陳君霞，甘文，丁欣，韋樂

（廣西水利電力職業(yè)技術學院，廣西 南寧 530000）

0 引言

根據(jù)《中共中央國務院關于做好2022年全面推進鄉(xiāng)村振興重點工作的意見》，為了不發(fā)生規(guī)模性返貧的情況，助推鄉(xiāng)村振興工作取得新進展。結合本地區(qū)域經(jīng)濟特色，果園種植已經(jīng)成為農(nóng)民收入的重要經(jīng)濟支柱，是實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興的有效舉措。但是果園傳統(tǒng)的粗放型灌溉施肥方式，造成水肥消耗高、生產(chǎn)效率低、土壤板結等一系列問題，制約了果園種植業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。水肥一體化技術在節(jié)水、節(jié)肥、省工、增效方面有明顯的優(yōu)勢，是優(yōu)質高效設施農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢。因此，水肥一體化技術在果園中的推廣勢在必行。

提出了一種基于PLC技術的無線數(shù)傳水肥一體化控制系統(tǒng)。無線數(shù)傳即無線數(shù)據(jù)傳輸，只需在終端設備上連接無線數(shù)傳設備和架設天線就可以完成數(shù)據(jù)傳輸，省去了有線通信方式中需要大量人力和物力來安裝布線的麻煩。該系統(tǒng)能根據(jù)農(nóng)作物特點和土壤的狀況制定適宜農(nóng)作物生長的水肥一體化灌溉計劃[1]。

1 系統(tǒng)設計與原理分析

系統(tǒng)總體設計如圖1所示。水肥一體控制系統(tǒng)以控制器為核心，主要由5大子系統(tǒng)構成，分別是：首部系統(tǒng)、施肥系統(tǒng)、遠程監(jiān)控系統(tǒng)、土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)、田間閥控系統(tǒng)。首部系統(tǒng)的功能是進行清水灌溉。施肥系統(tǒng)的功能是進行肥料的配兌、水肥耦合。遠程監(jiān)控系統(tǒng)的功能是實現(xiàn)手機端的遠程監(jiān)控。土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)的功能是采集土壤的溫度、濕度、pH值、EC值信息。田間閥控系統(tǒng)的功能是根據(jù)控制器發(fā)出的指令實現(xiàn)對灌區(qū)啟動灌溉或停止灌溉。

圖1 系統(tǒng)總體設計

水肥一體控制系統(tǒng)工作模式分為手動控制、自動控制。當進行手動控制時，人為操作現(xiàn)場的控制按鈕或者操作手機端控制界面，就可以進行水泵、閥門等設備的啟動或停止，完成手動清水灌溉或者水肥一體灌溉。當進行自動控制時，土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)把采集到的土壤墑情信息通過無線數(shù)傳模塊傳送給控制器，并與設定值進行比較。當土壤濕度低于下限時，執(zhí)行灌溉決策：啟動抽水泵、打開灌溉總閥、打開田間電磁閥，進行清水灌溉；通過實時檢測管道的壓力，控制變頻器的輸出頻率保證恒壓供水；當土壤濕度高于上限時，停止灌溉。當采集到土壤的pH值、EC值不足時，根據(jù)果園作物種類、作物生長階段、用戶需求等信息，執(zhí)行施肥決策：注入一定量的清水與肥料進行配兌，通過啟動攪拌機使肥料稀釋均勻，混肥罐中配兌出的肥料符合pH值、EC徝要求時，啟動施肥泵、打開施肥閥門，實現(xiàn)水肥耦合。為了避免在高溫的中午進行灌溉，執(zhí)行灌溉決策時還需要對土壤的溫度進行比較，選擇在溫度較低的早晨或傍晚進行灌溉。

2 關鍵硬件設計

本系統(tǒng)的硬件關鍵技術在于：利用無線技術采集土壤墑情信息、進行田間電磁閥的控制；進行水肥一體系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。設計如圖2所示。

圖2 關鍵硬件設計

2.1 控制器

控制器為水肥一體化控制系統(tǒng)的核心器件，本系統(tǒng)采用西門子S7-200 SMART PLC為控制器，如圖2所示。CPU模塊標配以太網(wǎng)接口，省去了專用編程電纜的麻煩。通過以太網(wǎng)接口可與觸摸屏等進行通信，其輕松的組網(wǎng)方式，為實現(xiàn)水肥一體系統(tǒng)的遠程監(jiān)控奠定基礎。S7-200 SMART自帶1個RS485接口，該接口與無線數(shù)傳模塊的RS485A、B端相接，通過對PLC軟件的Modbus RTU通信編程，就可以實現(xiàn)與無線數(shù)傳模塊的通信。

2.2 無線數(shù)據(jù)傳輸設備

為了省去田間遠距離布線的麻煩，本系統(tǒng)采用了無線數(shù)傳模塊采集土壤墑情信息和進行田間電磁閥的控制。本系統(tǒng)無線數(shù)傳模塊采用的型號是YL-500D。YL500D具有體積小、接收靈敏度高、抗干擾能力強、功耗小、距離遠、傳輸速度快等優(yōu)點，使用簡單方便，該模塊支持RS485通信接口，非常適合各類串口設備代替有線通信。YL500D模塊可進行一對一的無線數(shù)據(jù)通信，一塊無線數(shù)傳模塊通過RS485的A、B端在機房連接PLC，另一塊無線數(shù)傳模塊在田間通過RS485的A、B端連接土壤墑情傳感器和繼電器控制模塊，如圖2所示。

為了實現(xiàn)無線數(shù)傳技術對田間電磁閥的控制，田間閥控系統(tǒng)選擇支持RS485通信方式的繼電器控制模塊ZZ-IO4O4D，如圖2所示。ZZ-IO404D模塊的OUT1～OUT4為四路繼電器輸出端，本系統(tǒng)將OUT1的常開端子連接外置繼電器KA線圈的負極，KA線圈的正極接24VDC的正極。田間電磁閥控制原理：PLC寫數(shù)據(jù)并通過無線數(shù)傳模塊發(fā)送給ZZIO4O4D，使OUT1的常開端子接通，則KA線圈得電導通。這時，KA的常開觸點導通，田間電磁閥YV導通，進行田間灌溉。停止田間灌溉的控制方式相同，PLC只需要給OUT1端寫一個斷開的控制指令即可。

土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)采用了RS485輸出的土壤綜合傳感器YDBS-3001-TR，一個傳感器可同時測量土壤溫度、濕度、pH值、EC值的信息。YDBS-3001-TR優(yōu)點：測量精度可達到3%以內(nèi)；不會隨時間的變化而產(chǎn)生漂移；除結合部分外整個機身做了防水防塵處理。土壤墑情信息采集原理：PLC通過無線數(shù)傳模塊發(fā)送讀數(shù)據(jù)的指令，通過讀取不同的寄存器來獲取不同的墑情信息。

2.3 遠程監(jiān)控設備

為了實現(xiàn)對系統(tǒng)的遠程監(jiān)控，觸摸屏選型時，要求能滿足遠程監(jiān)控的要求：能使用手機等監(jiān)控設備對水肥一體化系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控。本系統(tǒng)的觸摸屏選用威綸通cMT-SVR-200。cMT-SVR-200人機本體無屏幕的設計，可以直接將觸摸屏安裝于控制箱中，免除了屏幕耗損的顧慮；即便現(xiàn)場設備上需要屏幕顯示時，也只需安裝一臺cMT-iV5即可。cMT-SVR-200支持威綸通的EasyAccess 2.0平臺遠程監(jiān)控，可遠程存取人機信息或進行PLC穿透工作。

3 軟件設計

系統(tǒng)軟件設計包括PLC程序設計和遠程監(jiān)控界面設計兩部分。

3.1 PLC主程序設計

主程序分為自動控制和手動控制，如圖3所示。

圖3 主程序流程

自動控制程序根據(jù)土壤濕度變送器的采集信息決定是否要執(zhí)行自動灌溉施肥程序。通過控制抽水泵的電機轉速和電磁閥的開合進行清水灌溉。需要水肥一體灌溉時，如果混肥罐中配兌出的肥料符合pH值、EC徝，則啟動施肥泵、施肥閥門，進行水肥耦合。當土壤濕度高于設定參數(shù)后自動停止灌溉施肥。

手動控制程序中，用戶參考系統(tǒng)實時采集的狀態(tài)參數(shù)、結合實際需求控制輸出設備動作，用戶可以隨時開啟或停止輸出設備的動作，輸出設備之間的動作不存在條件關聯(lián)[2]。

3.2 無線數(shù)據(jù)傳輸程序設計

S7-200 SMART Modbus從站的數(shù)量最多為32個，各RS485設備均為PLC的從站。參與無線數(shù)傳的RS485設備的地址必須各不相同，在進行編程設計前要確認或修改好RS485設備的地址。

PLC主站將采用輪詢的方式訪問從站，輪詢前主站要進行初始化設置，MBUS_CTRL指令用于初始化主站通信[3]。MBUS_MSG用于啟動對Modbus從站的數(shù)據(jù)讀寫發(fā)送請求。例如，需要采集土壤墑情信息時，要進行讀數(shù)據(jù)，如圖4所示。Slave：從站地址；RW：讀寫操作設置，0表示讀，1表示寫，現(xiàn)設置RW=0，則PLC讀取土壤墑情從站數(shù)據(jù)。如果要控制田間電磁閥，則PLC需向從站發(fā)送數(shù)據(jù)，這時RW=1；Addr為起始的MODBUS寄存器地址，此地址使用時一定要正確編寫；Count：讀寫的格式，表示從Addr這個地址開始的連續(xù)多少個地址進行數(shù)據(jù)的讀寫。DataPtr：讀寫數(shù)據(jù)存放的地址，使用指針的方式表示，實際地址以十六位的方式表示，現(xiàn)將采集到的土壤墑情數(shù)據(jù)存放在VW2000寄存器中。Done：完成位。當執(zhí)行完成后，該為位1，因此當出現(xiàn)需要使用多個MBUS_MSG指令是，可以使用每個指令的Done來實現(xiàn)輪詢的功能。

圖4 讀取從站數(shù)據(jù)

3.3 遠程監(jiān)控界面設計

遠程監(jiān)控界面使用EBpro軟件來進行設計。利用威綸云平臺的EasyAccess 2.0進行遠程監(jiān)控。遠程監(jiān)控界面設計包括：手動控制界面、自動控制界面、歷史數(shù)據(jù)查詢界面等。以手動控制界面為例，該界面設計了系統(tǒng)中輸出設備的控制按鈕和指示燈，如圖5所示。當用戶按下輸出設備的接通按鈕，輸出設備打開，對應指示燈點亮；當用戶按下輸出設備的關閉按鈕，輸出設備關閉，對應指示燈熄滅。用戶通過點擊返回首頁按鈕，返回首頁操作界面[2]。

4 結語

本系統(tǒng)用手機端進行遠程監(jiān)控時，通過改變濕度設定值模擬果樹不同生長周期的需水特點進行試驗，無線信號接收良好，灌溉濕度能滿足設計要求。通過改變管網(wǎng)設定壓力進行試驗，變頻器均能進行自調(diào)整，保證水壓的穩(wěn)定控制[4]。

根據(jù)果園的灌溉需求，設計開發(fā)了基于PLC技術的無線數(shù)傳水肥一體化系統(tǒng)。本系統(tǒng)使用無線數(shù)據(jù)傳輸技術，使安裝布線更方便；使用移動端的遠程控制，使農(nóng)業(yè)管理更方便；系統(tǒng)能夠實現(xiàn)實時監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)報表查詢等功能，為農(nóng)作物產(chǎn)量參數(shù)的研究提供依據(jù)，具有較強的應用前景[5]。