一種花卉種植水肥一體化控制系統的設計

作者簡介：陳盈杉（2005—），女，本科生，研究方向：電氣控制、動物科學。

摘 要：為實現家庭花卉種植灌溉施肥無人值守的自動化調節，設計出一種花卉種植水肥一體化控制系統。在分析花卉種植水肥一體化控制系統基本要求的基礎上，闡述該系統的總體設計方案和各部分構成，并根據運行測試結果提出改進方向。該控制系統以西門子可編程控制器（PLC）為核心，采用傳感器技術，通過設計好的控制程序來實時檢測土壤濕度和電導率，并與預設的花卉生長所需水肥閾值進行比較，來決定是否報警。該控制系統以灌溉施肥泵為執行機構，有手動和自動兩種工作模式供用戶根據需要進行切換。經運行測試，該控制系統運行穩定可靠、操作簡單、成本較低，適合推廣應用。

關鍵詞：花卉種植；水肥一體化；西門子PLC；傳感器

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：B 文章編號：1674-7909（2024）1-141-4

DOI：10.19345/j.cnki.xckj.1674-7909.2024.01.035

0 引言

隨著我國經濟持續發展，人民物質生活水平有了進一步提高，人民群眾已不再滿足于物質生活的豐富，而是更加傾向于精神層面的滿足。花卉是美的象征，而愛美之心人皆有之。鮮花不但能美化家庭、凈化空氣，還有益于人們的身心健康。因此，在家庭中種花養草逐漸成為許多人陶冶情操、提升生活情趣的重要方式［1］。花卉生長質量與其所處環境息息相關，其對溫度、濕度和養分供應尤為敏感。在室內，溫度一般能得到保證，灌溉和施肥成為家庭花卉種植的關鍵。此外，人們常因工作出差或走親訪友而無法及時給花卉灌溉、施肥，往往會造成花卉枝葉枯黃，甚至枯死。所以，人們急需一套操作簡單方便、運行穩定可靠、制作成本低廉的小型家用花卉水肥一體化自動控制系統，通過事先設定的程序來實現自動灌溉和施肥。為解決此問題，設計出一種基于可編程控制器（PLC）的花卉種植水肥一體化控制系統。該系統以西門子PLC為控制核心，以濕度電導率傳感器為實時數據采集元件，以灌溉施肥泵為執行機構。其中，PLC可根據預設程序來自動啟動灌溉泵和施肥泵，具有可靠性高、穩定性好、抗干擾能力強、操作靈活的優點［2］。利用該水肥一體化控制系統對花卉生長環境進行調節，可讓花卉健康生長。

1 控制系統總體要求分析

該花卉水肥一體化控制系統為一種小型簡便自動控制系統，可實現無人值守時水肥一體化自動控制，主要應用于家庭，適當擴展后也可應用于小型花卉種植溫室大棚中。因此，設計時要滿足系統的元器件易采購、成本低、集成方便、可擴展、運行可靠等要求。該系統基本控制要求如下：系統運行時，有自動和手動兩種工作模式，通過工作指示燈來指示當前工作模式；能實時檢測花卉土壤濕度和電導率；能實時判斷當前花卉土壤是否缺水或缺肥，在花卉土壤缺水或缺肥時要有聲光報警提醒，并自動啟動澆水泵或施肥泵，直到花卉土壤濕度和電導率恢復到正常值范圍；能設定和修改花卉土壤濕度和電導率正常值范圍；在手動工作模式下，用戶可根據個人經驗來啟動或關閉澆水泵和施肥泵；當聲光報警啟動后，用戶可人工手動復位蜂鳴器報警，但報警燈不可人工強制復位。

2 控制系統硬件設計

2.1 系統硬件設計總體框架

選用西門子S7-200SMART系列PLC為水肥一體化控制系統的控制器，配置高精度土壤濕度傳感器來檢測土壤濕度、專用土壤電導率傳感器來檢測土壤電導率，以小型隔膜灌溉泵和施肥泵作為執行器件，以紅色報警燈、蜂鳴器作為土壤濕度與電導率超限預警設備，以綠色指示燈（長亮或閃爍）來指示當前工作方式（手動或自動工作模式）。該系統配置有三檔轉換開關，可在手動、停止和自動3種模式之間進行轉換（停止時工作指示燈熄滅）；配置有手動灌溉和施肥按鈕開關，用于在手動工作方式時啟動或關閉澆水泵和施肥泵［3-4］。花卉水肥自動控制系統總體框架如圖1所示。

該系統工作時以自動模式為主，一般不使用手動模式。手動模式主要用于系統集成、初期運行時功能調試及后期穩定運行期間的定期檢修。用戶也可使用該系統的手動模式，按照個人經驗對花卉進行灌溉和施肥。當系統處于手動模式時，按下灌溉或施肥按鈕，對應的執行機構動作、工作指示燈閃亮（自動模式時工作指示燈長亮）。

2.1.1 控制器和供電電源

考慮到控制系統總的I/O點數不超過20點，故選用西門子S7-200SMART SR20型可編程控制器作為系統控制器。若要增加I/O，擴展起來也很方便。該PLC配備西門子專用高速處理器芯片，其基本指令執行時間為0.15 μs，在同級別小型PLC中遙遙領先；CPU模塊本體集成1個以太網接口和1個RS485接口，通過擴展CM01信號板，其通信端口數量可增加至3個；繼電器輸出，220 V AC 供電，12輸入、8輸出，最大可擴展到188點；內部有12 K程序存儲區、8 K數據存儲區。因該控制系統需要接入2路4～20 mA模擬量信號，所以還需擴展一塊AE04模擬量輸入模塊（AE04模塊最多可接入4路4～20 mA模擬量信號）［5-6］。

西門子S7-200SMART SR20型PLC屬交流220 V供電型，可采用市電直接供電。但該系統還有中間繼電器、工作指示燈、報警燈、蜂鳴器、灌溉泵、施肥泵等用電設備，考慮到用電安全，這些用電設備選用低壓直流24 V電源供電類型。因此，該系統還需配置一個開關電源（交流220 V輸入、直流24 V輸出），選用型號是明偉NDR-240-24，最大輸出電流為10 A、輸出功率為240 W。為防止PLC直接驅動灌溉泵等負載時將對應的PLC輸出點擊穿，該系統采用PLC先輸出控制中間繼電器，再由中間繼電器驅動負載的控制方式。

2.1.2 傳感器

該系統配備有VMS-3000-ECH-I20型土壤濕度電導率二合一傳感器進行檢測。該傳感器探針式測量電極采用奧氏體316型不銹鋼合金材料（防銹、耐電解、耐鹽堿腐蝕，還可承受較強的外力沖擊），探針與機體之間用高密度環氧樹脂進行高溫真空灌裝，傳感器整機還做了IP68級防水防塵處理（可阻斷水分進入傳感器內部，保證傳感器長時間可靠）。該傳感器使用直流24 V電源，輸出2路標準的4～20 mA電流信號，分別接入AE04模擬量輸入模塊的2路輸入口；土壤濕度的測量范圍為0～100%，電導率的測量范圍為0～10 000 μs/cm。

2.1.3 執行器及報警器件

該水肥一體化控制系統主要應用于家庭環境，從用電安全方面考慮，除PLC控制器和開關的輸入電源采用交流市電220 V外，其他用電設備統一使用開關電源輸出的直流24 V電源；PLC控制系統先輸出控制中間繼電器，再由中間繼電器間接控制灌溉泵、報警燈、蜂鳴器等設備。該水肥一體化控制系統采用2臺直流ELP02-ED24型隔膜泵作為水和液體肥料的輸送動力泵。隔膜泵的工作電壓為直流24 V，最小流量為600 mL/min，揚程為20 m，PLC通過中間繼電器來間接控制隔膜泵的啟停。該系統采用蜂鳴器、紅/綠指示燈來完成報警和工作模式指示。報警燈、蜂鳴器和工作模式指示燈均選用直流24 V供電型。當土壤水肥指標數值超過合理區間上限時，對應紅色報警燈長亮；當土壤缺水或缺肥時，對應紅色報警燈閃爍、蜂鳴器鳴叫報警；當系統執行灌溉或施肥操作時，對應綠色工作指示燈點亮（自動工作模式時長亮，手動工作模式時閃爍）。用戶可通過手動復位使蜂鳴器停止鳴叫，但報警指示燈仍然閃爍，直到傳感器測量到的數據在合理區間范圍內才熄滅。

2.2 PLC輸入輸出I/O點分配

該控制系統有手動/自動模式轉換開關、手動灌溉按鈕、手動施肥按鈕、蜂鳴器復位按鈕等5個輸入設備，以及灌溉、施肥灌溉、缺水報警、缺肥報警、高水報警、高肥報警、蜂鳴器、工作指示燈等8個中間繼電器輸出，另有2路4～20 mA模擬電流輸入信號。綜上所述，該系統PLC的I/O分配見表1。

表1 PLC的I/O分配

[I/O點 功能說明 I/O點 功能說明 I0.0 手動方式開關 Q0.3 Z4中繼（缺肥報警） I0.1 自動方式開關 Q0.4 Z5中繼（高水報警） I0.2 手動灌溉按鈕 Q0.5 Z6中繼（高肥報警） I0.3 手動施肥按鈕 Q0.6 Z7中繼（報警蜂鳴器） I0.4 蜂鳴器報警復位按鈕 Q0.7 Z8中繼（工作指示燈） Q0.0 Z1中繼（灌溉泵） AIW16 土壤濕度 Q0.1 Z2中繼（施肥泵） AIW18 土壤電導率 Q0.2 Z3中繼（缺水報警） ]

2.3 硬件接線

綜上所述，該系統硬件接線如圖2所示。西門子S7-200SMART PLC的輸入繼電器I0.0～I0.4分別接入5個輸入設備，輸出繼電器Q0.0～Q0.7分別連接Z1～Z8等8個中間繼電器，土壤濕度傳感器接入AE04模擬量擴展模塊的AI0口，土壤電導率傳感器接入AE04模塊的AI1口，澆水泵、施肥泵、報警燈、蜂鳴器、工作指示燈等8個被控設備分別通過Z1～Z8中間繼電器的常開開關連接到開關電源。

3 PLC控制軟件設計

PLC控制系統運行模式有手動、自動 、停止3種。當運行模式開關處于手動或自動位置時，PLC控制程序先運行初始化子程序，對一些內部變量進行清零或賦初值，設定土壤濕度、電導率合理區間的最大值和最小值，設定土壤濕度、電導率傳感器的采樣區間。該系統分別讀取土壤濕度、電導率數據，經過數據運算后，與其設定的合理區間最大值和最小值進行比較，如果超過最大值或小于最小值，則相應報警程序運行（超過合理區間最大值時相應紅色報警燈長亮，低于合理區間最小值時紅色報警燈閃爍，同時啟動蜂鳴器提醒）。

接下來判斷模式選擇開關處于手動還是自動位置。手動模式用于系統初期調試、穩定運行期間的定期維護檢修及根據個人經驗來灌溉、施肥。在手動模式中，操作人員可任意按下加水灌溉啟動按鈕，系統將啟動加水灌溉泵；當按下施肥按鈕時，系統將啟動施肥泵；直至操作人員再次按下啟動按鈕，按鈕彈起，系統停止作業。

在自動模式中，程序先判斷目前土壤是否缺肥。如果土壤缺肥，程序啟動施肥泵輸送液體肥料，直到土壤肥力升高，電導率回升到設定區間上下限內為止；如果土壤不缺肥，程序進行下一步，即判斷土壤是否缺水，如果缺水，則啟動加水灌溉泵輸送水分，直到土壤濕度升高，濕度值回升到土壤濕度設定區間上下限內；如果不缺肥也不缺水，則程序返回進行下一周期工作。系統運行流程如圖3所示。

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圖3 系統運行流程

4 系統運行測試

運行測試前，在PLC程序中設定土壤濕度上限報警值為80%、下限報警值為50%，土壤濕度合理區間為50%～72%；設定土壤電導率上限報警值為1 000 μs/cm、下限報警值為300 μs/cm，土壤電導率合理區間為300～800 μs/cm（以上所有設定值僅為測試該控制系統運行情況而暫時設定，非最佳參數）。運行測試時選擇自動運行方式，分別在3個時間段把濕度電導率二合一傳感器插入三盆不同花卉的土壤，測得土壤數據及PLC控制系統輸出報警及控制灌溉泵情況見表2、表3、表4，執行結果均達到設計要求。

5 結束語

此研究設計了一種基于PLC的花卉種植水肥一體化控制系統，將傳感器技術、PLC技術等科學技術與花卉種植相結合。該系統的制作開發周期較短、成本較低、操作方便、功能基本齊全，能實現對家庭花卉土壤濕度和電導率的實時監測和聲光報警、自動進行灌溉和施肥，可為花卉提供優質的生長環境，有一定的推廣價值。但該系統功能相對簡單，人機交互不友好，也沒有對溫度、光照等其他影響因素進行測量監控，后續在經濟條件允許的情況下，可在人機交互、溫度監控等方面進一步完善。

參考文獻：

［1］王福興.家庭花卉養護技術［J］.上海蔬菜，2012（6）：67-68.

［2］李宗昊，楊潔.基于PLC技術的花卉溫室自動控制系統研究［J］.南方農機，2020（20）：80-82.

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［4］趙進，張越，趙麗清，等.水肥一體化智能管理系統設計［J］.中國農機化學報，2019（6）：184-190.

［5］廖常初.PLC編程及應用（第4版）［M］.北京：機械工業出版社，2014.

［6］韓相爭.西門子S7-200 SMART PLC編程技巧與案例［M］.北京：化學工業出版社，2017.