基于PLC的智能灌溉施肥機的設計

張明宇 劉峰 王強

摘要：

通過結合PLC技術、觸摸屏技術和傳感器技術，研究設計了一種基于PLC的智能灌溉施肥機，解決了施肥問題，提高了水肥利用率，減少了對環境的不利影響。同時，實現了按需灌溉施肥的精確控制，為農業生產的標準化、自動化和集約化發展提供了必要的保證。

關鍵詞：

PLC;按需灌溉;精準控制;施肥機

中圖分類號：S22422

文獻標識碼：A

DOI：1019754/jnyyjs20200630015

引言

智能灌溉和施肥技術是結合養分溶液和灌溉的自動分配的現代農業技術。營養液分配的準確性會影響農作物的養分供應，灌溉量會影響農作物水分的供應，精確控制施肥量、灌溉量和施肥時間，不僅可以有效提高農作物的質量和產量[1-3]，還可以提高水肥資源利用率，節約資源，減少環境污染。

目前，我國的園藝保護面積已達3627萬hm2，占世界總面積的85%以上[4-6]。在各種溫室中，自動灌溉和施肥的應用已變得越來越普遍，同時自動灌溉和施肥技術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期的營養液濃度是動態變化的，因此現有的灌溉和施肥系統很難滿足生產要求[7-10]。本文設計了一種智能化灌溉施肥機，其包含4個營養液通道和1個酸液控制通道，可以實現對在線監測系統和肥液流量智能控制，從而實現精確地灌溉和施肥。

1系統總體設計

智能化灌溉施肥機主要由2個水泵，1個流量調節閥，1個儲肥裝置，1套智能控制系統和若干輸送管道等組成，也可以根據用戶的特殊需要進行相應地定制，如圖1所示。施肥控制器根據EC/pH傳感器反饋的參數和用戶設置值，調節電磁閥的開度，使得流量調節閥的肥液吸收率達到預設值，從而實現精確地肥液分配。灌溉控制器通過用戶設定的預期值與土壤水分傳感器采集到的數據進行對比，當土壤水分傳感器數值到達預設值下限，灌溉控制器指令灌溉泵的開啟，當土壤水分傳感器數值到達預設值上限，灌溉控制器指令灌溉泵的閉合。

2配肥與灌溉系統設計

21配肥系統

肥液分配系統主要包括施肥管路、電磁閥、肥液罐、流量調節閥和施肥控制單元。該系統可以根據作物的不同需求進行相應的初始參數設置。智能灌溉施肥機配有4個肥液儲存罐，可以添加不同的肥液。每個肥液儲罐都有1個獨立的流量調節閥和1個通向主管道的電磁閥。肥料通過混合泵和調節閥送到混合罐，將肥料均勻混合。該系統配備了EC值和pH值檢測功能，可根據植物的不同需求，完成不同比例的灌溉施肥。在水肥混合計時模式下工作時，先設置EC值或pH值目標值，然后在參數設置項中選擇EC或pH上下限閾值，選擇灌溉泵—灌溉時間—混合泵—肥料罐—施肥時間—灌溉渠道，選擇完成后啟動設備，以完成施肥操作。

22灌溉系統

灌溉系統主要包括灌溉管路、電磁閥、灌溉泵和灌溉控制單元。當需要給作物進行補水時，可以開啟智能化的按需灌溉模式，也可以開啟實現常規手動操作模式。在常規模式下，僅需在參數設置項目中打開灌溉泵和灌溉通道選擇項，即可實現對灌溉的手動控制（其它無需打開）。除了手動模式的選擇參數外，還可以將計時模式設置為灌溉時間，以實現計時灌溉。

3檢測與控制系統設計

31檢測系統

土壤水分傳感裝置、EC傳感器、pH傳感器、無線網絡和A/D轉換模塊構成了灌溉施肥機的檢測系統。由于作物區安置的土壤水分傳感器距離灌溉施肥機的控制單元比較遠，因此選用無線傳感器配合ZigBee協議組成無線網絡節點，控制單元接收到遠端土壤水分傳感器采集的信號進行數據分析對比，然后再對整個灌溉施肥系統的執行機構發出指令。本檢測系統還配備了2套EC/pH傳感器進行測試營養液的濃度和酸度，1個作為系統控制信號，1個作為監視信號。

32控制系統

控制系統由電氣控制系統和智能控制器2部分組成，用于灌溉施肥機工作過程的自動控制。MCU控制器主芯片選用STC8A4K32S2A12超高速8051單片機，其具有超強抗干擾、超低價、高速、低功耗等特點。系統輸入包含4路光電隔離開關量輸入，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繼電器無源輸出，2路RS485標準接口。通過MCU的RS485與觸摸屏HMI進行通訊，觸摸屏用來顯示EC/pH值，水泵、電磁閥、調節閥運行狀態，可以動畫直觀顯示管網運行圖，并將設置參數、運行指令傳給MCU，由MCU根據運行條件來啟動相應的水泵和控制電磁閥的動作，也可根據EC/pH值的控制調節閥來控制營養液濃度和酸堿度。具體電氣原理主控如圖2所示。

4軟件設計

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：系統啟動后，用戶可以選擇2種工作模式，手動模式、自動模式;能夠實時顯示監測到的土壤濕度、EC/pH、壓力等參數，一旦EC/pH參數值超出預期用戶設定的上下限閾值會出現預警提示。在灌溉施肥機處于自動模式工作狀態下，系統會根據傳感器檢測參數反饋的信號和用戶設定值進行分析比對，最后判定系統做出是否開啟灌溉模式或者施肥模式;在灌溉施肥機處于手動模式工作狀態下，系統可以進行灌溉、施肥操作以及設置灌溉周期、施肥量和灌溉施肥通道的選擇控制。

42人機界面設計

在觸摸屏上用Photoshop軟件繪制和處理功能性任務邏輯屏幕;利用其組態軟件對觸摸界面的觸摸工作關系進行配置，生成1個組態文件;將組態文件下載到可以進行測試和修改的觸摸屏的終端，使用戶計劃監測到參數能夠和屏幕上的變量相匹配，同時得到設備和控制設備的邏輯程序設置。在操作系統中嵌入的任務通過LPC2387串口與液晶觸摸屏通信。外部設備收集的數據將被正常工作的邏輯模塊進行處理，并轉換實時顯示在觸摸屏上。其可以負責數據顯示和修改，如圖3所示。

人機界面主要包括：檢測參數設置模塊，主要設置EC值和pH值、壓力參數;灌溉施肥模塊，可以選擇灌溉、施肥或者灌溉施肥同時進行，以及灌溉施肥通道的參數設置等;主控制接口模塊，實時顯示EC/pH檢測值、壓力、手動自動模式的選擇和灌溉施肥周期的選擇等;報警設置模塊，設置EC值和pH值上下限，可以自動進行閾值預警。

5展望

本文以溫室中的精確灌溉和施肥系統為研究對象，應用到當前在生產中的常規做法收集EC和pH值，從而間接判斷作物的水肥供應。最科學的水肥管理目標應該是哪里的農作物缺水就補給相應的水量，哪里的農作物缺肥就補給相應的肥量，但這需要能夠準確檢測出作物中水分和肥料的流失情況。解決此問題的方法是進行生理學研究，研發出可直接測量農作物生理參數的傳感器監控設備，并將間接測量改為直接測量，進而為作物的水肥控制精準化提供技術支持。

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（責任編輯周康）