基于PLC的智能灌溉施肥機的設(shè)計

張明宇 劉峰 王強

摘要：

通過結(jié)合PLC技術(shù)、觸摸屏技術(shù)和傳感器技術(shù)，研究設(shè)計了一種基于PLC的智能灌溉施肥機，解決了施肥問題，提高了水肥利用率，減少了對環(huán)境的不利影響。同時，實現(xiàn)了按需灌溉施肥的精確控制，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的標準化、自動化和集約化發(fā)展提供了必要的保證。

關(guān)鍵詞：

PLC;按需灌溉;精準控制;施肥機

中圖分類號：S22422

文獻標識碼：A

DOI：1019754/jnyyjs20200630015

引言

智能灌溉和施肥技術(shù)是結(jié)合養(yǎng)分溶液和灌溉的自動分配的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)。營養(yǎng)液分配的準確性會影響農(nóng)作物的養(yǎng)分供應(yīng)，灌溉量會影響農(nóng)作物水分的供應(yīng)，精確控制施肥量、灌溉量和施肥時間，不僅可以有效提高農(nóng)作物的質(zhì)量和產(chǎn)量[1-3]，還可以提高水肥資源利用率，節(jié)約資源，減少環(huán)境污染。

目前，我國的園藝保護面積已達3627萬hm2，占世界總面積的85%以上[4-6]。在各種溫室中，自動灌溉和施肥的應(yīng)用已變得越來越普遍，同時自動灌溉和施肥技術(shù)在田間栽培物種中的使用也在增加。由于不同作物或同一作物不同生長期的營養(yǎng)液濃度是動態(tài)變化的，因此現(xiàn)有的灌溉和施肥系統(tǒng)很難滿足生產(chǎn)要求[7-10]。本文設(shè)計了一種智能化灌溉施肥機，其包含4個營養(yǎng)液通道和1個酸液控制通道，可以實現(xiàn)對在線監(jiān)測系統(tǒng)和肥液流量智能控制，從而實現(xiàn)精確地灌溉和施肥。

1系統(tǒng)總體設(shè)計

智能化灌溉施肥機主要由2個水泵，1個流量調(diào)節(jié)閥，1個儲肥裝置，1套智能控制系統(tǒng)和若干輸送管道等組成，也可以根據(jù)用戶的特殊需要進行相應(yīng)地定制，如圖1所示。施肥控制器根據(jù)EC/pH傳感器反饋的參數(shù)和用戶設(shè)置值，調(diào)節(jié)電磁閥的開度，使得流量調(diào)節(jié)閥的肥液吸收率達到預(yù)設(shè)值，從而實現(xiàn)精確地肥液分配。灌溉控制器通過用戶設(shè)定的預(yù)期值與土壤水分傳感器采集到的數(shù)據(jù)進行對比，當(dāng)土壤水分傳感器數(shù)值到達預(yù)設(shè)值下限，灌溉控制器指令灌溉泵的開啟，當(dāng)土壤水分傳感器數(shù)值到達預(yù)設(shè)值上限，灌溉控制器指令灌溉泵的閉合。

2配肥與灌溉系統(tǒng)設(shè)計

21配肥系統(tǒng)

肥液分配系統(tǒng)主要包括施肥管路、電磁閥、肥液罐、流量調(diào)節(jié)閥和施肥控制單元。該系統(tǒng)可以根據(jù)作物的不同需求進行相應(yīng)的初始參數(shù)設(shè)置。智能灌溉施肥機配有4個肥液儲存罐，可以添加不同的肥液。每個肥液儲罐都有1個獨立的流量調(diào)節(jié)閥和1個通向主管道的電磁閥。肥料通過混合泵和調(diào)節(jié)閥送到混合罐，將肥料均勻混合。該系統(tǒng)配備了EC值和pH值檢測功能，可根據(jù)植物的不同需求，完成不同比例的灌溉施肥。在水肥混合計時模式下工作時，先設(shè)置EC值或pH值目標值，然后在參數(shù)設(shè)置項中選擇EC或pH上下限閾值，選擇灌溉泵—灌溉時間—混合泵—肥料罐—施肥時間—灌溉渠道，選擇完成后啟動設(shè)備，以完成施肥操作。

22灌溉系統(tǒng)

灌溉系統(tǒng)主要包括灌溉管路、電磁閥、灌溉泵和灌溉控制單元。當(dāng)需要給作物進行補水時，可以開啟智能化的按需灌溉模式，也可以開啟實現(xiàn)常規(guī)手動操作模式。在常規(guī)模式下，僅需在參數(shù)設(shè)置項目中打開灌溉泵和灌溉通道選擇項，即可實現(xiàn)對灌溉的手動控制（其它無需打開）。除了手動模式的選擇參數(shù)外，還可以將計時模式設(shè)置為灌溉時間，以實現(xiàn)計時灌溉。

3檢測與控制系統(tǒng)設(shè)計

31檢測系統(tǒng)

土壤水分傳感裝置、EC傳感器、pH傳感器、無線網(wǎng)絡(luò)和A/D轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成了灌溉施肥機的檢測系統(tǒng)。由于作物區(qū)安置的土壤水分傳感器距離灌溉施肥機的控制單元比較遠，因此選用無線傳感器配合ZigBee協(xié)議組成無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，控制單元接收到遠端土壤水分傳感器采集的信號進行數(shù)據(jù)分析對比，然后再對整個灌溉施肥系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出指令。本檢測系統(tǒng)還配備了2套EC/pH傳感器進行測試營養(yǎng)液的濃度和酸度，1個作為系統(tǒng)控制信號，1個作為監(jiān)視信號。

32控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)由電氣控制系統(tǒng)和智能控制器2部分組成，用于灌溉施肥機工作過程的自動控制。MCU控制器主芯片選用STC8A4K32S2A12超高速8051單片機，其具有超強抗干擾、超低價、高速、低功耗等特點。系統(tǒng)輸入包含4路光電隔離開關(guān)量輸入，2路12位4-20mA/0-5V模擬量采集，2路4-20mA/0-5V模擬量輸出，12路10A繼電器無源輸出，2路RS485標準接口。通過MCU的RS485與觸摸屏HMI進行通訊，觸摸屏用來顯示EC/pH值，水泵、電磁閥、調(diào)節(jié)閥運行狀態(tài)，可以動畫直觀顯示管網(wǎng)運行圖，并將設(shè)置參數(shù)、運行指令傳給MCU，由MCU根據(jù)運行條件來啟動相應(yīng)的水泵和控制電磁閥的動作，也可根據(jù)EC/pH值的控制調(diào)節(jié)閥來控制營養(yǎng)液濃度和酸堿度。具體電氣原理主控如圖2所示。

4軟件設(shè)計

41PLC編程

PLC編程采用觸摸屏自帶的編程軟件。程序主要功能包括：系統(tǒng)啟動后，用戶可以選擇2種工作模式，手動模式、自動模式;能夠?qū)崟r顯示監(jiān)測到的土壤濕度、EC/pH、壓力等參數(shù)，一旦EC/pH參數(shù)值超出預(yù)期用戶設(shè)定的上下限閾值會出現(xiàn)預(yù)警提示。在灌溉施肥機處于自動模式工作狀態(tài)下，系統(tǒng)會根據(jù)傳感器檢測參數(shù)反饋的信號和用戶設(shè)定值進行分析比對，最后判定系統(tǒng)做出是否開啟灌溉模式或者施肥模式;在灌溉施肥機處于手動模式工作狀態(tài)下，系統(tǒng)可以進行灌溉、施肥操作以及設(shè)置灌溉周期、施肥量和灌溉施肥通道的選擇控制。

42人機界面設(shè)計

在觸摸屏上用Photoshop軟件繪制和處理功能性任務(wù)邏輯屏幕;利用其組態(tài)軟件對觸摸界面的觸摸工作關(guān)系進行配置，生成1個組態(tài)文件;將組態(tài)文件下載到可以進行測試和修改的觸摸屏的終端，使用戶計劃監(jiān)測到參數(shù)能夠和屏幕上的變量相匹配，同時得到設(shè)備和控制設(shè)備的邏輯程序設(shè)置。在操作系統(tǒng)中嵌入的任務(wù)通過LPC2387串口與液晶觸摸屏通信。外部設(shè)備收集的數(shù)據(jù)將被正常工作的邏輯模塊進行處理，并轉(zhuǎn)換實時顯示在觸摸屏上。其可以負責(zé)數(shù)據(jù)顯示和修改，如圖3所示。

人機界面主要包括：檢測參數(shù)設(shè)置模塊，主要設(shè)置EC值和pH值、壓力參數(shù);灌溉施肥模塊，可以選擇灌溉、施肥或者灌溉施肥同時進行，以及灌溉施肥通道的參數(shù)設(shè)置等;主控制接口模塊，實時顯示EC/pH檢測值、壓力、手動自動模式的選擇和灌溉施肥周期的選擇等;報警設(shè)置模塊，設(shè)置EC值和pH值上下限，可以自動進行閾值預(yù)警。

5展望

本文以溫室中的精確灌溉和施肥系統(tǒng)為研究對象，應(yīng)用到當(dāng)前在生產(chǎn)中的常規(guī)做法收集EC和pH值，從而間接判斷作物的水肥供應(yīng)。最科學(xué)的水肥管理目標應(yīng)該是哪里的農(nóng)作物缺水就補給相應(yīng)的水量，哪里的農(nóng)作物缺肥就補給相應(yīng)的肥量，但這需要能夠準確檢測出作物中水分和肥料的流失情況。解決此問題的方法是進行生理學(xué)研究，研發(fā)出可直接測量農(nóng)作物生理參數(shù)的傳感器監(jiān)控設(shè)備，并將間接測量改為直接測量，進而為作物的水肥控制精準化提供技術(shù)支持。

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（責(zé)任編輯周康）