山地葡萄智能水肥一體控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

初光勇 姚立國(guó)

摘要 結(jié)合當(dāng)前丘陵山地葡萄園水肥一體灌溉的需求，設(shè)計(jì)了一款基于PLC控制的智能水肥一體化系統(tǒng)。該系統(tǒng)以西門(mén)子PLC為核心控制器，使用無(wú)線通信技術(shù)實(shí)時(shí)采集當(dāng)前的溫濕度、電導(dǎo)率、pH、EC值等參數(shù)，利用MCGS軟件設(shè)計(jì)了觸摸屏界面。根據(jù)當(dāng)前的環(huán)境參數(shù)對(duì)灌溉電機(jī)泵進(jìn)行變頻控制，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行種植環(huán)境參數(shù)的調(diào)節(jié)。該智能控制系統(tǒng)能夠有效地對(duì)葡萄種植過(guò)程中的土壤墑情等多種參數(shù)以及環(huán)境參數(shù)進(jìn)行無(wú)線采集傳輸，并通過(guò)PLC進(jìn)行智能控制。運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、響應(yīng)及時(shí)，可提高葡萄種植過(guò)程中水肥的利用率。

關(guān)鍵詞 水肥一體；PLC；葡萄；山地

中圖分類(lèi)號(hào) S66? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 0517-6611（2024）11-0187-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.11.040

Design of Integrated Control System of Intelligent Water and Fertilizer for Mountain Grape

CHU Guang-yong1， YAO Li-guo2

（1. School of Engineering， Tongren Polytechnic College， Tongren， Guizhou 554300;2. School of Mechanical and Electrical Engineering， Guizhou Normal University， Guiyang， Guizhou 550025）

Abstract Based on the demand of integrated irrigation of water and fertilizer in hilly vineyards， an intelligent integrated system of water and fertilizer controlled by PLC was designed. The system uses Siemens PLC as the core controller， and uses wireless communication technology to collect the current temperature and humidity， conductivity， pH value， EC value and other parameters in real time. MCGS software is used to design a touch screen interface. According to the current environmental parameters， the irrigation motor pump frequency control is carried out， and the actuator is driven to adjust the planting environmental parameters. The intelligent control system can effectively collect and transmit various parameters such as soil moisture and environmental parameters in the process of grape planting， and carry out intelligent control through PLC. The system runs smoothly and responds in time， which improves the utilization rate of water and fertilizer in the process of grape planting.

Key words Water and fertilizer in one;PLC;Grapes;Mountainous area

基金項(xiàng)目 貴州省科技計(jì)劃項(xiàng)目（黔科合基礎(chǔ)-ZK〔2022〕一般320）；銅仁職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)科研平臺(tái)項(xiàng)目（tzkpt〔2022〕188-07號(hào)）。

作者簡(jiǎn)介 初光勇（1989—），男，山東聊城人，副教授，碩士，從事農(nóng)業(yè)裝備研究。

*通信作者，副教授，博士，從事智能制造和制造大數(shù)據(jù)研究。

收稿日期 2023-08-02；修回日期 2023-12-01

我國(guó)是全球最大的鮮食葡萄生產(chǎn)國(guó)，國(guó)內(nèi)鮮食葡萄消費(fèi)需求呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，消費(fèi)者對(duì)鮮食葡萄數(shù)量和質(zhì)量的要求也在逐年提高［1］。葡萄在生長(zhǎng)過(guò)程中對(duì)光照、水肥的要求比較高，水肥的科學(xué)供應(yīng)可以極大程度提高水果的品質(zhì)和產(chǎn)量。隨著我國(guó)山地高效農(nóng)業(yè)的推進(jìn)，自動(dòng)化技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等新技術(shù)［2-4］在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，實(shí)施水肥一體化智能控制將有效解決山地水果種植水肥管控不精準(zhǔn)、土壤環(huán)境差異問(wèn)題。目前，大多數(shù)的水肥一體化技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)定時(shí)灌溉、自動(dòng)灌溉，但是控制的過(guò)程不夠精準(zhǔn)，植物生長(zhǎng)過(guò)程的參數(shù)采集不夠豐富，水路的壓力變化波動(dòng)大，影響了吸肥灌溉的精度，因此關(guān)于智能農(nóng)業(yè)的新技術(shù)研究勢(shì)在必行。相對(duì)于傳統(tǒng)的單片機(jī)控制或者簡(jiǎn)單的定時(shí)器控制，基于PLC控制的山地葡萄智能水肥一體化控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)的檢測(cè)當(dāng)前的土壤墑情，計(jì)算植物生長(zhǎng)過(guò)程中所需要的水肥濃度［5］，科學(xué)分析當(dāng)前缺失量、補(bǔ)給量，不僅能提高山地地區(qū)水果產(chǎn)量，也能改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。

1 控制系統(tǒng)的總體構(gòu)架

智能水肥一體控制系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)和執(zhí)行系統(tǒng)組成（圖1）。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)集成了空氣溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、土壤多參數(shù)檢測(cè)傳感器［6］。各個(gè)傳感器模塊通過(guò)無(wú)線串口將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳遞到數(shù)據(jù)處理終端PLC進(jìn)行處理。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由電源模塊、PLC模塊［7］、物聯(lián)網(wǎng)模塊、無(wú)線透?jìng)髂K組成。電源模塊為各個(gè)模塊提供穩(wěn)定的交直流電。PLC模塊作為主要的中央處理器將來(lái)自各系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在觸摸屏終端、手機(jī)終端進(jìn)行顯示。物聯(lián)網(wǎng)模塊將PLC中的數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程顯示，利用遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。無(wú)線透?jìng)髂K主要接收來(lái)自數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中傳感器采集到的數(shù)據(jù)。

人機(jī)交互系統(tǒng)由觸摸屏、遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)顯示器、手機(jī)APP界面等組成，主要作用是完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程控制。

執(zhí)行系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)的末端執(zhí)行設(shè)備，由電磁閥、土壤施肥泵、通風(fēng)設(shè)備、加熱設(shè)備、遮光設(shè)備組成，接收PLC的輸出指令，通過(guò)繼電器、變頻器動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤施肥過(guò)程中的控制。

2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組態(tài)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的組態(tài)軟件設(shè)計(jì)

在MCGS觸摸屏的組態(tài)界面中，包括了諸多土壤墑情參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息，例如氮含量、磷含量、土壤及空氣的溫濕度、光照強(qiáng)度、pH、EC值［8］等。在手動(dòng)控制界面可以單獨(dú)對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)電機(jī)、電磁閥進(jìn)行控制，包含了液位指示、故障指示等報(bào)警功能，能夠?qū)崟r(shí)顯示各個(gè)肥料罐的當(dāng)前總量，進(jìn)料泵實(shí)時(shí)顯示流量計(jì)壓力值，主電機(jī)可以顯示當(dāng)前的電機(jī)轉(zhuǎn)速，支持曲線實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)當(dāng)前的數(shù)據(jù)方便后續(xù)的分析（圖2）。

2.2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)由本地端和遠(yuǎn)端組成，本地端由機(jī)載傳感器、PLC、速控云等組成（圖3）。本地端系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-200SmartSR20型號(hào)PLC，采用梯形圖編程語(yǔ)言［9］進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)，PLC與MCGS觸摸屏之間進(jìn)行Modbus TCP方式通信，與數(shù)據(jù)采集傳感器之間通過(guò)Moudbus485協(xié)議無(wú)線串口方式通信。遠(yuǎn)程端由遠(yuǎn)端傳感器、多數(shù)據(jù)采集終端等組成。速控云遠(yuǎn)程模塊支持API接口、OPC接口和MQTT協(xié)議，利用手機(jī)APP通過(guò)速控云的4G網(wǎng)絡(luò)對(duì)PLC采集到的過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)對(duì)泵、電磁閥等進(jìn)行啟動(dòng)和停止控制，設(shè)備的傳感器參數(shù)可以實(shí)時(shí)的顯示在手機(jī)APP終端。

2.3 灌溉的工藝流程設(shè)計(jì)

水肥一體灌溉系統(tǒng)由供水系統(tǒng)、吸肥系統(tǒng)、終端控制器3部分組成（圖4）。供水系統(tǒng)由變頻離心泵、蓄水池、過(guò)濾系統(tǒng)組成，主要為系統(tǒng)提供水源。吸肥系統(tǒng)由文丘里吸肥器、肥液罐組成，依靠文丘里效應(yīng)［10］產(chǎn)生負(fù)壓將肥液吸入至管路中。終端控制器由傳感器、控制器、上位機(jī)組成。傳感器主要采集工作過(guò)程的信號(hào)，控制器主要接收來(lái)自上位機(jī)的命令，上位機(jī)主要顯示和監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的參數(shù)。

3 水肥智能調(diào)控模型

3.1 水肥一體調(diào)控EC模型

根據(jù)質(zhì)量守恒，設(shè)備管道中剩余液體的量等于流入液體的量減去流出液體的量，文丘里吸肥器里面的進(jìn)出口流量與變頻泵之間的頻率f（t）有關(guān)，得出之間的關(guān)系為一階滯后模型：

d［VTC（t）］dt=C1f（t）qw+C0f（t）qm-C（t）q2（1）

式（1）中，VT為混合管道中肥液的體積，C（t）為混合管道中肥液的濃度，C0為進(jìn)水管中肥液的濃度，C1為水肥混合管道中肥液的濃度，qw為文丘里吸肥器最大吸肥量，qm為主管路進(jìn)水口最大流量，q2為主管路出口流量，t為變頻泵的工作時(shí)間。由于液體的EC與濃度成正比關(guān)系［11］，式（1）可變換為：

d［VTE（t）］dt=E1f（t）+E0f（t）-E（t）q2（2）

式（2）中，E（t）為混合管道中肥液的EC，E0為進(jìn)水管道中肥液的EC，E1為肥液罐中肥液的EC。將式（2）進(jìn)行拉斯變換后得：

E（s）=E1qw+e0qmVTs+q2m（s）（3）

將混合管道中的體積VT=50 L、主管道進(jìn)水口的最大流量qm=3 000 L/h、文丘里吸肥器最大吸肥量qw=640 L/h、肥液罐中肥液的E1=10 mS/cm、進(jìn)水管道中肥液的E0=0.6 mS/cm、滯后時(shí)間為10 s，帶入以上公式中得到傳遞函數(shù)：

E（s）m（s）=2.7360 s+1e-10 s（4）

3.2 水肥一體模糊PID調(diào)控模型

利用EC傳感器實(shí)時(shí)采集肥料母液罐中的值，通過(guò)Moudbus485通信將數(shù)據(jù)發(fā)送至PLC，經(jīng)過(guò)預(yù)設(shè)值進(jìn)行差值比對(duì)，模糊PID［12］計(jì)算比例積分微分，轉(zhuǎn)化為吸肥電機(jī)的頻率，變頻器通過(guò)485通信實(shí)時(shí)反饋至PLC，從而控制最終的水肥濃度（圖5）。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水肥一體系統(tǒng)的實(shí)際情況，利用Matlab中的Simulink模塊進(jìn)行仿真，將EC值的誤差e和誤差變化率ec作為模糊自適應(yīng)PID控制器的輸入，輸出為ΔKp、ΔKi、ΔKd。定義模糊集上的域論：e＝｛-6，-4，-2，0，2，4，6｝，ec＝｛-6，-4，-2，0，2，4，6｝，根據(jù)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)定義模糊規(guī)則，經(jīng)過(guò)解模糊使ΔKp、ΔKi、ΔKd轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的量化值，如表1所示。

將表格中的數(shù)據(jù)依次存入PLC的變量寄存器中，利用查表法［13］進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)，將模糊PID計(jì)算的結(jié)果Kp、Ki、Kd輸入至PLC，轉(zhuǎn)換輸出至變頻器的頻率值。

4 控制系統(tǒng)的運(yùn)行試驗(yàn)

為了驗(yàn)證控制系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的精確度與穩(wěn)定性，試驗(yàn)選取在葡萄園示范基地進(jìn)行。試驗(yàn)選用恒壓供水，保持壓力值在0.32 MPa，現(xiàn)場(chǎng)利用EC值為10 mS/cm的水溶性硝酸鉀溶液，植物的生長(zhǎng)EC值過(guò)高會(huì)導(dǎo)致根系死亡，EC值過(guò)低會(huì)影響作物的品質(zhì)［14］。考慮到葡萄生長(zhǎng)在果期［15］，選取目標(biāo)EC值為1.5～2.0 mS/cm，經(jīng)過(guò)連續(xù)多次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表2。

通過(guò)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用模糊PID控制的波動(dòng)幅度較小，超調(diào)量較小，調(diào)控水肥所需的時(shí)間為90～120 s，由此可見(jiàn)，所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)需要。

5 結(jié)論

筆者研究的山地葡萄智能水肥一體控制系統(tǒng)，完成了系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)、硬件接線及控制器的選型、軟件功能的設(shè)計(jì)，有效地提高了山地葡萄園種植過(guò)程的智能化，在節(jié)水節(jié)肥的同時(shí)提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量，為山地農(nóng)業(yè)提質(zhì)增效提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

［1］ 董征宇.基于物聯(lián)網(wǎng)的葡萄園信息獲取與智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2018，40（4）：206-209.

［2］ 呂途.基于物聯(lián)網(wǎng)的水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)研究［D］.鄭州：華北水利水電大學(xué)，2019.

［3］ 彭煒?lè)?，劉芳，李光林，?丘陵地區(qū)農(nóng)田土壤信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2021，43（4）：65-69.

［4］ 姜浩.農(nóng)業(yè)水肥一體化智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)［D］.蘭州：蘭州理工大學(xué)，2019.

［5］ 李曉波，江景濤，楊然兵，等.馬鈴薯水肥一體化脈沖控制濃度自調(diào)整系統(tǒng)設(shè)計(jì)：基于PLC控制［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2022，44（5）：31-36.

［6］ 初光勇，孟輝.基于單片機(jī)的大棚多參數(shù)采集控制系統(tǒng)［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2021，11（8）：15-17.

［7］ KANDASAMY V，DIVYA R.Automatic monitoring of soil moisture and controlling of irrigation system［J］.International journal of advanced networking and applications，2018，9（6）：3658-3662.

［8］ 劉炳鑠，蘭鵬，魏珉，等.輕簡(jiǎn)水肥一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.節(jié)水灌溉，2021（2）：75-79.

［9］ 代擁軍，姜浩，駱東松，等.基于模糊自適應(yīng)PID控制的智能配肥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)［J］.計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2020，48（9）：2131-2135.

［10］ 姜巖.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能水肥一體機(jī)控制系統(tǒng)［D］.青島：青島理工大學(xué)，2018.

［11］ 鄔夢(mèng)龍.基于EC和pH的肥料濃度監(jiān)測(cè)方法與裝置研究［D］.楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2021.

［12］ 朱德蘭，阮漢鋮，吳普特，等.水肥一體機(jī)肥液電導(dǎo)率遠(yuǎn)程模糊PID控制策略［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2022，53（1）：186-191.

［13］ 陳超.基于模糊理論的智能水肥一體機(jī)研制［D］.合肥：安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)，2019.

［14］ KANG S H，KIM Y，LEE S，et al.A study on the field applicability of intermittent irrigation in protected cultivation using an automatic irrigation system［J］.Applied sciences，2022，12（20）：1-12.

［15］ 孫嘉星.灌溉施肥對(duì)釀酒葡萄水肥信號(hào)及產(chǎn)量和品質(zhì)的影響研究［D］.北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2021.