基于可編程序控制器的水肥一體灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

晁陽，余娜，卿笛，黃林剛

(1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電分院，陜西 楊凌 712100;2.西安市科技交流中心，陜西 西安 710000)

0 前 言

施肥灌溉是農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收的關(guān)鍵因素，在作物生長中扮演著極其重要的角色[1]。在設(shè)施農(nóng)業(yè)種植中，水肥一體化設(shè)備可以自動(dòng)將水和營養(yǎng)液進(jìn)行混合，并對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行灌溉，極大滿足農(nóng)作物生長需求[2]，起到明顯增產(chǎn)增收效果。

然而我國西北廣大地區(qū)目前農(nóng)業(yè)設(shè)施推廣仍不普及，市面上現(xiàn)有的水肥一體化設(shè)施成本昂貴，農(nóng)戶使用意愿不強(qiáng)，仍普遍采用傳統(tǒng)粗放型灌溉模式。該方式造成肥料利用率低、土壤養(yǎng)分極大失衡和鹽漬化嚴(yán)重等問題[3-5]。因此，設(shè)計(jì)一款價(jià)格合理、使用方便、功能夠用和性能良好的水肥一體灌溉系統(tǒng)可以極大推動(dòng)設(shè)施在西北地區(qū)中小型溫室大棚種植行業(yè)的普及和發(fā)展[6]，增加中小大棚種植戶的收益。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由控制器、傳感器、過濾器、水泵和施肥泵等元器件組成，包含灌溉和施肥灌溉兩種功能，具有自動(dòng)、手動(dòng)和停止三種模式[7]，運(yùn)用三位轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行模式切換。

在自動(dòng)模式下，系統(tǒng)終端傳感器對(duì)溫室內(nèi)土壤濕度及電導(dǎo)率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[8-9]。當(dāng)土壤需要施肥時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警并開啟灌溉施肥模式，灌溉施肥指示燈點(diǎn)亮，驅(qū)動(dòng)施肥泵將事先配好的營養(yǎng)液通過閥門引入管道，通過滴灌設(shè)備對(duì)土壤進(jìn)行施肥灌溉。當(dāng)土壤電導(dǎo)率達(dá)到設(shè)定值時(shí)，施肥灌溉模式停止，對(duì)應(yīng)指示燈熄滅。之后，系統(tǒng)檢測(cè)土壤是否缺水，如果此時(shí)土壤含水量也已達(dá)到設(shè)定值，系統(tǒng)停止；如果此時(shí)土壤含水量仍不能達(dá)到設(shè)定值，則啟動(dòng)灌溉模式，驅(qū)動(dòng)灌溉泵運(yùn)行對(duì)作物進(jìn)行滴灌，同時(shí)對(duì)應(yīng)指示燈開啟，直到土壤含水量達(dá)標(biāo)后系統(tǒng)停止。系統(tǒng)也可對(duì)當(dāng)前土壤含水量進(jìn)行單獨(dú)檢測(cè)。當(dāng)傳感器檢測(cè)到土壤缺水時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出缺水報(bào)警，開啟灌溉模式，驅(qū)動(dòng)灌溉泵運(yùn)行將灌溉用水引入管道，對(duì)作物進(jìn)行滴灌；當(dāng)土壤含水量達(dá)到設(shè)定值時(shí)，灌溉模式停止，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)作物的自動(dòng)灌溉和無人值守[9]。在手動(dòng)模式下，工作人員可以按照經(jīng)驗(yàn)或作物實(shí)際情況手動(dòng)進(jìn)行灌溉或施肥灌溉，也可進(jìn)行系統(tǒng)停機(jī)檢修后的調(diào)試和維護(hù)[10]。此外，系統(tǒng)還具有實(shí)時(shí)顯示、聲光報(bào)警、鍵盤調(diào)節(jié)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，工作人員可以實(shí)時(shí)掌握并調(diào)節(jié)土壤數(shù)據(jù)，滿足各種作物生長需求，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器

系統(tǒng)核心控制器采用三菱FX2N-32MR型可編程序控制器(PLC)，PLC是三菱公司推出的高性能小型可編程控制器。它使用梯形圖作為邏輯編程語言，簡單方便。內(nèi)部有32點(diǎn)I/O接口、1～100 ms定時(shí)器256位、8 K步EEPROM程序容量、128點(diǎn)16位數(shù)據(jù)寄存器以及128點(diǎn)指針6點(diǎn)中斷等。其結(jié)構(gòu)緊湊、性能穩(wěn)定，具有較高的性能價(jià)格比，因而在市面上使用較為廣泛。

2.2 土壤濕度傳感器

系統(tǒng)對(duì)土壤濕度的檢測(cè)主要采用土壤水分傳感器。該傳感器的主要優(yōu)勢(shì)：表面采用鍍鎳處理、導(dǎo)電性能大幅提高、耐腐蝕性強(qiáng)和使用壽命長；低電壓、低功耗和測(cè)量精度高；可以在較寬的范圍內(nèi)測(cè)量土壤濕度；可承受1 500 W的負(fù)載。通過電位器調(diào)節(jié)響應(yīng)閥值，滿足大多數(shù)農(nóng)產(chǎn)品種植場(chǎng)景的需求。土壤濕度傳感器如圖2所示。

圖2 土壤濕度傳感器

2.3 土壤電導(dǎo)率傳感器

PR-3000-ECH-I20型土壤電導(dǎo)率傳感器通過測(cè)量土壤中介電常數(shù)，從而檢測(cè)土壤水分和土壤中氮、磷和鉀等鹽離子電導(dǎo)率。該產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)為：精度高、響應(yīng)快和耐酸堿腐蝕，探針式設(shè)計(jì)保證測(cè)量精度；可埋入土壤或直接投入水中進(jìn)行長期動(dòng)態(tài)檢測(cè)，電極采用特殊處理的合金材料；可承受較強(qiáng)的外力沖擊，不易損壞。輸出信號(hào)為標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA電流。

需要注意的是插地測(cè)量時(shí)，應(yīng)避開石塊，確保鋼針不會(huì)碰到堅(jiān)硬的物體，按照所需測(cè)量深度拋開表層土，保持下面土壤原有的松緊程度，將傳感器垂直插入土壤，插入時(shí)不可左右晃動(dòng)。埋地測(cè)量時(shí)，垂直挖直徑>20 cm的坑，按照測(cè)量需要，在既定的深度將傳感器鋼針?biāo)讲迦肟颖?，將坑填埋?yán)實(shí)。穩(wěn)定一段時(shí)間后，即可進(jìn)行連續(xù)數(shù)天、數(shù)月乃至更長時(shí)間的測(cè)量和記錄。兩種測(cè)量方法如圖3所示。

圖3 插地測(cè)量和埋地測(cè)量示意圖

2.4 滴灌系統(tǒng)

滴灌系統(tǒng)采用兩臺(tái)潛水泵作為動(dòng)力原件，潛水泵的啟停由中間繼電器控制，中間繼電器接收PLC輸出信號(hào)進(jìn)行開啟或關(guān)閉。滴灌管路布設(shè)應(yīng)根據(jù)所栽培作物的株間距合理安排，采用聚丙烯插入式滴水器插入作物根部附近較深位置，并合理調(diào)節(jié)水滴速度。

2.5 報(bào)警系統(tǒng)

報(bào)警系統(tǒng)采用蜂鳴器和指示燈完成，指示燈兼具模式指示功能。當(dāng)電源上電后，綠色指示燈點(diǎn)亮；當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，綠色指示燈熄滅，紅色指示燈點(diǎn)亮，同時(shí)手動(dòng)或自動(dòng)模式對(duì)應(yīng)的指示燈亮，以顯示當(dāng)前運(yùn)行的模式；當(dāng)土壤缺水或缺肥時(shí)，蜂鳴器響起，同時(shí)對(duì)應(yīng)的黃色指示燈閃爍。系統(tǒng)處于灌溉或施肥灌溉時(shí)，對(duì)應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮，手動(dòng)控制時(shí)，單獨(dú)啟動(dòng)施肥或灌溉施肥功能也可將對(duì)應(yīng)的指示燈點(diǎn)亮。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分為停止、手動(dòng)和自動(dòng)三種運(yùn)行模式。手動(dòng)模式用于系統(tǒng)安裝、調(diào)試、維護(hù)檢修及作物特定狀態(tài)下的灌溉。在手動(dòng)模式中，工作人員先將轉(zhuǎn)換開關(guān)旋轉(zhuǎn)至手動(dòng)模式，之后按下灌溉啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)將進(jìn)行灌溉動(dòng)作；按下灌溉施肥按鈕，系統(tǒng)將進(jìn)行灌溉施肥動(dòng)作，直到操作人員按下停止按鈕，系統(tǒng)停止動(dòng)作，灌溉或灌溉施肥動(dòng)作停止。在自動(dòng)模式中，工作人員只需將轉(zhuǎn)換開關(guān)旋轉(zhuǎn)至自動(dòng)模式，系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化動(dòng)作，之后土壤電導(dǎo)率傳感器將自動(dòng)檢測(cè)土壤肥力，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳送給PLC的輸入端。PLC將該電信號(hào)不斷與設(shè)定值進(jìn)行對(duì)比，若土壤肥力在設(shè)定值上下限之內(nèi)，系統(tǒng)進(jìn)行下一步，對(duì)土壤濕度進(jìn)行檢測(cè)；若土壤濕度也在設(shè)定值上下限之內(nèi)，系統(tǒng)返回初始值并進(jìn)行下一周期工作；若土壤肥力低于設(shè)定的下限值時(shí)，對(duì)應(yīng)的報(bào)警系統(tǒng)動(dòng)作，提示工作人員土壤處于缺肥模式，同時(shí)系統(tǒng)開啟灌溉施肥模式，直到土壤肥力到達(dá)設(shè)定上限值，灌溉施肥模式停止，報(bào)警系統(tǒng)停止動(dòng)作；之后系統(tǒng)進(jìn)行下一步工作，通過土壤濕度傳感器檢測(cè)土壤干濕度，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳入PLC，此時(shí)控制器將該電信號(hào)與設(shè)定值不斷進(jìn)行比較，若土壤濕度數(shù)值在預(yù)先設(shè)定的上下線閥值區(qū)間內(nèi)，系統(tǒng)返回初始化并重新檢測(cè)，若土壤濕度或土壤電導(dǎo)率低于設(shè)定下限值，對(duì)應(yīng)的報(bào)警系統(tǒng)動(dòng)作，同時(shí)系統(tǒng)將開啟灌溉模式，直到土壤濕度到達(dá)設(shè)定上限值，系統(tǒng)工作結(jié)束。系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)流程圖

4 試驗(yàn)及結(jié)果分析

為了檢測(cè)系統(tǒng)穩(wěn)定性、有效性及精度是否滿足需求，選擇楊凌農(nóng)業(yè)示范區(qū)一所番茄種植大棚進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。系統(tǒng)工作在自動(dòng)模式下，同時(shí)工作人員用手持移動(dòng)式工具對(duì)土壤濕度及土壤電導(dǎo)率進(jìn)行檢測(cè)，并記錄系統(tǒng)工作時(shí)土壤的實(shí)際值是否符合系統(tǒng)預(yù)設(shè)值，最后將系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)量值與人工測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比并計(jì)算誤差。檢測(cè)結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)對(duì)土壤電導(dǎo)率及土壤濕度的測(cè)量與實(shí)際測(cè)量誤差極小，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

表1 土壤濕度與電導(dǎo)率測(cè)試數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的水肥一體灌溉系統(tǒng)以PLC為核心控制器[11]，將傳感技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等科學(xué)技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合，有效提高了設(shè)施農(nóng)業(yè)種植灌溉的肥水使用效率。制作開發(fā)周期較短、功能夠用、價(jià)格低廉和操作簡便，能夠滿足中小型設(shè)施農(nóng)業(yè)種植灌溉的自動(dòng)控制和無人值守。經(jīng)過樣機(jī)制作和測(cè)試檢驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行較為穩(wěn)定，具有廣闊的推廣價(jià)值。