基于PLC 的農(nóng)業(yè)種植水肥一體化自動控制系統(tǒng)

胡萱萱

（同濟(jì)大學(xué)浙江學(xué)院，314001，浙江嘉興）

1 研究背景

1.1 我國農(nóng)業(yè)種植現(xiàn)存在的問題

我國作為農(nóng)業(yè)大國，其農(nóng)業(yè)種植關(guān)系著全國14億人的生存問題。而在農(nóng)業(yè)種植中，灌溉、施肥起著至關(guān)重要的作用，不僅為植物提供所需的大部分水分，還為植物所在土壤提供肥料，促進(jìn)植物健康生長。我國目前的農(nóng)業(yè)種植主要采用傳統(tǒng)的灌溉、施肥方式，這種方式有著幾個顯著的特點(diǎn)。首先，它要消耗大量的勞動力，并且人工澆灌效率低下。其次，它的施肥方式極不科學(xué)，容易因過度施肥對土壤造成化學(xué)污染，或者是破壞植物根系中的營養(yǎng)比例，造成植物營養(yǎng)缺失。最后，這種灌溉方式難以實(shí)時監(jiān)測土地的含水情況，易引起水資源的大量浪費(fèi)。而近年來，我國農(nóng)村勞動力逐漸老齡化，資源緊缺，而且隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，某些地區(qū)生態(tài)逐年惡化，水資源嚴(yán)重匱乏。在這種情況之下，傳統(tǒng)的灌溉形式已無法滿足人們的生產(chǎn)生活需求，急需新式的灌溉方式來改善農(nóng)業(yè)種植狀況，提高其產(chǎn)量和質(zhì)量。

1.2 國內(nèi)外科技發(fā)展趨勢

隨著科技的發(fā)展，農(nóng)業(yè)種植的灌溉技術(shù)水平有了很大的提升，尤其是發(fā)達(dá)國家對此有著自己的科研發(fā)明。例如以色列Netafim 研發(fā)出可以監(jiān)測土壤和配肥、完成自動灌溉施肥的產(chǎn)品；Antonio-Javier 建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對農(nóng)作物的合理灌溉等。我國對此也有自己的研發(fā)成果，但更多是引進(jìn)國外的先進(jìn)技術(shù)。這些農(nóng)業(yè)種植的灌溉技術(shù)有著這樣的發(fā)展趨勢：渠道灌溉變?yōu)楣艿拦喔龋视煞珠_澆灌變?yōu)橐惑w施用，將水澆灌到土壤轉(zhuǎn)變?yōu)閷⑺室惑w澆灌到作物根部，管理監(jiān)控形式也不再是人工而是機(jī)器全自動化等。這些轉(zhuǎn)變大大提升了我國農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。同時它也存在著缺點(diǎn)，那就是由這些發(fā)達(dá)國家根據(jù)自己本土情況研發(fā)的技術(shù)，不太適應(yīng)我國的氣候環(huán)境變化，因此極大程度上影響了自動控制系統(tǒng)的靈敏度和效率，造成了不必要的水肥浪費(fèi)，亟須加以改良。

1.3 農(nóng)業(yè)種植水肥一體化灌溉技術(shù)及其應(yīng)用意義

水肥一體化灌溉技術(shù)，就是在灌溉之前，先把肥料和水溶解在一起，再放置到灌溉系統(tǒng)的管道中，由管道輸送到各個灌溉部位，從而灌溉到植物的根部。在這一系列動作之前，系統(tǒng)內(nèi)的監(jiān)控設(shè)備會實(shí)時監(jiān)測土壤的含水程度和營養(yǎng)狀況，并通過物聯(lián)網(wǎng)和無線組網(wǎng)技術(shù)將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送至控制終端和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，經(jīng)過計(jì)算機(jī)的計(jì)算分析后，得出適宜的水肥溶解比例，實(shí)現(xiàn)科學(xué)的水肥一體化精準(zhǔn)灌溉。這種技術(shù)，能夠在一定程度上改善引進(jìn)設(shè)備與環(huán)境適配性差的問題，提高系統(tǒng)的靈敏性。同時該技術(shù)在一定程度上提高了水肥利用率，滿足農(nóng)作物的水分和營養(yǎng)需求，有利于提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量，增加商品價值，大大減少了人力勞動，實(shí)現(xiàn)信息化、自動化管理，科學(xué)便捷。

2 自動控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

我國研發(fā)的水肥一體化自動控制系統(tǒng)主要由控制子系統(tǒng)、灌溉子系統(tǒng)、過濾子系統(tǒng)、報警子系統(tǒng)和水肥混合子系統(tǒng)等部分組成。同時，各個子系統(tǒng)又涉及電磁閥、電動閥、各類傳感器（液位、壓力、濕度、濃度、溫度等）、電機(jī)、攪拌電機(jī)、電子觸摸屏、PLC 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)字量輸出拓展模塊、模擬量輸入拓展模塊、混肥罐、施肥罐、柱塞泵等裝置和技術(shù)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 水肥一體化自動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 PLC 技術(shù)原理

PLC（可編程邏輯控制器）技術(shù)經(jīng)常被應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)中，它是電氣化中一種重要的技術(shù)。PLC 通過數(shù)字化、智能化操作，改變以往人工控制系統(tǒng)的工作方式，實(shí)現(xiàn)自動化控制，大大降低了人力成本，簡化工作步驟，便于維修，提高經(jīng)濟(jì)收益。同時由于PLC 技術(shù)具有開關(guān)量控制功能，在電路發(fā)生故障時可以通過接觸器的快速反應(yīng)，控制短路，減少短路對電路造成的損害。這種功能有利于加強(qiáng)對各個環(huán)節(jié)的操控，提高工作效率，降低了系統(tǒng)故障率。

水肥一體化自動控制系統(tǒng)的傳感器較多是以使用PLC 技術(shù)的單片機(jī)為核心，這是因?yàn)镻LC 具有抗干擾能力強(qiáng)、系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)、控制性能好、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。PLC 在水肥一體化自動控制系統(tǒng)中是作為信息采集器和控制終端存在的，其控制系統(tǒng)設(shè)備完善，包含多個控制程序，可以組成多個閉環(huán)控制。在系統(tǒng)運(yùn)行之前，要根據(jù)需求和實(shí)際的環(huán)境狀況，設(shè)定好參數(shù)。由于水肥一體化自動控制系統(tǒng)中的監(jiān)控系統(tǒng)通過以太網(wǎng)與PLC 相連接，PLC 的中央處理器可以通過監(jiān)控設(shè)備實(shí)時采集農(nóng)田中土壤濕度、肥料濃度、光照強(qiáng)度、空氣溫度等信息，及時對這些信息進(jìn)行匯總，并和設(shè)定參數(shù)進(jìn)行比較、分析和計(jì)算，對信息實(shí)現(xiàn)模擬量和數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換，再將處理后的信息傳輸給各個執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉施肥。當(dāng)PLC 運(yùn)行時，其控制軟件會對整個系統(tǒng)進(jìn)行掃描、監(jiān)測、診斷，并將收集到的信息進(jìn)行處理，一旦發(fā)現(xiàn)錯誤就會發(fā)出警報，避免錯誤信息對整個系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果的干擾。PLC 采集到的數(shù)據(jù)也會通過以太網(wǎng)傳輸至監(jiān)控設(shè)備，以便工作人員查看分析。

2.3 系統(tǒng)運(yùn)行原理

系統(tǒng)整體運(yùn)行原理如圖2 所示。

圖2 水肥一體化自動控制系統(tǒng)運(yùn)行原理圖

2.3.1 硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)由西門子觸摸屏、三菱FX2N-32MR 型可編程邏輯控制器即PLC（有32 點(diǎn)I/O 接口）、模擬量輸入拓展模塊、數(shù)字量輸出拓展模塊、數(shù)據(jù)寄存器、定時器等組成。觸摸屏通過網(wǎng)線與控制器連接，通過模塊拓展口與輸出、輸入拓展模塊連接。工作人員可使用觸摸屏直接處理PLC 采集的數(shù)據(jù)，整體結(jié)構(gòu)緊湊，功能穩(wěn)定。

該系統(tǒng)根據(jù)不同需求選取不同的傳感器。就土壤濕度傳感器來說，其功能是實(shí)時監(jiān)測和采集土壤內(nèi)水分含量數(shù)據(jù)并傳送給控制系統(tǒng)。土壤濕度傳感器一般采用直流電源供電，其表面通常鍍鎳，這樣傳感器便有耐腐蝕、壽命長的特點(diǎn)。同時，土壤濕度傳感器具有功率低、測量精度高、測量范圍寬的優(yōu)點(diǎn)。

液位傳感器的選取，需要考慮其膜片隔離技術(shù)的先進(jìn)程度，避免出現(xiàn)水滲透儀器的情況。液位傳感器反應(yīng)靈敏，儀器精度高，抗干擾能力強(qiáng)，并且其體積小巧，便于安裝。

壓力傳感器主要是測量液體或者氣體的體積，其穩(wěn)定性能好，耐溫能力強(qiáng)，測量精度高，壓力量程廣。

在灌溉子系統(tǒng)中，根據(jù)場地面積、地形等，合理安排滴灌管路的長度與間隔寬度，并插入到土壤深處貼近植物根系的地方，以適當(dāng)?shù)乃鬟M(jìn)行灌溉。系統(tǒng)以水泵為動力向管道輸送水，繼電器則用于控制水閥開關(guān)。

在報警子系統(tǒng)中，使用閃光燈、警鈴、喇叭來實(shí)現(xiàn)報警功能。當(dāng)傳感器檢測到土壤缺水或缺肥時，閃光燈會閃爍，警鈴響起，控制系統(tǒng)通過喇叭向人們播報土壤具體的缺失物。

2.3.2 軟件設(shè)計(jì)

觸摸屏的開機(jī)頁面需要用戶密碼進(jìn)行登錄。登錄后，將會有操控頁面、監(jiān)控頁面、歷史數(shù)據(jù)頁面幾個選擇。操作人員根據(jù)需求，選擇所需的頁面完成操作。

控制頁面可以控制水泵、壓力泵、水閥、藥閥、警報、排風(fēng)、儲存罐的開關(guān)。操作人員點(diǎn)擊屏幕，即可在相應(yīng)界面輸入想要的水肥混合比例，點(diǎn)擊確認(rèn)鍵后，系統(tǒng)會根據(jù)輸入，自動打開相應(yīng)的開關(guān)，從而獲得所需比例的水肥，并傳送到相應(yīng)的管道中去，等待操作員的下一步指示。同時，操作人員也可根據(jù)需求，在該頁面完成開關(guān)排風(fēng)、開關(guān)警報器等操作，便捷高效。

監(jiān)控頁面會實(shí)時顯示園內(nèi)監(jiān)控拍攝到的畫面，操作人員可以通過畫面巡查園內(nèi)環(huán)境情況，可根據(jù)需求有目的地選取儀器，查看其運(yùn)行狀況等，大大減少了人員實(shí)地巡查時間，節(jié)省了人力、資金。

數(shù)據(jù)寄存器會存儲近一星期的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，在此，操作人員可以查看園內(nèi)溫度、濕度、水肥混合比例的曲線圖，可以查看相關(guān)數(shù)據(jù)的設(shè)定或修改情況。

2.4 系統(tǒng)調(diào)試運(yùn)行結(jié)果

選擇一農(nóng)場，安裝此系統(tǒng)進(jìn)行模擬測試。根據(jù)需求，操作人員提前設(shè)定好水肥混合比例、排風(fēng)口風(fēng)速等數(shù)據(jù)，并上傳至系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行保存。控制系統(tǒng)根據(jù)參數(shù)進(jìn)行智能計(jì)算，獲得最佳施肥頻率。選擇自動模式，系統(tǒng)根據(jù)PLC 指示開始運(yùn)行。當(dāng)檢測到土壤水肥值低于設(shè)定值時，施肥泵運(yùn)轉(zhuǎn)，電磁閥關(guān)閉，化肥罐內(nèi)的化肥經(jīng)過施肥泵進(jìn)入管道中，最終進(jìn)入混肥罐，并向罐中注入清水，直至傳感器檢測到與設(shè)定值相符合的水肥混合濃度。PLC 控制施肥泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)，電磁閥門打開，變頻器反向工作，此時清水反向流動清洗管道。混肥罐中的水肥進(jìn)入施肥罐，并向出肥口運(yùn)輸，對土壤進(jìn)行施肥。在此期間，系統(tǒng)不斷與傳感器采集的數(shù)據(jù)作比較，一旦土壤實(shí)際水肥值與設(shè)定值相匹配，施肥動作停止，系統(tǒng)更新檢測數(shù)據(jù)重新與設(shè)定值進(jìn)行比較。

通過使用移動設(shè)備對土壤進(jìn)行實(shí)時檢測可知，系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果與設(shè)定結(jié)果間誤差很小，系統(tǒng)整體上達(dá)到精確、穩(wěn)定、高效的要求。

3 結(jié)語

設(shè)計(jì)和試驗(yàn)的這套基于PLC 的農(nóng)業(yè)種植水肥一體化自動控制系統(tǒng)涉及傳感器、控制器等多個學(xué)科的技術(shù)知識，其應(yīng)用可以改變農(nóng)業(yè)灌溉方式，使得灌溉精度、效率得到大幅提升，減少化學(xué)污染、資源浪費(fèi)，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。系統(tǒng)功能強(qiáng)大，能同時滿足人們灌溉、施肥、監(jiān)測的需求。此外，該系統(tǒng)操作流程簡單，易上手操作，減少了工作人員學(xué)習(xí)操作的時間。系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)更新快，系統(tǒng)反應(yīng)靈敏且運(yùn)行穩(wěn)定，能準(zhǔn)確完成任務(wù)，誤差小。系統(tǒng)由多個不同的子系統(tǒng)構(gòu)成，在維修時可以看作是獨(dú)立的部分分別進(jìn)行檢測，維修便捷、經(jīng)濟(jì)。系統(tǒng)內(nèi)部具有一定的清潔功能，能夠清洗管道，防止管道堵塞或者避免管道內(nèi)多種殘余物混雜，影響水肥混合精確度。