果園水肥一體化系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

胡佳寧 劉旋 周棕凱 辛忠偉

摘要：根據(jù)河北省現(xiàn)有果園灌溉施肥中存在的自動(dòng)化水平低、灌溉施肥決策不合理等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于PLC的果園水肥一體化系統(tǒng)方案。系統(tǒng)以西門(mén)子PLC為核心，通過(guò)分布于果園中的各類(lèi)傳感器采集果園土壤信息、果樹(shù)生長(zhǎng)信息以及氣象信息等，采用Modbus數(shù)據(jù)通訊協(xié)議實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，明確了系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：果園;PLC;水肥一體化系統(tǒng);關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)河北省果園施肥灌溉自動(dòng)化水平不高、肥料利用率較低、關(guān)鍵技術(shù)推廣不全面的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于PLC的果園水肥一體化控制系統(tǒng)方案，該設(shè)計(jì)方案利用現(xiàn)有關(guān)鍵技術(shù)，推動(dòng)了果園生產(chǎn)自動(dòng)化的普及，為果園水肥一體化發(fā)展提供了新方案。

1? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

果樹(shù)受生長(zhǎng)環(huán)境、氣候環(huán)境、生長(zhǎng)階段等因素影響，因此果園灌溉施肥控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須綜合考慮上述因素，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足以下設(shè)計(jì)原則：

（1）操作簡(jiǎn)便性：自動(dòng)控制系統(tǒng)多數(shù)由專(zhuān)業(yè)知識(shí)薄弱的果農(nóng)操作使用，因此控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要充分考慮到操作的簡(jiǎn)易程度，控制操作界面的設(shè)計(jì)要清晰簡(jiǎn)明。

（2）可靠性：果園灌溉施肥決策和控制系統(tǒng)應(yīng)能長(zhǎng)期保持穩(wěn)定的工作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮PLC及拓展模塊工作的穩(wěn)定性、傳感器數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)目垢蓴_性、執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的準(zhǔn)確性等。

（3）可修改性：因?yàn)楣麍@作物受生長(zhǎng)環(huán)境、氣候環(huán)境、果樹(shù)種類(lèi)、果樹(shù)生長(zhǎng)階段等因素影響，因此設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)能根據(jù)上述環(huán)境的不同而進(jìn)行修改。

（4）經(jīng)濟(jì)性：該控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于中、小規(guī)模的果園生產(chǎn)，所以在滿(mǎn)足系統(tǒng)工作性能的基礎(chǔ)上，應(yīng)選用經(jīng)濟(jì)實(shí)用的設(shè)計(jì)方案，以降低成本投入。

2? 系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)河北省果園灌溉施肥中存在的主要問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于PLC的果園水肥一體化系統(tǒng)方案。系統(tǒng)采用上位機(jī)、下位機(jī)結(jié)構(gòu)，上位機(jī)由觸摸屏構(gòu)成，下位機(jī)由西門(mén)子S7-200 SMART構(gòu)成，采用以太網(wǎng)通信。下位機(jī)接收傳感器上傳的數(shù)據(jù)信息并處理，其中傳感器與S7-200 SMART采用MODBUS通信，上位機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的參數(shù)、命令輸入和狀態(tài)監(jiān)控，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3? 關(guān)鍵技術(shù)

3.1? Modbus通訊協(xié)議

Modbus通訊協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，通過(guò)此通訊協(xié)議，控制器相互之間以及控制設(shè)備間可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通信，在運(yùn)用Modbus協(xié)議進(jìn)行通訊時(shí)，主站需要識(shí)別被控制設(shè)備所對(duì)應(yīng)的從站地址，從而完成所收數(shù)據(jù)的識(shí)別工作。

3.2? 傳感器的部署及數(shù)據(jù)采集

果園灌溉施肥控制系統(tǒng)中的傳感器部署是靜態(tài)的、計(jì)劃的部署，在部署時(shí)需要考慮傳感器節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，即如何在使用相對(duì)少的節(jié)點(diǎn)數(shù)量情況下實(shí)現(xiàn)最大的覆蓋面積。由于現(xiàn)代果園在規(guī)劃時(shí)較為整齊，因此對(duì)于土壤節(jié)點(diǎn)的部署來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)平面鑲嵌的理論，結(jié)合果園的實(shí)際地形，采用正多邊形網(wǎng)格劃分的節(jié)點(diǎn)優(yōu)化對(duì)系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)部署。對(duì)于果樹(shù)節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，選擇隨機(jī)部署的方式，從而獲得果樹(shù)冠層和葉面的溫濕度情況。同時(shí)在果園中部署小型氣象站，進(jìn)而將土壤信息、果樹(shù)信息和氣象信息相結(jié)合指導(dǎo)果園灌溉施肥過(guò)程。

圖1? 果園水肥一體化自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.3? 監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)

果園灌溉施肥控制系統(tǒng)使用云平臺(tái)和西門(mén)子SMART 700 IE V3觸摸屏作為監(jiān)控平臺(tái)，PLC與觸摸屏采用以太網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通訊，其中觸摸屏采用WinCC flexible SMART V3軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)。監(jiān)控平臺(tái)提供果園數(shù)據(jù)信息顯示界面、自動(dòng)灌溉和施肥參數(shù)設(shè)置界面、手動(dòng)控制界面、歷史曲線(xiàn)界面和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)控等界面，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)與用戶(hù)之間的人性化、便捷化交互。

4? 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)我省果園水肥一體化技術(shù)中存在的問(wèn)題，在分析果園水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，確定了果園水肥一體化控制系統(tǒng)方案，對(duì)Modbus數(shù)據(jù)通訊、監(jiān)控平臺(tái)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析，為傳感器的部署與數(shù)據(jù)采集提供了方案。

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