李雅靜,孟 慧，張小青

(咸陽師范學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

0 引言

國外溫室灌溉系統(tǒng)的研究和開發(fā)起步較早，灌溉系統(tǒng)節(jié)水性能好，穩(wěn)定性高。國外的研究方法主要是以土壤水分控制作為溫室灌溉的主要控制手段，有時還結(jié)合一些其他環(huán)境因素或作物本身的狀況，比如水分蒸發(fā)量、土壤水分含量、空氣水分含量和光照強(qiáng)度等。和國外比較健全的控制系統(tǒng)相比較，我國的控制灌溉處于起步階段，沒有成熟的產(chǎn)品，因此研發(fā)和我們國家實(shí)際情況相貼切的溫室控制灌溉系統(tǒng)有著很大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 溫室灌溉控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由PLC、A/D轉(zhuǎn)換模塊、土壤濕度傳感器、水位傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和報(bào)警裝置構(gòu)成。溫室灌溉控制系統(tǒng)硬件工作原理框圖如圖1所示，對于土壤植物和水生植物工作原理略有不同。

圖1 溫室灌溉控制系統(tǒng)硬件工作原理框圖

1.1 PLC的選擇

系統(tǒng)采用西門子S7-200PLC作為控制器，其中的CPU224含有14個輸入端子、10個輸出端子，同時可外接相應(yīng)擴(kuò)展模塊，能滿足系統(tǒng)的控制要求。

1.2 土壤濕度傳感器的選擇

本系統(tǒng)采用目前比較流行的FDR型土壤濕度傳感器HA2001.FDR，它利用電磁脈沖原理，根據(jù)電磁波在介質(zhì)中的傳播頻率來測量土壤的表觀介電常數(shù)，從而得到土壤容積含水量，具有簡便安全、快速準(zhǔn)確、定點(diǎn)連續(xù)、自動化、寬量程、少標(biāo)定等特點(diǎn)。

1.3 水位傳感器的選擇

本系統(tǒng)采用投入式水位傳感器DATA-51系列，水位傳感器將感受到的水位信號傳送到控制器，控制器內(nèi)的計(jì)算機(jī)將實(shí)測的水位信號與設(shè)定信號進(jìn)行比較，得出偏差，然后根據(jù)偏差的性質(zhì)向給水電動閥發(fā)出“開”、“關(guān)”指令，保證容器達(dá)到設(shè)定水位。

1.4 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇

根據(jù)本系統(tǒng)對輸入量的要求，采用EM231模擬量輸入模塊，將現(xiàn)場由傳感器檢測而產(chǎn)生的連續(xù)的模擬量信號轉(zhuǎn)換成PLC的CPU可以接收的數(shù)字量，為12位二進(jìn)制數(shù)，數(shù)字量位數(shù)越多的模塊分辨率就越高。

2 溫室灌溉控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 水生植物灌溉設(shè)計(jì)

水生植物要求其水平面必須保持在一定范圍內(nèi)，通過投入式水位傳感器感受水位信號，將其傳送到控制器與設(shè)定信號最小值和最大值相比較，根據(jù)偏差向給水電動閥發(fā)出“開”、“關(guān)”指令，保證水位達(dá)到設(shè)定范圍，水位低于設(shè)定最小值時報(bào)警指示燈亮。水生植物灌溉流程如圖2所示。

2.2 土壤植物灌溉設(shè)計(jì)

土壤植物要求其土壤中含水量必須保持在一定范圍內(nèi)，通過土壤傳感器檢測土壤濕度含量，將其傳送到控制器與設(shè)定信號最小值和最大值相比較，根據(jù)偏差向給水電動閥發(fā)出“開”、“關(guān)”指令，保證土壤濕度達(dá)到設(shè)定范圍，土壤含水量低于設(shè)定最小值時報(bào)警指示燈亮。土壤植物灌溉流程如圖3所示。

圖2 水生植物灌溉流程

圖3 土壤植物灌溉流程

2.3 定時灌溉設(shè)計(jì)

水生植物和土壤植物還可以選擇定時灌溉模式，本文提供兩種灌溉方式，可根據(jù)不同植物生長環(huán)境特性自由選擇。第一種每天白天從6：00到6:03或晚上20:00到20:03進(jìn)行澆灌；第二種每隔一天當(dāng)晚上光敏開關(guān)響應(yīng)時進(jìn)行澆灌澆水2 min。定時灌溉流程如圖4所示。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一個可以根據(jù)不同植物對水的需求來分類分量進(jìn)行灌溉的自動控制裝置。本設(shè)計(jì)以S7-200 PLC為核心控制器，采用水位傳感器、濕度傳感器和時鐘控制，實(shí)現(xiàn)了對水生植物及土壤植物的智能化灌溉。

圖4 定時灌溉流程