜对湿度和光照的生长需求，设计一种基于PLC的控制系统。我们应用模块化思维进行设计，即使用子程序简化程序结构。这些子程序可以通过湿度和光照传感器终端节点不断采集相关数据，并发送到控制模块，通过PLC的相关模块接收，存储，分析数据，与预先内置的生长需求参数比较，自动控制滴灌系统和调光系统工作。在该设计中，需要从两个方面进行设计和研究，一方面在硬件结构上，要根据实际的受力来设计机械结构，再根据实际需要尺寸进行三维建模，设计模型图，最后再将各机械结构进行装配，设计装配图。另一方面，在软件设计上，采用模块化设计，即使用子程序，通过将各个需要的功能进行分块，是程序结构简洁而易于管理。首先，文献研究法。在开始设计之前通过查阅中外相关资料，联系实际理论，形成基本的论文写作框架。其次，模型法。在机械结构设计中，先根据需求计算其尺寸，选择材料和处理方法，再进行模型设计，以展现结构特征。最后，比较法。在选用元器件、结构材料和程序设计语言时，通过比较优缺点，再作出科学的选择。设计（论文）提纲及进度安排：（1） 提纲：第一章 绪论1.1 研究背景与意义1.2 研究现状1.3 课题研究内容第二章 硬件系统设计2.1 机械结构设计2.2 蔬菜基本情况2.3 总体结构设计2.4 零件结构设计2.5 电机的选择第三章 软件设计3.1 PLC的简介3.2 PLC的选型及I/O端口分布3.3 触摸屏简介3.4 触摸屏选型3.5触摸屏供电电源的选择3.6触摸屏控制管理界面设计3.7PLC控制系统的程序设计3.8主程序设计3.9子程序设计3.10PLC和触摸屏的设备连接第四章 总结与展望附录参考文献致 谢（二）进度安排：2018.12.242018.12.30 选题2019.01.042019.01.06 完成开题报告2019.01.072019.05.19 写作、修改、完善、定稿2019.05.312019.06.03 答辩 主要参考文献和书目：1 辽宁工业大学学报(自然科学版),2018(2)：85-86 2 陈智慧.蔬菜栽培学各论M.科学出版社，2010：1-1063 梁银霞，周茂娟.设施蔬菜持续生产的理论与技术研究M.北京：科学出版社，2010：21-454 郑萍,潘世永.一种高性价比的PLC与上位机的通信实现J电子技术应用, 2001,(04）5 周海涛.基于声发射农业智能灌溉系统J.电脑知识与技术，2013，（06）：142-1436 廖常初.S7-200 PLC编程及应用M.北京：机械工业出版社，2013:98-1217 王峰.家用智能型浇灌系统J.家庭电子，2005，（03）：56-648 杨惠英，王玉坤.机械制图M.北京：清华大学出版社，2011.12：1-1069 朱志浩.智能绿色栽培装置设计A.北京：科学出版社，2018：21-4510 向晓汉.西门子PLC高级应用实例精讲M.机械工业出版社，2010.摘要近些年，随着计算机科学技术的出现和不断的发展，我们的生活渐渐了多了一样名为机器感知的东西。利用智能技术对事物的串联，新型的物联网设备如雨后春笋出现在了市场中来。智慧家庭，作为智慧城市顶层设计框架中的基础形体细胞，它以家庭为基本的面向对象，将家用电器设备智能控制、家庭生活环境感知、家人健康感知、家居安全感知以及信息交流、消费服务等家居生活有效地结合起来，创造出健康、安全、集成、舒适、低碳、智慧的个性化家居生活。本课题根据智能家庭蔬菜农场的特点，提出了一种基于PLC的智慧家庭蔬菜农场设计，利用多种传感器采集植物的生存条件,包括光照强度、空气温湿度、液温、p H等,采用PLC控制加热器、加湿器、灯管、风扇、水泵等装置, 主要包括光源控制、温度调节、湿度调节、气体循环控制、水循环控制、触屏控制，短信报警及软件监控。考虑到外界复杂且影响作物生长的诸多环境因素，检测时应该整体考虑，不单独侧重某一指标，需对多组传感器信号协调处理计算，实现系统各功能正常。由于种植面积较小而立体空间较充裕，“智慧家庭蔬菜农场”外形应为立体多层式设计。形成一种环境控制、生长监测、可视一体化的集成式植物培养系统。系统可进行实时操控，系统满足设计要求,操作简单,具有实际应用价值。关键词：智慧家庭；智能控制；PLC；蔬菜农场IVABSTRACTIn recent years, with the emergence and continuous development of computer science and technology, our life has gradually increased the same thing as machine perception. Using intelligent technology to connect things, new types of Internet of Things devices have sprung up in the market. Wisdom family, as the basic body cell in the top-level design framework of smart city, it is based on family-oriented object-oriented, intelligent control of household appliances, family life environment perception, family health perception, home security perception, information exchange, consumer services, etc. Home life is effectively combined to create a healthy, safe, integrated, comfortable, low-carbon, intelligent and personalized home life.Based on the characteristics of smart home vegetable farm, this paper proposes a smart home vegetable farm design based on PLC. It uses various sensors to collect the living conditions of plants, including light intensity, air temperature and humidity, liquid temperature, p H, etc. Control heaters, humidifiers, lamps, fans, pumps and other devices, including light source control, temperature regulation, humidity adjustment, gas circulation control, water circulation control, touch screen control, SMS alarm and software monitoring. Considering many environmental factors that are complicated by the outside world and affecting crop growth, the whole process should be considered when testing. Instead of focusing on a certain indicator alone, multiple sets of sensor signals should be coordinated and calculated to achieve normal functions of the system. Due to the small planting area and the abundant three-dimensional space, the “Smart Home Vegetable Farm” should have a three-dimensional multi-layer design. Form an integrated plant culture system for environmental control, growth monitoring, and visual integration. The system can be controlled in real time, the system meets the design requirements, the operation is simple, and it has practical application value.Key words: smart family; intelligent control; PLC; vegetable farm目 录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 课题研究背景与意义11.1.1研究背景11.1.2研究意义11.2 国内外研究现状21.2.1国外研究现状21.2.2国内研究现状31.3 课题研究内容32 智能家庭蔬菜农场的硬件系统设计52.1蔬菜基本情况52.2 系统机械结构设计52.2.1 系统机械设计方案52.2.2 总体结构设计62.2.3零件结构设计72.2.4旋转结构82.2.5支撑保护结构102.2.6余水收集结构102.2.7集水仓结构112.2.8减速器选择122.2.9其他结构部分122.3 电机选择122.3.1主轴动力电机122.3.2水泵电机132.4 系统器件选择132.4.1 主控模块PLC132.4.2 PLC的选型及I/O端口分布152.4.3触摸屏方案的选择192.5 PLC接线图203智能家庭蔬菜农场软件设计223.1 系统主程序设计223.2子程序控制设计253.2.1 温度控制程序设计253.2.2 湿度控制子程序253.2.3 温湿度报警程序设计263.2.4 适应阳光程序273.3触摸屏控制管理界面的设计284总结与展望32致谢（结合自己的情况写）33参考文献341 绪论1.1 课题研究背景与意义1.1.1研究背景自从我国改革开放以来，我国的城市建设就在不断加强，基础的服务设施也是在不断的完善中。城市中的良好设施设备，生活的环境和给人提供更多的发展机遇吸引了大量的人口涌入城市。城市的快速发展，让城市的活力不断增加，也让“城市病”应运而生。人们对食品的安全问题也越来越关注，每年央视“315”晚会都会有关于食品安全的事件爆出来，“镉大米”、“毒生姜”等一个个令人毛骨悚然的的词语映入眼帘。这些被“污染”的食材走上人们的餐桌，严重危害着人们的身体健康。从这可以看出，食品安全已经成为人们关心的头等大事，人们越来越追求可以食用到无公害绿色蔬菜和有机食品。城市人口的不断增加和城市的快速发展也给城市带来了不小的问题，人们需要更加安全稳定的粮食供给，健康的生活方式，也需要美丽干净的城市居住环境，这就让人们更多关注可持续的发展方式。而智能农场作为一种新型的绿化方式，不仅可以在一定程度上增加了粮食的供给，还让城市增加了绿意，让在这繁忙的城市中生活的人们多出来一丝惬意，同时减少了城市的建筑物的能源的消耗，人们不仅可以使用到安全放心的绿色蔬菜，还能享受到不同于城市的田园生活，给人们增加了许多的生活乐趣。1.1.2研究意义从2004以来，我国的粮食总产量达成了“十二”连增这个骄傲的成就，但是在2016年，粮食总产量和2015年的总产量做对比，相比于2015年减少了0.8%，由此可以看出已经呈现出来下滑的趋势。城市面积的不断扩大，我国耕地的面积却在不断地减少中。在这样有限且局限的空间里面，就要想增加更多的粮食产量，把粮食的供给达成稳定，这是一个很贴近现实的问题。然而智能蔬菜农场就成为了一个让粮食增产的重要的途径，在不占用越来越多的耕地面积的前提下，还能够让粮食和蔬菜的生产和供给得到就近化，所以智能蔬菜农场的研究具有巨大的价值。图1.1 世界卫生组织推荐日常膳食结构图1.2 国内外研究现状1.2.1国外研究现状目前世界各国的智能蔬菜农场建设发展进行的如火如荼。有一些在这方面起步比较早的国家，他们早已大规模的展开并且快速的进行发展政策支持、科技研发、创新科技应用等方面。现在农业发达的一些国家他们的智慧蔬菜农场都已经达到世界领先的水平，因地适宜现代化的农业发展的创新模式已经形成了并且在日益完善中，也在逐渐的实现更为精准的生产管理、节约出更多人力物力资本、提高种植的产量和质量问题。 国外的一些国家也都已经不遗余力的出台，并且落地于支持智能蔬菜农场事业发展的政策法规用来引导智能农场的农业发展。美国率先提出了“精确农业”的构想，并且先后出台了6项和农业信息化有关的法律法规和发展计划，用法律法规的形式明确的推进信息、科研、教育、基础设施、投资等方面，为“智慧蔬菜农场”和有关产业链的发展提供了比较好的政策环境和财政支持。农业资源匮乏、人地分配严重不足的荷兰，自第二次世界大战后政府便开始推行农业保护政策，荷兰政府和欧盟一直坚持大额农业补贴，用以建设农业发展设施以及农业知识创新体系。农业发达国家也早已创建不同结构的农业科技研发系统，以适应性促进本国智慧农业发展，世界各国的农业科技研发系统组成主体多样化，但都基本以政府、高校的农业科技研发机构为重要主体，且政府为主要管理者、研发推动者，企业的重要程度各国略有不同，其他农业相关者紧密配合主要研发机构。世界各国都在大力推进产学研结合，建立完善的配套规章制度和专项资金池以推进农业科研技术快速应用于智慧农业的发展，当前许多国家都已形成各具特色的农业推广体系，并且目前各国科技创新应用成效显著。如，美国早已应用“5S 技术”、智能化农机技术等形成了农业精细化、规模化发展的智慧农业生产线系统，帮助农场主精细化耕作并提质增效；日本也早已利用数字技术、传感技术和远程控制等技术建立了个性化“网上农场”式农业运营新模式，使消费者可实时自主远程精准控制自有农产品生产，并获得理想的农产品。1.2.2国内研究现状从古至今，我们国家一直是一个农业化国家，我过大部分的农业活动都在城市周围的农村展开的，然后在运到城里，去满足城市里的居民日常的需求，农业的生产活动和城市基本是隔离的状态，城市生活的脚步不断加快，人们的生活水平也不断的提高，对于健康的重视也在不断的增加，已经不止满足于温饱问题，这种农业生产与城市分隔开的状况已经满足不了现在发展的需求，于是开始出现了将农业发展移到城市中的实践。我国对于将农业发展到城市的研究起步比较晚，直到上个世纪九十年代才开始这方面的研究。对于目前来讲，已经有许部分国内学者对智能化的农场做出研究，2016年，郑铮，张洪波提出一种用于农场自动灌溉的远程控制的设计；2017年，孙志航发表了现代化农场的智能管理的期刊；2019年，段裕珂在期刊发表基于虚拟仪器的人工智能农场喷灌监控系统研究；等等。随着社会的发展，社会对这方面的问题更是越来越重视，这也是科学研究探索的责任义不容辞的责任。1.3 课题研究内容通过分析不同品种蔬菜对湿度和光照的生长需求，设计一种基于PLC技术的智、慧家庭蔬菜农场。PLC有着应用广、功能强大、使用方便等等特点，是以微处理器作为基础的一种通用工业装置。能够处理大量数据，提高系统的实时性。同时可以兼容多种LCD触摸屏，能支持操作系统和图形界面，可以提高人机交流的便捷性。设计的方案要能使农场的湿度和光照传感器终端节点不断采集相关数据，并发送到PLC控制模块，然后接收，存储，分析数据，与预先内置的生长需求参数比较，自动控制滴灌系统和调光系统工作。除此之外也要解决农重金属、污染药残留和对一些可溶性肥料进行监测和精准施肥的问题。具体论文结构内容如下：第一章主要阐述了本课题的研究背景，介绍了家庭智能农场研究的背景，以及国内外对于家庭智能农场的发展现状和相关学者的研究情况。第二章是主要从系统设计要求出发，对智能家庭的蔬菜农场的硬件结构进行设计，包括机械结构设计的总体方案，根据已经确定的设计方案，绘制三维结构图，展示出设计方案的要求。另外还需要对于涉及到的硬件结构性质进行确定，比如，结构的材料，大小，形状等；另一方面还要根据电压，电流，功率的要求，选择出更适合的发电机。根据对蔬菜温度湿度的检测，还需要选择出合适的传感器。第三章主要软件控制方面，根据不同的蔬菜生长所需要的不同需求，制作出根据PLC进行控制的程序，其软件工作过程为：由外部的传感器的接收点对蔬菜不断的手机数据，再由PLC控制模块中相关模块进行接收，储存信息,并进行分析，与系统存储好的生长数据进行比较，然后进行自动灌溉，调节关照和温度的控制。我们设计的控制系统分为，智能采光，温度监控，土壤湿度监控，水肥PH值监控，和循环节水浇灌，自动移动仓位等几个模块。上述模块均由PLC主程序实现。第四章主要是结语和展望部分，是对本文的总结和对中国智能化家庭农场的技术革新及前景的展望。362 智能家庭蔬菜农场的硬件系统设计2.1蔬菜基本情况蔬菜是人们日常生活中餐桌上不可或缺的食物之一，蔬菜的种类也是比较多，可以分为叶菜类、根茎类、瓜茄类、鲜豆类和菌藻类。每种蔬菜特性不同，需要的生长环境也不全相同。根据高祥富发表的蔬菜的生长发育与环境条件中为我们介绍的蔬菜特性，我们可以总结出一些蔬菜特点，列出部分如下：表2-1 部分蔬菜生长因素品名主要根群深度适宜温度适宜土壤湿度适宜pH值番 茄3050cm20256080%pH6.07.0茄 子33cm左右22307080%pH6.87.3辣 椒1020cm253055%pH6.28.5黄 瓜25cm左右15328090%pH5.57.2大白菜1030cm12226070%pH6.57.0甘 蓝30cm左右15257080%pH5.56.5萝 卜2040cm15206580%pH6.07.0韭 菜20cm左右20268090%pH6.57.0芹 菜1525cm12227080%pH6.57.6菠 菜30cm左右152075%pH6.07.0毛 豆20cm左右22297080%pH6.07.0大 葱30cm左右132570%pH7.07.4蔬菜生长的PH值，影响着蔬菜对营养的吸收，过高或过低都会让蔬菜萎蔫甚至死亡。蔬菜的生长发育受温度影响最敏感，每种蔬菜生长发育对温度要求是不尽相同的。光照是蔬菜光合作用的必须条件，不论光的强度、组成还是时间的长短，对蔬菜的生长发育都起着重要的作用。蔬菜含水量在90%以上，水是蔬菜植株体内的重要成分，水也是体内新陈代谢的溶剂。2.2 系统机械结构设计2.2.1 系统机械设计方案机械结构有蔬菜种植仓，支撑保护结构，主轴，齿轮链条结构，余水过滤仓，搅拌混合储水仓，减速器和其他部件。根据蔬菜机械结构设计的思路是根据蔬菜种植仓结构的尺寸计算出种植蔬菜的土壤重量，再根据土壤和蔬菜成熟重量来选择种植仓的材料，进而设计出合理的蔬菜种植仓，再根据有土壤的蔬菜种植仓，来设计主轴，支撑结构，储水结构，肥料结构等。再根据仓位容积来设计出余水处理仓和水肥混合储水仓的大小。机械设计流程图如下：总体机构图设计集水池结构费料仓余水收集结构支撑结构旋转结构种植仓结构图2.1 机械设计方案图2.2.2 总体结构设计总体设计，是在总体设计的基础上，根据确定的原理方案，确定并绘制出具体的结构图，以体现所要求的功能。将抽象的工作原理形象化。总体的设计图如下：图2.2总体结构设计图2.2.3零件结构设计蔬菜种植仓是这个设计的关键，不论是软件的设计还是硬件的设计都是围绕着种植仓进行的。它的主要作用就是种植蔬菜。及种植仓前，我们需要根据表2-1中的数据，来考虑种植仓的深度。表中大部分蔬菜的根群分布在，有些个别的蔬菜根群达到.对于那些个别蔬菜，我们先不做考虑。根据大部分蔬菜需要的培养土的深度是则，再根据空间的因素进行考虑，将蔬菜种植仓的长度设定为，蔬菜种植仓的宽度设定为，由此，我们便可算蔬菜种植仓内蔬菜的种植面积为： （2-1）蔬菜种植仓内培养土的体积为： （2-2）种植土壤采用普通土质经上网查询得知相应土壤密度为，那么蔬菜种植仓中培养土的重量为： （2-3）土壤湿度亦称土壤含水量，表示的是土壤干湿程度的物理量。是土壤水含量的一种相对变量。根据表2-1得知大多数蔬菜的生长需要土壤的湿度达到，按照最大的土壤湿度来计算，蔬菜种植仓里土壤充分的湿润之后的的重量为： （2-4）蔬菜种植所需要的土壤深度，再考虑到蔬菜还需要浇水松土，便将蔬菜种植仓的内部深度设置为，这样蔬菜种植仓的内部数据便全部得到：深度：长度：宽度：种植仓内长期放置土壤，所以会长期处于潮湿的状态，且蔬菜生长还需要肥料，这样，制作蔬菜种植仓就需要选取抗腐蚀，抗生锈能级较强，并且在承受较大的重力的同事还需要抗弯曲。至此根据这些要求，查找设计手册，我们选择取用材料为碳素钢板， 钢板厚度,钢板标准，钢板表面镀锌处理。不锈钢钢板密度为,那么一个蔬菜种植仓所用材料质量为： （2-5）重力加速度是表示重力在对一个物体的作用下所产生的一定加速度，通常用表示，近似值一般可以取为。则种植仓内的土壤在充分湿润后所受的重力为： （2-6）对进行保留两位小数处理： （2-7）智慧农场工由四个蔬菜种植仓，每个蔬菜种植仓通过连接杆进行连接悬在空中，轮盘通过主轴支架支撑起来，蔬菜种植仓和轮盘通过主轴与旋转结构连接进行转动。根据查阅资料，蔬菜株高一般为，所以设计蔬菜种植仓时要考虑不影响蔬菜的生长。同时设计时也要留出浇灌蔬菜的余水流出口。水流流出口的直径磁村与排水管的直径有关系。那么蔬菜种植仓设计如下：图2.3蔬菜种植仓结构图2.2.4旋转结构旋转结构主要包括主轴和旋转轮盘。轴是穿在轴承中间或者齿轮中间的圆柱形物体。轴是支承转动零件并与之一起回转以传递运作、扭矩或弯矩的机械零件。按照受载的分类，可以分为转轴、心轴和传动轴。在本设计中，主轴是属于心轴，心轴在工作的时候是可以承受一定的弯矩，但是不承受扭矩。主轴是旋转蔬菜种植仓的，所以在主轴上进行作用的四个蔬菜种植仓重力的总和，主轴的受力如图：图2.4主轴受力分析通过查阅设计手册，我们将主轴的材料选择为 ，选用渗碳回火的处理方法，该材料主要用于强度和刚度较高的场合。它的许用应力，已知： （2-9）所以主轴的最小横截面积为： （2-10）即最小的直径为, 直径取整为,主轴设计模型如图 :图2.5主轴模型图轮盘的作用是给种植仓提供支撑，并且供其种植仓旋转。它的设计与主轴一体化设计，提高其旋转扭矩。整体设计如下：图2.6旋转结构图2.2.5支撑保护结构支撑保护结构的作用主要是将结构上的遮光布塑料薄膜支撑开，形成一个小型封闭结构，是结构内形成一个可控制适合蔬菜生长的环境。根据我们设计理念，节约土地利用率，更大程度上种植蔬菜，所以将支撑结构的占地面积设计为，高度为。其支撑保护结构的模型图如下：图2.7支撑保护结构2.2.6余水收集结构余水收集是将蔬菜种植仓内多余的水进行过滤和物理沉淀，将处理后的余水收集进集水仓内。余水仓内会放入检测水质的水质检测器。设计体积尺寸如下：余水收集结构的设计图如下：图2.8余水收集结构2.2.7集水仓结构集水仓是用储备余水收集仓内流出来的水和自来水的水。集水仓内的水加入肥料之后经过充分的搅拌可以进行灌溉。所以集水仓由储水池和搅拌器组合而成，而且它可以对余水进行二次过滤。积水仓要满足四个集水仓内土壤的湿度要求，那么四个蔬菜种植仓的土壤充分湿润需要的水的体积为： （2-10）集水仓设计的尺寸为：长度：宽度：高度：集水仓设计图如下：图2.9集水仓模型图2.2.8减速器选择减速器是利用齿轮的速度转换器，将马达回转速数减速到所需要的回转数，并得到较大转矩的机构。蔬菜种植区域的旋转速度不宜过大，所以选用了WP蜗轮蜗杆减速器，减速比为100，转速 。2.2.9其他结构部分其他部分中主要的为输水管，主要是将各部分的水进行输送，因为水管要长期与水和空气接触，所以选择PPR管，其无毒，量轻，耐压，不会结垢还耐侵蚀，而且一旦安装测试通过，就不会漏水。最后选用水管直径。2.3 电机选择2.3.1主轴动力电机电机的选择先要考虑电压，由于设计的产品使用适用于家庭，而中国家庭中常用电压为，所以选择的电机额定工作电压。由于主轴的转速为，输出的转速很低，所以选择的电机转速越低越好，先选用电机的转速为。除此之外还租要考虑电机的功率问题，主轴对电机功率要求不高，所以可以选择功率较小的电机。根据上述所需，所选用的电机为型号，具体的数据如表：表2.1 主轴电机数据型号功率电流转速效率电压重量频率Y132M2-65.5kW12.6960r/min85.3%220V32kg50Hz2.3.2水泵电机水泵的选择需要考虑四个种植仓的对水的需求量，水泵的选择应参照的性能参数是用来表征水泵性能的一组数据，主要有：流量、扬程、功率等基本参数。根据种植的需水量和种植大棚的高度等实际参数，查水泵的参数性能表可选可适应于本系统的型号水泵，选用水泵的型号为：,该水泵的基本参数为：表2.3 水泵参数表型号流量扬程转速功率效率100WL80-8-480814402.571% 由表中可知，该型号水泵符合灌溉供水的使用标准。2.4 系统器件选择2.4.1 主控模块PLC随着工业自动化和计算机科学技术的发展，工业控制的设备制造业得到了快速的发展。PLC可编程逻辑控制在19世纪中叶出现开始就得到了广泛的应用，在工业控制领域的应用逐渐显现出PLC具有的优势，逐渐取代了传统的继电器控制电路，在工业自动化中应用上加入新的控制算法，能够适应各种工业控制的 需求，而且易于安装，便于维护。PLC经过这么多年的工业应用和发展，技术和设备制造业越来越成熟，现在的PLC主要由主控CPU、I/O模块和设备工作电源供电模块这几部分重要的模块构成：（1）主控CPU的构成同样CPU也是PLC的核心模块，在整个控制应用中，CPU就像大脑一样对信息处理分析，做出控制信号的下发等工作。所以PLC必不可少的一个模块就主控CPU模块，对于用在重要领域的PLC，有的具有不止一块CPU模块。在整个PLC逻辑的编程过程，就是对CPU内部的工作状态和逻辑进行处理的而过程，在现场，CPU接受现场其他设备的信息，包括各个传感器检测的数字或是模拟信号，电机的工作运行状态信息等，存储这些设备信息同时能够对用户下发的程序和指令进行分析和执行。CPU也是由许多模块构成，在芯片中包括的单元主要有算术单元、控制器、寄存器以及数据、控制和状态总线等，这些单元在芯片内通过逻辑设计相互配合，实现它们之间的硬件连接和逻辑功能的配合。CPU正常工作还需要一些外设电路包括芯片供电的电源电路、实现通信功能和数据交换的总线接口电路，内部还有一定存储能力的数据和程序存储器，存储一些数据信息和用户下发的指令。这些模块的信息对于CPU的功能和配置实现具有重要的作用，决定着CPU对数据处理的速度和存储容量，对PLC在工业应用中的控制性能具有重要的作用，不仅影响PLC在控制上的的工作速度，同时还决定了PLC恩能够外接的其他模块如I/O的数量和软件容量等性能。（2）I/O模块PLC在控制系统中，与其他外接设备互连是通过与PLC的输入输出部分（I/O）完成的，I/O模块是由多路的数模转换电路构成，是整个PLC数据交换和信息互通的的重要硬件通道。输入口主要是各个输入寄存器，能够发映出外接的输入信号的品质和状态，输出口主要是锁存器构成。在对信号的处理过程中，输入口将接受到的电信号转换为数字信号传送到PLC的主控CPU芯片的信号处理模块，输出口的工作则是相反，是把由CPU输出的控制信号进行数字信号转换成模拟信号送到各个执行机构和设备。I/O输入数出模块分为4种类型，分别是数字输入（DI）、数字输出（DO）、模拟输入（AI）、模拟输出（AO）模块，这些模块根据使用场合的具体信号可以定制。模块规格和数量由I/O点决定，I/O模块可以多或少。然而，其最大数量受限于CPU的基本配置，CPU的最大数量受限于背板或机架槽的最大数量。（3）电源模块PLC由于其内部是由大量的而电子元器件构成，各个器件的工作电压有一定的差异，有5V、12V、24V的电压等级，所以需要PLC专用模块电源电路能够经过内部变化为不同电压等级的电子器件提供工作电源。电源模块为输入的一些设备包括接入传感器等设备提供供电，直接接通的电源支持交流电源（220VAC或110VAC），直流电源（通常为24VDC），这些需要在结合使用进行选配。图2.10 PLC组成部分2.4.2 PLC的选型及I/O端口分布现在市场上的PLC种类很多，我们应该选择合适与本设计的PLC型号，选择型号需要根据设计所需的控制功能和控制任务来选择，但是选择的过程主要应该根据设计所需的输入输出点的数量选择合适的PLC型号。选型的前期工作应该根据所需的各个工作预估算出输入输出点的数量，由以上设计可知本设计所要控制的功能主要是调节蔬菜大棚中种植的各项参数如温湿度、的浓度控制，各种植仓的受光面积调节，各地采集的数据经PLC系统分析后输出控制功能的对应执行功能，所以输入输出点的估算准确非常重要，同时预估的过程也应该有些许裕量，输入输出点的预估计算如下所示：表2.4输入输出点数量输入点预算输出点预算输入点功能输入点数量输出点功能输出点数量开关切换1水泵供水1防晒网状态2防晒网打开1草帘状态2防晒网收起1供水水泵状态1草帘打开1太阳灯状态1草帘收起1通风机状态1太阳灯开启1土壤温度反映1水泵供水停止1土壤湿度反映1通风机通风1旋转状态1种植仓旋转1备用接口2备用接口2总计接口数13总计接口数11 由上表可知PLC选型所根据的输入输出点数量的预估总数量为24个接口，本设计应根据预估接口数选择合适的PLC型号。PLC的类型主要有低档、高档及中档型号，因为本文设计的农场将面向于工薪阶层家庭，选择的原则为合用即可，首先根据预估的接口数量和适用性原则选用中档类型PLC。现有市场市场上常见的几类中档PLC的型号及参数举例说明，根据选择PLC类型相应的参数选择合适的PLC型号，常见PLC型号及参数列表如下所示：表2.5 常见PLC型号及参数型号生产地工作电压I/O端口数输入点数日本4824日本3616德国3216根据以上对系统输入输出端口的数量预估算可知，本系统需要实现各项功能的PLC系统所需24个输入输出端口，输入端口数量为13个，输出端口数量为11个。由上表各常见中档PLC参数分析可知本设计应选用日本三菱公司所生产的型号PLC类型。该型号PLC所使用的是AC电源及DC输出系统，型PLC自身所携带48个I/O端口，分别为24个输入端口，24个输出端口，可以满足预估的输入输出口的连接使用需求，使用时不需要输入输出扩展端口，而且该型号PLC属于中档型号，价格合适，适用于本设计的设计原则，经上网查询得到该型号PLC的实体图：图2.11 型号PLC实体图模拟量输入模块所需采集的功能数据为温湿度、浓度及种植的光照强度等四类蔬菜种植环境因素。根据所需采集的数据类型选择模拟量输入模块采用的型号为,通过采集数据向PLC传输相关数据然后进行处理，由此查询得知的相关参数为：图2.12 型号技术参数输入输出端口的分布同样也是非常重要，通过输入输出端口进而控制各项数据的采集和反映控制工作的状态，输入输出端口的输入和输出功能都是一一对应的关系，输入端口采集收集信号经PLC分析后传输到输出端口，输出端口则负责对PLC传输过来的相应功能控制通知，接下来控制执行元件进行调控种植环境因素，所以输入端口的作用为采集数据，输出端口的主要作用为控制调节元件。该型号PLC与各功能的输入输出端口的功能分布如下图所示：图2.13 输入端口分布图图2.14 输出端口分布图2.4.3触摸屏方案的选择触摸屏是设计的控制系统的人机交互主要部分，可以报出系统的运行状态，同时又能够下发控制指令，在控制系统的设计上也是重要的一个部分。经过调试和调研，考虑控制系统的使用需求和成本，本系统设计时选用的是GT1155型号的触摸屏，在工控领域使用较多。（1）能够实时显示设备和系统的运行状态，包块设备的基本信息如点击的电流电压，温度计转速等，变频器的工作时间和实际频率等指标。（2）通过触摸将命令和数据发送给PLC，由PLC完成对系统或设备的控制，触摸屏具有和外接设备的通信能力吗，具有常用的RS232或是485通信接口，同时能够支持以太网通信。图2.15 电容式触摸屏图系统触摸屏人机交互界面的开发平台由GT1155触摸屏编程软件实现。该软件与组态软件类似。它使用图形编程方法。只需将相关组件拖到预定义的屏幕上，根据需要设置相关参数，并配置PLC写入地址即可完成操作。型电容式触摸屏的基本参数如下：表2.6 触摸屏参数表项目参数面板开孔尺寸由上表参数分析可知，该型号电容式触摸屏适用于本设计的控制显示要求，同时与所选PLC的功能控制能够匹配得上，且该型号电容式触摸屏具有独有的透明传输，适用范围广泛而且后期工作期间维修方便等优点。根据所选型号的触摸屏类型参数应选择合适的触摸屏供电电源对触摸屏的工作进行支持，蔬菜农场将适用于家庭等地点，因此输入电压为220V,该类触摸屏的参数可知输出电压为DC24V，选择合适的供电电源即可。2.5 PLC接线图该课题设计的所需要的电源是用220V交流电源，因此我们采用交流电源系统进行设计接线方式。接线图如下：图2.16 PLC外部接线图3智能家庭蔬菜农场软件设计3.1 系统主程序设计本文利用PLC设计执行的顺序扫描工作特点，采用顺序控制方法，分为主程序和子程序，主程序主要完成设定值的读取、温湿度等参数的采集、数据防抖动处理、报警以及控制外部设备启停。控制程序中的设定上下限值包括两个方面，一个是工作上下限制，一个是极低极高环境参数报警值。本设计的初衷为自动化控制蔬菜的种植，所以在主程序的设计时应围绕自动控制设计进行工作的开展，手动化操作仅为辅助方式，因为PLC控制采用循环扫描的工作方式，系统启动后首先进行初始化操作，接着系统默认为自动操作，读出预先设定的各项参数的阈值，根据所采集的环境参数进行对比分析然后看是否在设定阈值内，如果不在阈值范围内，则需要开启子程序工作，如果在阈值内，则循环检测而不需要开启子程序工作。主程序流程图如下：图3.1主程序流程图 根据主程序流程图设计与之对应的梯形图如下：图3.2 主程序梯形图3.2子程序控制设计3.2.1 温度控制程序设计当主程序检测分析得出温度值已经超出预定范围时，启动温度控制子程序用以调控温度，主程序判断当前温室实时温度不在预定阈值内时，便会调用子程序启动草帘覆盖和通风机开启通风处理功能对温室进行升温或降温调节。如果温度当前值处于预设范围之内，那么温度控制子程序返回主程序，进行重新扫描，直至温度超出阈值时再次启动子程序。流程图如下：图3.3 温度控制子程序3.2.2 湿度控制子程序当主程序检测分析得出湿度值已经超出预定范围时，启动湿度控制子程序用以调控种植湿度，主程序判断当前温室实时湿度不在预定阈值内时，便会调用子程序启动遮阳布防晒和水泵开启供水灌溉处理功能对温室进行补水调节，将湿度调节至设定范围内则停止水泵灌溉。如果湿度当前值处于阈值范围，那么湿度控制子程序返回，主程序进行进行又一次扫描，直至湿度超出阈值时再次启动子程序。流程图如下：图3.4 湿度控制子程序3.2.3 温湿度报警程序设计报警功能是机构整体工作时出现故障或不在预定范围后出现的告知操作人员的功能，通过采集经PLC分析后判断是否超限而判断是否选用启用报警程序，进而开启报警功能。流程图如下：图3.5 报警功能程序流程图3.2.4 适应阳光程序本设计的适应阳光功能的实现采用旋转立体种植，是蔬菜全方位受到光照，避免光照不均使蔬菜生长受阻，所以适应阳光子程序梯形图如下：图3.6 适应阳光梯形图3.3触摸屏控制管理界面的设计在我们设计触摸屏控制界面时应分析总结触摸屏界面所要触摸控制的功能而进行设计，同时设计的原则为简洁明了而操作简单。总结得出触摸屏所需的控制界面主要有系统控制主界面、选择界面、参数设定和异常报警界面等。此四个界面可基本涵盖本设计的控制的功能，下面对各界面进行一一分析。1、 系统控制主界面系统控制主界面主要为显示控制蔬菜生长过程中的常规生长环境指标，显示系统是否开启了旋转采光和通风机的使用现状，根据相应的指示灯进行辨别，同时显示屏对蔬菜影响最大的环境因素如温度、湿度和二氧化碳浓度进行采集显示，当范围正常是显示灯为正常绿光，界面下部放置一系列的选择开关方便