張明宇 劉峰 王強(qiáng)

摘要：

通過(guò)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(jì)了一種基于PLC的智能灌溉施肥機(jī)，解決了施肥問(wèn)題，提高了水肥利用率，減少了對(duì)環(huán)境的不利影響。同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了按需灌溉施肥的精確控制，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)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(zhǔn)控制;施肥機(jī)

中圖分類號(hào)：S22422

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(dòng)分配的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)。營(yíng)養(yǎng)液分配的準(zhǔn)確性會(huì)影響農(nóng)作物的養(yǎng)分供應(yīng)，灌溉量會(huì)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(shí)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(guó)的園藝保護(hù)面積已達(dá)3627萬(wàn)hm2，占世界總面積的85%以上[4-6]。在各種溫室中，自動(dòng)灌溉和施肥的應(yīng)用已變得越來(lái)越普遍，同時(shí)自動(dòng)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(zhǎng)期的營(yíng)養(yǎng)液濃度是動(dòng)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(jì)了一種智能化灌溉施肥機(jī)，其包含4個(gè)營(yíng)養(yǎng)液通道和1個(gè)酸液控制通道，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和肥液流量智能控制，從而實(shí)現(xiàn)精確地灌溉和施肥。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能化灌溉施肥機(jī)主要由2個(gè)水泵，1個(gè)流量調(diào)節(jié)閥，1個(gè)儲(chǔ)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(jìn)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(kāi)度，使得流量調(diào)節(jié)閥的肥液吸收率達(dá)到預(yù)設(shè)值，從而實(shí)現(xiàn)精確地肥液分配。灌溉控制器通過(guò)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(jìn)行對(duì)比，當(dāng)土壤水分傳感器數(shù)值到達(dá)預(yù)設(shè)值下限，灌溉控制器指令灌溉泵的開(kāi)啟，當(dāng)土壤水分傳感器數(shù)值到達(dá)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(jì)

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(jìn)行相應(yīng)的初始參數(shù)設(shè)置。智能灌溉施肥機(jī)配有4個(gè)肥液儲(chǔ)存罐，可以添加不同的肥液。每個(gè)肥液儲(chǔ)罐都有1個(gè)獨(dú)立的流量調(diào)節(jié)閥和1個(gè)通向主管道的電磁閥。肥料通過(guò)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(cè)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(jì)時(shí)模式下工作時(shí)，先設(shè)置EC值或pH值目標(biāo)值，然后在參數(shù)設(shè)置項(xiàng)中選擇EC或pH上下限閾值，選擇灌溉泵—灌溉時(shí)間—混合泵—肥料罐—施肥時(shí)間—灌溉渠道，選擇完成后啟動(dòng)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(jìn)行補(bǔ)水時(shí)，可以開(kāi)啟智能化的按需灌溉模式，也可以開(kāi)啟實(shí)現(xiàn)常規(guī)手動(dòng)操作模式。在常規(guī)模式下，僅需在參數(shù)設(shè)置項(xiàng)目中打開(kāi)灌溉泵和灌溉通道選擇項(xiàng)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉的手動(dòng)控制（其它無(wú)需打開(kāi)）。除了手動(dòng)模式的選擇參數(shù)外，還可以將計(jì)時(shí)模式設(shè)置為灌溉時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)灌溉。

3檢測(cè)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

31檢測(cè)系統(tǒng)

土壤水分傳感裝置、EC傳感器、pH傳感器、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和A/D轉(zhuǎn)換模塊構(gòu)成了灌溉施肥機(jī)的檢測(cè)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(jī)的控制單元比較遠(yuǎn)，因此選用無(wú)線傳感器配合ZigBee協(xié)議組成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，控制單元接收到遠(yuǎn)端土壤水分傳感器采集的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析對(duì)比，然后再對(duì)整個(gè)灌溉施肥系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令。本檢測(cè)系統(tǒng)還配備了2套EC/pH傳感器進(jìn)行測(cè)試營(yíng)養(yǎng)液的濃度和酸度，1個(gè)作為系統(tǒng)控制信號(hào)，1個(gè)作為監(jiān)視信號(hào)。

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(jī)工作過(guò)程的自動(dòng)控制。MCU控制器主芯片選用STC8A4K32S2A12超高速8051單片機(jī)，其具有超強(qiáng)抗干擾、超低價(jià)、高速、低功耗等特點(diǎn)。系統(tǒng)輸入包含4路光電隔離開(kāi)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(wú)源輸出，2路RS485標(biāo)準(zhǔn)接口。通過(guò)MCU的RS485與觸摸屏HMI進(jìn)行通訊，觸摸屏用來(lái)顯示EC/pH值，水泵、電磁閥、調(diào)節(jié)閥運(yùn)行狀態(tài)，可以動(dòng)畫直觀顯示管網(wǎng)運(yùn)行圖，并將設(shè)置參數(shù)、運(yùn)行指令傳給MCU，由MCU根據(jù)運(yùn)行條件來(lái)啟動(dòng)相應(yīng)的水泵和控制電磁閥的動(dòng)作，也可根據(jù)EC/pH值的控制調(diào)節(jié)閥來(lái)控制營(yíng)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(jì)

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(dòng)后，用戶可以選擇2種工作模式，手動(dòng)模式、自動(dòng)模式;能夠?qū)崟r(shí)顯示監(jiān)測(cè)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(huì)出現(xiàn)預(yù)警提示。在灌溉施肥機(jī)處于自動(dòng)模式工作狀態(tài)下，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)傳感器檢測(cè)參數(shù)反饋的信號(hào)和用戶設(shè)定值進(jìn)行分析比對(duì)，最后判定系統(tǒng)做出是否開(kāi)啟灌溉模式或者施肥模式;在灌溉施肥機(jī)處于手動(dòng)模式工作狀態(tài)下，系統(tǒng)可以進(jìn)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(jī)界面設(shè)計(jì)

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(duì)觸摸界面的觸摸工作關(guān)系進(jìn)行配置，生成1個(gè)組態(tài)文件;將組態(tài)文件下載到可以進(jìn)行測(cè)試和修改的觸摸屏的終端，使用戶計(jì)劃監(jiān)測(cè)到參數(shù)能夠和屏幕上的變量相匹配，同時(shí)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(guò)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(jìn)行處理，并轉(zhuǎn)換實(shí)時(shí)顯示在觸摸屏上。其可以負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)顯示和修改，如圖3所示。

人機(jī)界面主要包括：檢測(cè)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(shí)進(jìn)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(shí)時(shí)顯示EC/pH檢測(cè)值、壓力、手動(dòng)自動(dòng)模式的選擇和灌溉施肥周期的選擇等;報(bào)警設(shè)置模塊，設(shè)置EC值和pH值上下限，可以自動(dòng)進(jìn)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(duì)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(biāo)應(yīng)該是哪里的農(nóng)作物缺水就補(bǔ)給相應(yīng)的水量，哪里的農(nóng)作物缺肥就補(bǔ)給相應(yīng)的肥量，但這需要能夠準(zhǔn)確檢測(cè)出作物中水分和肥料的流失情況。解決此問(wèn)題的方法是進(jìn)行生理學(xué)研究，研發(fā)出可直接測(cè)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(cè)量改為直接測(cè)量，進(jìn)而為作物的水肥控制精準(zhǔn)化提供技術(shù)支持。

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（責(zé)任編輯周康）