工业组态软件设计报告-开心农场.doc

工业组态软件设计报告学 院 自动化学院 班 级 姓 名 学 号 指 导 教 师 成 绩 2017年 5 月- 24 -一、基本情况项目名称开心农场项目主要成员序号姓名学号班级项目分工12345二、项目概况农业从最初的原始农业发展到了传统农业，同时随着科学技术的发展现代农业已经逐渐开始替代了传统农业，成为农业未来的主要发展形式。在农业生产技术逐渐发展的过程中需要实时、精确以及动态地获取田间信息。其中田间信息主要包含作物生长信息，光照强度、湿度以及空气温度等农田周围环境信息，地理位置信息以及土壤水分、电导率、pH值等土壤属性信息。应当通过无线处理、分析和传输所采集的数据，进而管理田间农业，这样对于农业生产以及农业管理有非常积极的作用。除此之外，本着农牧一体化的可持续发展思想，牧业也随着科学技术的发展变得更加现代化、智能化。养殖车间的不同种类的动物可以进行分区智能化管理，并对动物周围的实时环境进行监测，比如环境的整洁卫生程度即动物粪便排泄量监测，并对动物的饲养量进行实时监测等。在农牧业的发展中，伴随着物联网概念的出现，物流行业兴起，为农场的农产品产出带来了销售途径。因此，农产品的存储也要变得更加现代化。这就引出了立体仓库的存储管理。良好的仓库管理可以提高农产品出货效率，从而提高农场收益。本次项目利用北京亚控公司的组态王6.55作为上位机软件，连接设备选择亚控-仿真PLC以完成对整个农场体系的监控与管理。整个项目命名为“开心农场”，进入登录界面可以选择不同身份登录以保证系统的安全性。整个项目分为：作物画面、果林画面、养殖车间画面、仓库画面以及实时数据采集画面等监控方面。1.在作物画面中，完成对作物的土壤温湿度、酸碱度、农药浓度、作物成长信息（成活/死亡数量）、杂草数量的监控，同样还有在喷洒农药时候对农药车剩余农药量以及剩余油量的监控。相应的，界面内可以完成浇水、施肥、喷洒农药、锄草、收割动作，另外界面中有一些提示帮助信息以及报警信息。2.果林画面中完成对果树生长的最佳条件进行确定，收获最大产粮果实需要对光照强度、空气温湿度土壤pH值等因素进行测量，并可以配合浇水，施农药，施肥这样在调控果园系统生产的过程中就能够通过参考这些数据来提升经济效益。3.牧场画面主要由四部分组成：牧场变量监控区；牧场活动操作区；曲线显示；图片显示区。牧场变量监控区：此区域主要包括“牧场温度”、“牛的个数”、“饲料数量”、“羊毛余量”四个变量，“牛的个数”、“饲料数量”、“羊毛余量”对应图片显示区有动画显示，图片中牛、羊、草的数量会随之变化。牧场活动操作区：此区域包含四种功能“一键宰杀”、“一键剪毛”、“一键饲养”、“一键清扫”。这些操作同样对应着图片显示区的动画显示。特别的，动态变化的排泄物数量过多会报警。曲线显示：在实时曲线中主要监测两个变量，温度实时变化和饲料数量变化。另外还有历史曲线可供查找。4.仓库存储画面中可以执行牛肉出口、羊毛出口、肥料施用以及出口农作物和水果统计监测的功能。这四个具有实际功能的分画面下还分别包含着各个画面的实时数据采集与历史趋势曲线，除此之外还有各个报警命令。三、设计方案1.系统总体结构本次组态监控项目大体上分为三大部分，农、林、牧。我们共设计了登录界面、主界面、农场画面、牧场画面、果园画面、仓库画面六大界面，除此之外，还包括牧场参数界面和牧场出口表，果园环境实时报表和果园环境实时曲线。原本我们想要设计农、林、牧、渔四大主场景，但由于时间和精力的限制，我们只能选择放弃鱼塘画面，而在其他三个场景上花费更多的精力以使画面更加精美、更加人性化、用户体验更好。 打开系统首先设计了用户登录界面，在登录时可以选择不同身份，利用不同的安全密码登录，保证了系统的安全性与可靠性。登陆后进入系统总体概览画面，也就是主界面。主界面上链接了牧场画面、农场画面和果园画面。通过点击主界面的按钮可以进入这些画面。当点击这些界面按钮时，首先在主界面中会出现对农、林牧场的介绍，并询问你是否进入该场景。若点击取消，则不进入。若点击确定，方可进入三大场景界面。进入牧场画面后，通过按钮点击可进入牧场参数界面或者进入仓库；进入仓库后通过按钮点击可获得或者获得牧场出口表；进入果园画面后，可以通过点击按钮获得果园环境实时报表和果园环境实时曲线。2.农场界面为了对农作物生长的最佳条件进行确定，需要对二氧化碳浓度、光照强度、空气温湿度、降水量、土壤养分以及土壤水分等因素进行测量，这样在调控农业生产的过程中就能够通过参考这些数据来提升经济效益、调节生长周期以及改善农作物品质。因此，我们在农场界面设计了温度、湿度、pH值、农药浓度的监控以及给农田浇水、施肥、铲除杂草和收割农作物四个实行按钮，并随时监控作物的成活和死亡数量，以确保农场生态系统的正常运行。界面中的两个仪表盘可以显示农药剩余量和农药车的剩余油量，以避免喷洒农药时农药药量不足或者运行农药喷洒车时由于油量液位不足，车辆无法正常行驶。在画面的右上方，会始终显示温度、湿度、pH值、农药浓度的实时曲线，以保证农场工作人员的随时监控。考虑到人的视觉特点，我们将浇水、施肥、除草、收割四个按钮安置在界面的下方，其右侧是施加农药的变色开关。当进入农场界面，杂草数量会不停增长，并有一个监测仪器，当杂草数量大于60时，监测器旁的报警按钮会由绿变成绿、蓝光交替闪烁，当杂草数量大于80时，监测器旁的报警按钮会由绿、蓝光交替闪烁变成红、蓝光交替闪烁。按下除草按钮后，农场上的杂草皆可清除，且监测器上的杂草数量也相应的变为0值。当按下收割按钮后农场上的农作物白菜、玉米、土豆会被收割并运送到仓库中也就是仓库中白菜、玉米、土豆的数量会显示增加。且农场场景变为土地上没有农作物时的场景。当点击施加农药按钮时，按钮旁的农药滴会随着农药喷洒车行驶喷洒农药的节奏进行闪烁。3.牧场界面通过设计畜牧业科学养殖部门，是为了解释说明动物科学培育、科学饲养以及资源能源的重复利用。牧场主要进行的是牛羊养殖。动物养殖通过监测牧场的温度、湿度、光照和空气情况，分别启动不同的设备自动调整，并且可以进行人工喂食。牧场控制界面主要由四部分组成：牧场变量监控区；牧场活动操作区；曲线显示；图片显示区。牧场变量监控区：此区域主要包括“牧场温度”、“牛的个数”、“饲料数量”、“羊毛余量”四个变量，其中“牧场温度”是随机变化的，其它是保持增长或减少，并有条形图和数字实时表示。“牛的个数”、“饲料数量”、“羊毛余量”对应图片显示区有动画显示，图片中牛、羊、草的数量会随之变化。牧场活动操作区：此区域包含四种功能“一键宰杀”、“一键剪毛”、“一键饲养”、“一键清扫”。四种操作都可以自行设置数量，然后进行操作，结果会计算到变量监控区内。这些操作同样对应着图片显示区的动画显示。特别的，排泄物数量过多会报警。曲线显示：在实时曲线中主要监测两个变量，温度实时变化和饲料数量变化。另外还有历史曲线可供查找。图片显示区：图片显示区的内容比较丰富，动画包含的内容也很多。首先，牛、羊、草、排泄物的数量会发生变化；然后，执行清扫操作时，会有清扫车驶过，还有草场灌溉动画；天上的鸟会飞动；厂房的数量也会变化。4.果园界面现代果产趋向高度集约栽培，矮化、密植、早期丰产的集约型果园日益受重视。经营规模正向大中型发展。因此果园控制系统也十分重要。界面中的电源总开关可以控制整个果园的运行，当电源开关打开，整个果园生态系统才能够正常运行。在电源开关的右侧，由电量剩余的监测显示，以防止果园生态系统由于电源电量不足意外断电。果园控制界面主要由五个部分组成：果园总控制区；环境监控区；农业活动区；界面跳转区；图片显示区。果园总控制区：总控制区主要包含“电源总开关”和“电量剩余”两个模块。“电源总开关”是控制整个果园活动的进行：当“电源总开关”为“开”时，所有的控制活动才能够开始；当“电源总开关”为“关”时，所有的控制活动都会立即停止，保持原状态不变。“电量剩余”是显示果园的剩余电量，它会从初始值100度随时间递减到0，当电量小于10度时，指示灯报警。环境监控区：本区域主要对四种因素进行实时监测：“光照”、“温度”、“湿度”、“土壤pH”。四个变量都是在设定范围内随机变化的，当他们超出正常值范围时，会分别报警。另外，我们为四个变量添加了实时趋势曲线，使监控更加形象可观。农业活动区：农业活动包括四种：“浇水”、“施肥”、“喷药”和“收获”。其中“浇水”的水流量、“施肥”的肥料浓度、“喷药”的农药浓度都可以自行设置，并且都有对应的仪表进行实时显示。肥料和农药有剩余显示，也可以手动添加补充。对于“收获”活动，我们分为“苹果”和“桃”两种水果的收获，两种水果的数量有游标显示，会随时间增长，收获之后数量下降。界面跳转区：界面跳转区包含三个按钮“果园环境历史曲线”、“果园环境实时报表”和“退出”。“果园环境历史曲线”对“光照”、“温度”、“湿度”、“土壤pH”的数据进行保存，10天之内的历史数据可查。“果园环境实时报表”可以以表格的形式实时显示四个变量的数据，并有自动打印功能。“退出”可以退出果园控制界面。图片显示区：本区域是一个果园的照片，并包括一些动画显示。当按下“浇水”按钮时，阀门有打开的动画，水管中有水流动，自动喷灌头会有喷水动画。喷药时的农药车可以由滑动杆手动控制位置。5.仓库界面在农场中收获的玉米、白菜和土豆，在牧场中宰杀得到的牛肉和收获的羊毛，在果园中收获的桃子和苹果都会存储在仓库中。同时，可以将牧场上多余的牛羊的粪便作为肥料存储到仓库中，之后再输送到农场作为农作物的肥料。仓库中还可以执行牛肉出口、羊毛出口、肥料施用的功能。点击界面右侧的运输车辆可以运出农作物和水果。点击界面右下角的数据按钮可以获得实时的直观的各个农作物、水果、牛肉、羊毛的柱形图。点击返回按钮可以返回主界面。四、设计亮点本次课程设计利用“组态王”软件所设计的开心农场演示系统，虽然并没有涉及到实际农、林、牧业系统的方方面面，但我们通过查阅相关书籍资料，网络信息搜索等手段也基本掌握了农、林、牧业所涉及的基本组成部分，我们在所设计的组态系统中对这些部分都进行了一定程度的展开说明，并采用上位软件系统进行了演示，比较充分地阐释了农、林、牧业的整个系统的运行过程，并加入了自己结合所学知识的进一步理解。可以说是涉及了工程设计实践过程的思考、设计、修改、实现、优化各个步骤，最终呈现出的系统效果也达到了我们设计之初的预计效果。从以下系统设计的不同方面都可以展现出我们所设计组态系统的一些亮点：首先是一些总体的设计方面的亮点：1、系统结构完整，功能定义清晰：农、林、牧业是一个比较大的概念，涉及到很多技术以及诸多领域的知识。有我们所熟知的，也有我们需要进一步理解掌握的。在系统设计过程中，我们分块学习掌握了农、林、牧业系统的各个方面，对每一部分功能都有一定的认识与理解。因此在整个构思建构系统时，我们能够全面的把握系统的整体，并且统筹各个方面的功能，做到不重不漏，全面、清晰地阐释农、林、牧业系统。图4.12、简洁和谐的人机接口界面，丰富精美的系统画面：由于组态王本身的在很多元素的选择上我们起初受到了一定程度的限制。但随着进一步的学习并且利用一些其他软件的使用技巧，我们找到并且改造、设计出了好多按键、下拉条、提示框等交互接口界面，既适用于系统，也非常简洁易用。图4.2在系统画面的选择和构建上，也体现除了我们的一些投入。我们了大量和我们系统主题相关的图片素材，并且利用PS软件对图片的像素、背景等元素进行了一定的修改，形成了我们系统中所使用的背景图片以及好多其他个性化元素。图4.3（利用ps抠图的小牛）图4.4（白菜）图4.5（可以斜线移动的农药喷洒车） 3、全面丰富的逻辑控制，丰富的命令语言：在各个界面的设计当中，通过对“组态王”软件的学习，我们理解和掌握了组态软件设计和开发的诸多技巧，并且在界面设计和环境建设过程之中，我们将这些逻辑语言以及一些逻辑控制运用到了我们所设计的系统的开发当中。实现动画当中对复杂运动的控制，仅仅依靠简单的动画连接指令是不够的。在同一个画面当中，为了达到预期的动画效果我们运用了比较复杂逻辑控制语句，以及好多软件系统的相关函数。一些元素出现的先后，以及它所要呈现的运动效果都需要一层层逻辑搭建。而且一些功能的实现都需要调用系统中比较陌生的函数，有时需要在一遍遍的尝试过程中才能实现函数功能。1)农场设计亮点：（1）农场中设计了多个变量的实时监控，如土壤温度、土壤湿度、土壤酸度、农药浓度等，使得界面的结构更加贴近实际，方便用户进行操作与查看。按钮操作也简单明了，如点击锄草按钮有一键除草的效果，浇水施肥分别改变土壤湿度与土壤酸碱度，收割后土地恢复初始播种状态。（2）动画设计：农场的设计动画贴近现实，比如点击施加农药按钮时候出现洒药车，并且洒药车沿着田地的边缘进行斜向移动，同步的还有农药的动态模拟，即出现水滴图像的闪烁效果。除此之外，还有模拟田间杂草的生长效果，利用内部变量递增模拟草生长周期，并在草生长数量递增过程中逐渐出现草的点位图，当杂草数量大于60开始有指示灯闪烁报警，当杂草数量大于80指示灯变红并依旧保持闪烁状态。（3）界面设计图素选择：由于组态王软件提供的图库精灵有限并且形状单一固定，因此我们上网查阅资料将图库进行扩充，运行了一个名为SYMFAC1的软件对图库中的素材进行了大量补充。同样，为了模拟真实的环境，我们搜寻了大量的点位图并对其中的图形进行软件图形优化，使得我们得到要用到的单独的图素，如杂草、农药车、玉米、白菜、土豆等更加接近真实情况。2)果园设计亮点：（1）果园多种功能开关的设置：通过添加“电源总开关”来控制所有农业生产活动是否进行，这样当环境监控出现异常或者农业活动出现问题时，可以将此开关作为急停按钮，立即停止所有活动。“浇水”、“施肥”、“喷药”、“收获”四个开关分别控制各自的子功能，当四种活动的总开关为开时，四种行为的子活动才能进行，实现分块控制。（2）果园监控实现“实时”与“历史”结合：既可以通过“果园环境实时曲线”和“果园环境实时报表”对各种环境因素进行实时监测显示，又可以通过“果园环境历史曲线”查询历史数据。（3）组态王图库和点位图的结合：我们通过调用图库中的“仪表”、“反应器”、“阀门”、“游标”等元素丰富了界面内容和显示，又通过点位图功能添加自己PS的“图片”增添了许多动画内容。3)牧场设计亮点：1动画显示：图片中牛、羊、草、排泄物的数量会随实际值的改变而变化，而且对应的厂房也会发生变化。2 多种因素综合考虑：比如对于草（饲料）数量的变化，第一它会随时间逐渐减少，第二我们可以通过手动添加饲料，第三也可以通过对草坪进行灌溉来增加草的数量。3 曲线显示和仪表显示结合：曲线显示可以看出变量随时间的变化趋势，仪表显示可以看出变量每一时刻的值，两者结合，使得监控效果更好。4)仓库设计亮点：1、仓库针对整个开心农场的农牧产品进行了整体汇总，包括农产品：土豆、白菜、玉米的总体数据；牧产品：牛肉、羊毛、肥料；果园产品：苹果、桃子。仓库中汇总所有产品的总量。此数据总量在后台和牧场、农场、果园的实时数据同步变化，仓库的设计界面也许功能较少，但是其包含了大量的后台程序编写和数据处理，需要大量的逻辑编程。设计了农牧产品出口按钮，此按钮以火车为载体，根据不同的货车和农产品设计了货车的不同程度大小装载量。当触发隐藏的货车出口按钮时，可以将货物出售，这时货物总量会减少，这里利用了动画链接的隐含和按下、弹起的功能。仓库利用了界面的跳转，调用showpicture函数，通过点击数据按钮，可以查看整体的数据信息，包括当前总量、仓库对此产品的剩余容量等等。此界面利用了圆角矩形的填充功能，形象的展示了农牧产品的真实数据。仓库界面下包括了查看其他区域的按钮，如牧场、农场、果园、主界面查看按钮，随时查看其他区域的各种情况。五、设计成果1 登录界面：图5.12 主界面图5.2图5.3图5.4图5.53 果园图5.64 农场图5.7五牧场图5.8六仓库图5.9六参数记录1. 果园实时参数图6.12. 果园环境参数图6.23. 牧场参数图6.34. 仓库参数图6.47 命令语言1.牧场外景if(本站点清扫移动变量2=1) 本站点清扫移动变量= 本站点清扫移动变量+30; if( 本站点清扫移动变量=100) 本站点清扫移动变量2=0; 本站点清扫移动变量=0; if(本站点闪烁=0) 本站点闪烁=1;else if(本站点闪烁=1) 本站点闪烁=0;if(本站点饮用水开关=1) 本站点水流=10; 本站点饲料数量值= 本站点饲料数量值+20;else 本站点水流=0;2.果园if(本站点果园总开关=0)else本站点电量剩余存储=本站点电量剩余;本站点光照存储=本站点光照;本站点温度存储=本站点温度;本站点湿度存储=本站点湿度;本站点pH存储=本站点pH;if(本站点浇水开关=1 & 本站点果园总开关=1)本站点实时水流量存储=本站点实时水流量;本站点控制水流=10;else本站点控制水流=0;if(本站点施肥开关=1 & 本站点果园总开关=1)本站点施肥剩余=本站点施肥剩余-20;本站点肥料实时浓度存储=本站点肥料实时浓度;if(本站点喷药开关=1 & 本站点果园总开关=1)本站点喷药剩余=本站点喷药剩余-20;本站点喷药实时浓度存储=本站点农药实时浓度;if(本站点收获开关=1 & 本站点果园总开关=1)本站点苹果=本站点苹果+50;本站点桃=本站点桃+50;3.农场if(本站点启动农药喷洒=1)if(本站点农药车水平移动200)本站点农药车水平移动=0;本站点农药车垂直移动=0;本站点农药车水平移动=本站点农药车水平移动+20;if(本站点农药车水平移动100)本站点农药车水平移动=0;本站点农药车垂直移动=0;本站点农药车垂直移动=本站点农药车水平移动*0.5;本站点杂草数量=本站点杂草数量+3;if(本站点杂草数量80)本站点杂草超限=0;else本站点杂草超限=1;if(本站点启动一键锄草=1)本站点杂草数量=0;/*种