稻田節水灌溉控制系統觸摸屏人機界面設計*

夏春風 ，秦昌友 ，吳 凡 ，甄軍華

（蘇州農業職業技術學院，江蘇 蘇州 215008）

0 引言

眾所周知，傳統人工稻田灌溉存在操作時間隨意、灌溉水量不精確等問題，其大量漫灌或飽和灌溉后將多余水量排出的方式，不但水資源利用率低[1]，而且稻田中的農藥化肥也會隨之流失，使農作物的產量大大降低[2]。觸摸屏與PLC 組合是現代精確控制的一種新方法。本文根據稻田灌溉控制要求，采用變頻恒壓灌溉方式，借助土壤濕度和水壓傳感器、威綸TK6071IP 觸摸屏和三菱FX3U 型PLC，通過PLC 程序和觸摸屏人機交互界面的設計，實現稻田灌溉控制系統精確控制[3]，達到精準灌溉和節水的目的，在提高農作物產量的同時，節省大量的電能與水資源。

觸摸屏性能穩定，操作編程方便，是目前最簡單、方便、自然的一種人機交互方式[4-5]，其可代替鼠標和鍵盤來處理、監控、管理和應對隨時可能變化的信息[6]。本文使用的是威綸TK6071IP 觸摸屏，其分辨率為800*480，支持RS485、RS232 通信，具有操作簡便、產品輕巧、品質保證、價格優惠等特點。使用的EasyBuilder Pro 人機界面組態軟件是一款帶中文操作且能用圖標代替文本創建應用程序的圖形化編程語言，不僅功能強大，而且簡單易學[7]，用戶可以用最快的速度掌握其設計方法，并設計出一流的人機交互作品。

1 稻田節水灌溉控制系統人機界面控制要求

稻田節水灌溉控制系統的控制要求是：先由濕度傳感器檢測土壤濕度，并在觸摸屏的人機界面上顯示。同時濕度傳感器將采集到的數據信息傳送到PLC 中，與PLC 預設置的適合農作物生長的土壤最佳濕度數據對比，然后由PLC 做出判斷，確定是否需要灌溉以及需要灌溉的水量，并將需要灌溉的水量輸出給變頻器，由變頻器控制水泵機組進行灌溉，整個控制過程使用觸摸屏人機界面進行監控。

根據稻田節水灌溉控制系統控制要求，結合PLC程序的輸入輸出點分配表，稻田節水灌溉控制系統觸摸屏人機界面元件設計如表1 所示。

表1 稻田節水灌溉控制系統觸摸屏人機界面元件表

2 稻田節水灌溉控制系統人機界面設計

稻田節水灌溉控制系統觸摸屏人機界面設計時，需對觸摸屏程序進行系統參數設置[8]，即雙擊EasyBuilder Pro 軟件，在文件菜單中選擇“新建文件”，觸摸屏型號選擇“TK6071IP（800*480）”，顯示模式選擇“水平”，點確定后進入“系統參數設置”界面，點擊“新增”，配套PLC 類型選擇“FX3U/FX3G”，接口類型選擇“RS-485 4W”，COM 口設置與計算機主機連接口一致選擇“COM2”，PLC 預設站號選擇“1”，最后點擊確定，完成PLC和觸摸屏參數設置。

完成觸摸屏程序系統參數設置后，需進行稻田節水灌溉控制系統運行監控、水泵運行狀態監控、故障報警監控和數據查詢等觸摸屏人機界面設計。觸摸屏人機界面設計主要包括文字、按鈕、指示燈、時間設置、水泵管網流動塊設計等。因篇幅有限，本文主要闡述稻田節水灌溉控制系統運行監控界面和水泵運行狀態監控界面的詳細設計過程。

2.1 稻田節水灌溉控制系統運行監控界面設計

監控人機交互界面設計要以用戶為中心，其是用戶接收信息的橋梁[9-10]。為了便于顯示和操作，灌溉控制系統運行監控界面主要包含控制面板、數據查詢、水泵機組、故障報警、手動/自動切換及時間顯示等模塊，其主要有監控界面文字設計、按鈕設計和時間顯示設計等設計步驟，設計完成的稻田節水灌溉控制系統監控界面如圖1所示。

圖1 灌溉控制系統運行監控界面

2.1.1 文字設計

為方便操作，先對觸摸屏監控界面進行文字設計，即點擊“文字”，在出現的“文字”界面中按美學和喜好設置相應的字體、顏色和文字內容，并將其按功能放在適當的位置。觸摸屏監控界面文字主要有“灌溉控制系統運行監控”和“手動/自動切換”。其中，“灌溉控制系統運行監控”字體選“宋體”，顏色選“紅色”，字號選“28”，對齊選“置中對齊”，圖片圖案勾選“內部”且內部圖案顏色選“綠色”。“手動/自動切換”字體選“宋體”，顏色選“黑色”，字號選“16”，對齊選“置中對齊”。

2.1.2 按鈕設計

監控界面需設計的按鈕有：手動與自動切換模式、返回及控制面板、數據查詢、水泵機組、故障報警等控制按鈕。手動與自動切換模式按鈕設計步驟為：點擊“位狀態設置”，出現“新增位狀態設置元件”界面，在出現的界面中選“一般屬性”界面，PLC 名稱選擇“FX3U”、地址選擇“X0”、開關類型選擇“切換開關”；在“圖片”界面中點擊圖庫，在向量圖庫中點擊“Button”，選擇“矩形按鈕類型”點擊確定，再將按鈕狀態“0”的背景色選為綠色，在“標簽”中設置字體為“宋體”，顏色選擇“黑色”，對齊選擇“置中對齊”，在內容中輸入“手動模式”；將按鈕狀態“1”的背景色選為黃色，在“標簽”中設置字體為“宋體”，顏色選擇“黑色”，對齊選擇“置中對齊”，在內容中輸入“自動模式”；點擊確定，將出現的光標放到“手動/自動切換”文字右邊。

其余按鈕及后面界面按鈕設計可采用復制粘貼方法進行，即先復制“手動模式”按鈕，再在界面選定的地方粘貼一下，接著根據表1 分別修改“位狀態設置元件”地址和界面各狀態背景顏色、標簽內容等。

2.1.3 時間顯示設計

監控界面日期和時間顯示可直接調用觸摸屏的系統時間，讓其在觸摸屏界面上直接顯示，設計步驟是：在“元件”菜單點擊“時間相關”，在“時間相關”下點擊“日期/時間”，在出現的新增日期/時間元件界面上的“日期”處勾選“啟用”，格式選擇“YYYY-MM-DD”；在“時間”處勾選“啟用”，格式選擇“HH:MM:SS”，采用默認24 小時制。“字體”處選擇“宋體”，顏色選擇“白色”，字號選“16”，對齊選“置中對齊”，圖片背景選“黑色”，其他忽略，然后點“確定”，將出現的光標放到右上角即可。

2.2 水泵機組運行狀態監控界面設計

水泵機組運行狀態監控界面主要有：水泵壓力值與土壤濕度值顯示、水泵M1 與水泵M2 的啟動停止按鈕、水泵運行指示燈、土壤濕度報警指示燈和水泵機組管網界面。設計完成的水泵機組運行狀態監控界面如圖2 所示。

圖2 水泵機組運行狀態監控界面

圖2 界面中的水泵機組運行狀態監控、水泵M1、水泵M2、管網、水泵壓力值（MPa）、土壤濕度值（%）、土壤濕度報警指示燈、水泵M1 工作指示燈和水泵M2 工作指示燈等文字按2.1.1 文字設計中的方法進行設計。啟動水泵M1、停止水泵M1、啟動水泵M2、停止水泵M2 和返回等按鈕設計采用類似2.1.2按鈕設計方法中的復制粘貼方法，再根據表1 分別修改“位狀態設置元件”地址和界面各狀態背景顏色、標簽內容等，在此不再贅述。下面主要闡述監控界面數值顯示、水泵管網流動塊、報警指示燈和工作指示燈的設計。

2.2.1 數值顯示設計

水泵機組運行狀態監控界面數值顯示主要有水泵壓力值和土壤濕度值，水泵壓力值設計步驟為：點擊“數值”，出現“新增數值元件”界面，在出現的界面中選“一般屬性”界面，PLC 名稱選擇“FX3U”、地址選“D0”；在“數值輸入”界面中模式選“觸控”，鍵盤選“使用彈出鍵盤”；在“數值格式”界面中顯示資料格式選“16-bit Unsigned”，數字位數選小數點之后3 位；在“圖片”界面中點擊圖庫，在向量圖庫中點擊“System Frame”，選擇一個合適的數值元件類型；在“字體”界面選“宋體”，字號選“16”，顏色選“黑色”，對齊選“置中對齊”，點擊確定，將出現的光標放到“水泵壓力值”文字右邊。

土壤濕度值設計步驟為：復制水泵壓力值數值，將其放到“土壤濕度值”文字右邊，并在其數值上右擊鼠標，點擊“屬性”，將地址修改為“D1”，其余均不變，點擊確定即可。

2.2.2 水泵管網流動塊設計

水泵機組運行時的水流狀態可直觀地用觸摸屏流動塊進行顯示。首先從“對象元件庫”選中水泵樣式，然后將其拖到界面左邊水泵M1 和水泵M2 文字處放好。然后利用觸摸屏中的流動塊來形象地表示水流流動，流動塊設計步驟是：在“元件”菜單中點擊“動畫”，在“動畫”下選擇“流動塊”，然后通過鼠標點擊，根據水泵M1、水泵M2 和管網來規劃流動塊的路徑，規劃好路徑后點擊鼠標右鍵進行確認。最后對流動進行屬性設置，即點擊“常用”菜單，將這個元件選擇“置于底層”，流動塊添加完成。在流動塊上點擊鼠標右鍵，選擇“屬性”，在出現的“流動塊元件屬性”界面的“外觀”屬性設置流動塊的外觀，即導管的寬度選“30”，外框寬度選“2”，外框顏色選“黑色”，背景顏色選“紅色”。滑塊的類型選“矩形”，顏色選默認值“15”，長度選“26”，間隔選“4”，顏色選“灰色”。在“一般屬性”界面的流動速度處選擇“25”即可。

2.2.3 報警指示燈設計

監控界面土壤濕度報警指示燈設計步驟為：點擊“位狀態指示燈”，出現“新增位狀態指示燈元件”界面，在出現的界面中選“一般屬性”，PLC 名稱選擇“FX3U”，地址選“HL3”；在“圖片”界面中點擊圖庫，在向量圖庫中點擊“System Lamp”，選擇“警燈指示燈”點擊確定；再將指示燈狀態“0”的背景色選為紅色，按鈕狀態“1”的背景色選為黃色，點擊確定；將出現的光標放到“土壤濕度報警指示燈”文字上方。

2.2.4 水泵工作指示燈設計

水泵工作指示燈有2 個，分別為水泵M1 和水泵M2 工作指示燈。水泵M1 工作指示燈設計步驟為：點擊“位狀態指示燈”，出現“新增位狀態指示燈元件”界面，在出現的界面中選“一般屬性”界面，PLC名稱選擇“FX3U”、地址選“Y1”；在“圖片”界面中點擊圖庫，在向量圖庫中點擊“System Lamp”，選擇圓柱形指示燈點擊確定；再將指示燈狀態“0”的背景色選為藍色，按鈕狀態“1”的背景色選為紅色；點擊確定，將出現的光標放到“水泵M1 工作指示燈”文字上方。

水泵M2 工作指示燈設計采用復制粘貼方法，即先復制已設計好的水泵M1 工作指示燈，在“水泵M2工作指示燈”文字上方粘貼一下，再雙擊粘貼的工作指示燈，在“一般屬性”界面將地址修改為“Y2”，其余參數設置均不變。

3 稻田節水灌溉控制系統調試

稻田節水灌溉控制系統觸摸屏人機界面設計完成后，就開始先仿真后實物的綜合調試。調試時，將事先編寫好的PLC 程序下載到PLC 設備中，進行PLC 程序和觸摸屏程序的聯合調試。其中土壤濕度和水泵壓力的調試采用仿真軟件進行，當所測得的土壤濕度值低于系統設定值時，水泵M1 運行，此時若水泵壓力值高于設定值，則水泵M2 不啟動。如果所測得的土壤濕度值高于系統設定值，說明灌溉已完成，則水泵M1 停止工作。仿真調試結束，程序符合系統要求。

實物調試時，先連接并安裝好稻田節水灌溉控制系統小型實物，并打開控制系統上的觸摸屏、PLC控制開關及觸摸屏人機界面程序；接著點擊程序“工具”條的“編譯”，點擊“開始編譯”，顯示編譯成功后關閉編譯界面；然后點擊“工具”條的“下載”，選擇“USB 下載”，點擊“下載”，程序下載完成后觸摸屏界面上就會出現圖1 所示的界面，最后關閉下載界面。通過切換界面，分別出現圖2 等界面。

在調試過程中，可能出現如接口的選擇問題、參數的設置問題、程序的設計問題等，根據相關提示，逐一解決即可。試驗結果表明，控制系統運行穩定、操作簡單，可以提高灌溉節水率，具有廣闊的應用前景。

4 結語

將威綸觸摸屏與三菱PLC 有機結合用來控制稻田節水灌溉控制系統，具有效率高、操作簡單、形象直觀等優點。結合采用變頻恒壓的灌溉方式，可節省20%~40%的電能，并達到精準灌溉和節水的目的，它與傳統灌溉方式相比，并不需要對設備進行調控與測試，只需修改程序即可改變灌溉量。同時，通過修改PLC 程序和觸摸屏人機界面程序，該方案還可移植到不同農作物的灌溉控制系統中，具有一定的推廣應用價值。