胡佳寧 劉旋 楊荊 詹宇

摘要：以西門子S7-200 smart PLC為核心完成了果園水肥一體化系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，硬件系統(tǒng)主要包括土壤信息傳感器、果樹(shù)信息傳感器、傳感器無(wú)線傳輸模塊以及西門子觸摸屏等，實(shí)現(xiàn)了果園水肥一體化設(shè)備自動(dòng)施肥與自動(dòng)灌溉功能，提高了果園灌溉施肥設(shè)備的自動(dòng)化水平。

關(guān)鍵詞：果園;PLC;水肥一體化;傳感器

為進(jìn)一步推動(dòng)果園水肥灌溉施肥自動(dòng)化進(jìn)程，設(shè)計(jì)了一種基于PLC的果園水肥一體化系統(tǒng)硬件電路方案，主要包括系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)傳感器選型、傳感器的部署方案與供電等，為果園水肥一體化的發(fā)展提供了一種新的方案。

1? 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

控制執(zhí)行系統(tǒng)主要由控制器西門子S7-200 SMART ST60系列PLC和西門子DT08數(shù)字量輸出拓展模塊、西門子SMART 700 IE V3觸摸屏、強(qiáng)大科技QDGate301-L PLC遠(yuǎn)程控制模塊、?？豀K-Y3無(wú)線遠(yuǎn)程開(kāi)關(guān)量控制模塊等組成，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)交互和遠(yuǎn)程平臺(tái)控制。同時(shí)系統(tǒng)配有液位傳感器、液體EC值傳感器、液體pH值傳感器、壓力傳感器、壓差開(kāi)關(guān)，用于檢測(cè)混合罐液位、EC值和pH值信息，管道進(jìn)、出口壓力值以及過(guò)濾器的進(jìn)、出口壓差值[1]?？刂茍?zhí)行系統(tǒng)的PLC接線如圖1所示。

2? 傳感器選型

2.1? 土壤節(jié)點(diǎn)傳感器選型

系統(tǒng)的土壤節(jié)點(diǎn)分別使用了土壤溫濕度傳感器ST-TR-WSEC/WS/EC/S、土壤EC值傳感器ST-TSQ-E和土壤pH值傳感器ST-TR-PH。主要參數(shù)如表1所示。

2.2? 果樹(shù)節(jié)點(diǎn)傳感器選型

系統(tǒng)果樹(shù)節(jié)點(diǎn)分別使用廣州賽通科技有限公司的環(huán)境溫濕度傳感器ST-WS-20和北京華控興業(yè)有限公司的葉面溫濕度傳感器LWS10。主要參數(shù)如表2所示，其均廣泛適用于溫室、農(nóng)田、果園等需要溫濕度監(jiān)測(cè)的場(chǎng)合。

3? 節(jié)點(diǎn)傳感器的部署與供電

3.1? 節(jié)點(diǎn)傳感器的部署

基于平面鑲嵌理論，對(duì)果園進(jìn)行分割前，首先選定了一個(gè)圓形，上述的三種形狀均為選定圓形的內(nèi)切圖形，如圖2所示，所構(gòu)成的三種部署方案如下所述。

（1）正三角形分割節(jié)點(diǎn)部署：將節(jié)點(diǎn)放置在圓的內(nèi)接正三角形的中心處，使用正三角形替代圓對(duì)果園區(qū)域進(jìn)行覆蓋，構(gòu)成正三角形分割部署。

（2）正方形分割節(jié)點(diǎn)部署：將節(jié)點(diǎn)放置在圓的內(nèi)接正方形的中心處，使用正方形替代

圓對(duì)果園區(qū)域進(jìn)行覆蓋，構(gòu)成正方形分割部署。

（3）正六邊形分割節(jié)點(diǎn)部署：將節(jié)點(diǎn)放置在圓的內(nèi)接正六邊形的中心處，使用正六邊形替代圓對(duì)果園區(qū)域進(jìn)行覆蓋，構(gòu)成正六邊形分割部署。

按照上述三種分割方案對(duì)果園進(jìn)行劃分，如圖3所示。

由圖3可以看出，按照正方形網(wǎng)格劃分進(jìn)行分割時(shí)，有效利用面積大，所需的節(jié)點(diǎn)數(shù)最少，因此進(jìn)行部署時(shí)采用正方形分割所需的土壤節(jié)點(diǎn)數(shù)最少，即網(wǎng)絡(luò)具有最優(yōu)部署，經(jīng)過(guò)優(yōu)化后的部署方案如圖4所示[3]。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，將果園分為左、中、右三個(gè)地塊，這三個(gè)地塊可以按照自身的缺水、缺肥情況進(jìn)行灌溉、施肥。

其次對(duì)于果樹(shù)節(jié)點(diǎn)，本文選擇了隨機(jī)部署的方式。在同一列果樹(shù)中隨機(jī)選擇了不相鄰的兩棵果樹(shù)進(jìn)行冠層溫濕度傳感器的部署，在其中一棵部署了冠層溫濕度傳感器的果樹(shù)的不同高度和朝向下部署了兩個(gè)葉面溫濕度傳感器。

3.2? 節(jié)點(diǎn)傳感器的無(wú)線傳輸及供電

系統(tǒng)使用成都澤耀科技有限公司的AS100DS無(wú)線傳輸模塊完成土壤溫濕度傳感器、土壤EC值傳感器、土壤pH值傳感器、果樹(shù)冠層溫濕度傳感器和果樹(shù)葉面溫濕度傳感器的無(wú)線傳輸功能[4]。AS100DS無(wú)線傳輸模塊采用GFSK調(diào)制方式無(wú)線透明數(shù)據(jù)收發(fā)，靈敏度高、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)[5]，AS100DS無(wú)線傳輸模塊的主要參數(shù)如表3所示。

4? 結(jié)語(yǔ)

本文以西門子S7-200 smart PLC為控制系統(tǒng)核心，完成了果園水肥一體化控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，確定了控制系統(tǒng)信息采集模塊中各類型傳感器的選型，給出了各種傳感器在果園中的最佳部署方案，確定了果園中各傳感器的無(wú)線供電及數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸方法。

參考文獻(xiàn)

[1] 李嵩.蘋(píng)果園水肥灌溉決策控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].新疆大學(xué)，2019

[3] 劉寬，吳翠俠，吳松，等.正方形網(wǎng)格劃分的節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署算法[J].輕工科技，2019，35（1）：77-79，87

[4] 畢慶生，頓文濤，趙玉成，等.傳感器在農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2014（7）：69-72

[5] 張偉.果園水肥一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].華東交通大學(xué)，2017.