基于可編程序控制器的水肥一體灌溉系統的設計

晁陽，余娜，卿笛，黃林剛

(1.楊凌職業技術學院 機電分院，陜西 楊凌 712100;2.西安市科技交流中心，陜西 西安 710000)

0 前 言

施肥灌溉是農業增產增收的關鍵因素，在作物生長中扮演著極其重要的角色[1]。在設施農業種植中，水肥一體化設備可以自動將水和營養液進行混合，并對農作物進行灌溉，極大滿足農作物生長需求[2]，起到明顯增產增收效果。

然而我國西北廣大地區目前農業設施推廣仍不普及，市面上現有的水肥一體化設施成本昂貴，農戶使用意愿不強，仍普遍采用傳統粗放型灌溉模式。該方式造成肥料利用率低、土壤養分極大失衡和鹽漬化嚴重等問題[3-5]。因此，設計一款價格合理、使用方便、功能夠用和性能良好的水肥一體灌溉系統可以極大推動設施在西北地區中小型溫室大棚種植行業的普及和發展[6]，增加中小大棚種植戶的收益。

1 系統整體設計

系統由控制器、傳感器、過濾器、水泵和施肥泵等元器件組成，包含灌溉和施肥灌溉兩種功能，具有自動、手動和停止三種模式[7]，運用三位轉換開關進行模式切換。

在自動模式下，系統終端傳感器對溫室內土壤濕度及電導率進行實時監測[8-9]。當土壤需要施肥時，系統發出報警并開啟灌溉施肥模式，灌溉施肥指示燈點亮，驅動施肥泵將事先配好的營養液通過閥門引入管道，通過滴灌設備對土壤進行施肥灌溉。當土壤電導率達到設定值時，施肥灌溉模式停止，對應指示燈熄滅。之后，系統檢測土壤是否缺水，如果此時土壤含水量也已達到設定值，系統停止；如果此時土壤含水量仍不能達到設定值，則啟動灌溉模式，驅動灌溉泵運行對作物進行滴灌，同時對應指示燈開啟，直到土壤含水量達標后系統停止。系統也可對當前土壤含水量進行單獨檢測。當傳感器檢測到土壤缺水時，系統發出缺水報警，開啟灌溉模式，驅動灌溉泵運行將灌溉用水引入管道，對作物進行滴灌；當土壤含水量達到設定值時，灌溉模式停止，從而實現對作物的自動灌溉和無人值守[9]。在手動模式下，工作人員可以按照經驗或作物實際情況手動進行灌溉或施肥灌溉，也可進行系統停機檢修后的調試和維護[10]。此外，系統還具有實時顯示、聲光報警、鍵盤調節和數據存儲等功能，工作人員可以實時掌握并調節土壤數據，滿足各種作物生長需求，系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖

2 硬件設計

2.1 控制器

系統核心控制器采用三菱FX2N-32MR型可編程序控制器(PLC)，PLC是三菱公司推出的高性能小型可編程控制器。它使用梯形圖作為邏輯編程語言，簡單方便。內部有32點I/O接口、1～100 ms定時器256位、8 K步EEPROM程序容量、128點16位數據寄存器以及128點指針6點中斷等。其結構緊湊、性能穩定，具有較高的性能價格比，因而在市面上使用較為廣泛。

2.2 土壤濕度傳感器

系統對土壤濕度的檢測主要采用土壤水分傳感器。該傳感器的主要優勢：表面采用鍍鎳處理、導電性能大幅提高、耐腐蝕性強和使用壽命長；低電壓、低功耗和測量精度高；可以在較寬的范圍內測量土壤濕度；可承受1 500 W的負載。通過電位器調節響應閥值，滿足大多數農產品種植場景的需求。土壤濕度傳感器如圖2所示。

圖2 土壤濕度傳感器

2.3 土壤電導率傳感器

PR-3000-ECH-I20型土壤電導率傳感器通過測量土壤中介電常數，從而檢測土壤水分和土壤中氮、磷和鉀等鹽離子電導率。該產品優點為：精度高、響應快和耐酸堿腐蝕，探針式設計保證測量精度；可埋入土壤或直接投入水中進行長期動態檢測，電極采用特殊處理的合金材料；可承受較強的外力沖擊，不易損壞。輸出信號為標準的4～20 mA電流。

需要注意的是插地測量時，應避開石塊，確保鋼針不會碰到堅硬的物體，按照所需測量深度拋開表層土，保持下面土壤原有的松緊程度，將傳感器垂直插入土壤，插入時不可左右晃動。埋地測量時，垂直挖直徑>20 cm的坑，按照測量需要，在既定的深度將傳感器鋼針水平插入坑壁，將坑填埋嚴實。穩定一段時間后，即可進行連續數天、數月乃至更長時間的測量和記錄。兩種測量方法如圖3所示。

圖3 插地測量和埋地測量示意圖

2.4 滴灌系統

滴灌系統采用兩臺潛水泵作為動力原件，潛水泵的啟停由中間繼電器控制，中間繼電器接收PLC輸出信號進行開啟或關閉。滴灌管路布設應根據所栽培作物的株間距合理安排，采用聚丙烯插入式滴水器插入作物根部附近較深位置，并合理調節水滴速度。

2.5 報警系統

報警系統采用蜂鳴器和指示燈完成，指示燈兼具模式指示功能。當電源上電后，綠色指示燈點亮；當系統運行時，綠色指示燈熄滅，紅色指示燈點亮，同時手動或自動模式對應的指示燈亮，以顯示當前運行的模式；當土壤缺水或缺肥時，蜂鳴器響起，同時對應的黃色指示燈閃爍。系統處于灌溉或施肥灌溉時，對應的指示燈點亮，手動控制時，單獨啟動施肥或灌溉施肥功能也可將對應的指示燈點亮。

3 軟件設計

系統分為停止、手動和自動三種運行模式。手動模式用于系統安裝、調試、維護檢修及作物特定狀態下的灌溉。在手動模式中，工作人員先將轉換開關旋轉至手動模式，之后按下灌溉啟動按鈕，系統將進行灌溉動作；按下灌溉施肥按鈕，系統將進行灌溉施肥動作，直到操作人員按下停止按鈕，系統停止動作，灌溉或灌溉施肥動作停止。在自動模式中，工作人員只需將轉換開關旋轉至自動模式，系統首先進行初始化動作，之后土壤電導率傳感器將自動檢測土壤肥力，并將其轉化為電信號傳送給PLC的輸入端。PLC將該電信號不斷與設定值進行對比，若土壤肥力在設定值上下限之內，系統進行下一步，對土壤濕度進行檢測；若土壤濕度也在設定值上下限之內，系統返回初始值并進行下一周期工作；若土壤肥力低于設定的下限值時，對應的報警系統動作，提示工作人員土壤處于缺肥模式，同時系統開啟灌溉施肥模式，直到土壤肥力到達設定上限值，灌溉施肥模式停止，報警系統停止動作；之后系統進行下一步工作，通過土壤濕度傳感器檢測土壤干濕度，并將其轉換為電信號傳入PLC，此時控制器將該電信號與設定值不斷進行比較，若土壤濕度數值在預先設定的上下線閥值區間內，系統返回初始化并重新檢測，若土壤濕度或土壤電導率低于設定下限值，對應的報警系統動作，同時系統將開啟灌溉模式，直到土壤濕度到達設定上限值，系統工作結束。系統流程如圖4所示。

圖4 系統流程圖

4 試驗及結果分析

為了檢測系統穩定性、有效性及精度是否滿足需求，選擇楊凌農業示范區一所番茄種植大棚進行系統測試。系統工作在自動模式下，同時工作人員用手持移動式工具對土壤濕度及土壤電導率進行檢測，并記錄系統工作時土壤的實際值是否符合系統預設值，最后將系統自動測量值與人工測量值進行對比并計算誤差。檢測結果如表1所示。試驗結果表明，該系統對土壤電導率及土壤濕度的測量與實際測量誤差極小，系統運行穩定可靠。

表1 土壤濕度與電導率測試數據

5 結束語

本文設計的水肥一體灌溉系統以PLC為核心控制器[11]，將傳感技術、自動控制技術等科學技術與農業生產相結合，有效提高了設施農業種植灌溉的肥水使用效率。制作開發周期較短、功能夠用、價格低廉和操作簡便，能夠滿足中小型設施農業種植灌溉的自動控制和無人值守。經過樣機制作和測試檢驗，系統運行較為穩定，具有廣闊的推廣價值。