摘要：針對花卉對按需灌溉和生長環(huán)境的需求及PLC模擬量輸入、輸出模塊數(shù)量有限等缺點，設計了基于西門子S7-200 SMART系列PLC為核心的灌溉控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)利用Modbus-RTU通信，采用輪詢的方式采集變頻器、土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照度及土壤電導率等參數(shù)，控制變頻器運行頻率實現(xiàn)對花卉的按需灌溉，并利用工業(yè)以太網(wǎng)把相關參數(shù)上傳至MCGS觸摸屏進行精細化管理。

關鍵詞：Modbus-RTU;灌溉;PLC;溫濕度;光照度;電導率

中圖分類號：F301

文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（ 2020）12-0164-03

DOI：10.1408 8/j .cnki.issn0439-8114.2020.12.036

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

隨著科學技術的日新月異，現(xiàn)代自動控制技術在農業(yè)溫室大棚中的應用也越來越廣泛，實現(xiàn)傳統(tǒng)農業(yè)生產方式的精耕細作與現(xiàn)代信息技術、智能裝備技術的深度融合。

在農業(yè)智能灌溉控制方面，王福平等[1]、李興澤等[2]為了解決農村農業(yè)灌溉質量不高，能源利用率低等問題，結合物聯(lián)網(wǎng)技術、PLC控制技術和GPRS技術，以GPRS+Zigbee無線組網(wǎng)技術為核心，設計了以主從模式的灌溉泵站的控制、田間環(huán)境參數(shù)的采集等智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng);在花卉育種溫室環(huán)境控制方面，龍建明等[3]、李燕飛等[4]通過基于STC單片機為核心控制器開發(fā)的溫室控制系統(tǒng)，取得了較好的溫濕度控制效果，但單片機系統(tǒng)相對開發(fā)周期較長、且后期維護較困難的缺點仍然無法徹底解決。為解決單片機系統(tǒng)開發(fā)及維護方面的不足，張伏等[5]提出用西門子S7-200系列PLC（CPU模塊）和EM235模擬量模塊，開發(fā)PLC控制系統(tǒng)對溫室溫濕度等環(huán)境參數(shù)進行采集并實現(xiàn)對溫室花卉育苗環(huán)境的控制，但模擬量模塊擴展數(shù)量不足的缺點仍然無法解決。

鑒于此，針對農業(yè)智能灌溉和花卉育種溫室環(huán)境監(jiān)控兩個方面的需求，以西門子S7-200 SMART系列PLC為控制核心，利用Modbus-RTU通信技術設計了一種能夠實現(xiàn)農作物用水的按需灌溉和溫室環(huán)境調節(jié)的自動化控制系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)設計

花卉育種溫室灌溉控制系統(tǒng)結合了工業(yè)以太網(wǎng)技術、PLC控制技術等，通過PLC對花卉育種溫室大棚內的相關環(huán)境參數(shù)進行監(jiān)測和對灌溉用水的按需自動調節(jié)，為花卉提供較理想的生長環(huán)境，滿足花卉育種溫室的生產要求。

1.1 總體方案

控制系統(tǒng)采用MCGS觸摸屏和西門子S7-200SMART系列PLC作為主控制器，通過PLC自帶的RS485接口，利用Modbus-RTU通信實時對現(xiàn)場環(huán)境傳感器信息的采集、變頻器控制水泵機組按需運行，并利用以太網(wǎng)將信息上傳到溫室大棚的觸摸屏中，實現(xiàn)對溫室大棚智能灌溉和環(huán)境狀態(tài)的實時監(jiān)控?？刂葡到y(tǒng)總體示意圖如圖1所示。

1.2 控制策略

1）灌溉控制策略。農業(yè)灌溉系統(tǒng)實現(xiàn)智能化，主要是依靠控制系統(tǒng)對各個環(huán)境參數(shù)的智能化分析，為了科學地灌溉，需要對溫室內的花卉生長情況做統(tǒng)計分析。不同種類的花卉育苗在不同溫度、光照度等環(huán)境條件下對于灌溉要求是多樣的，而且同種花卉植株在不同生長過程中對于水分的要求也不同，此外土壤質地對水分也有很大影響[6]。通過對試驗獲得數(shù)據(jù)進行分析可得出花卉等植物的需水量生長模型，進而在此基礎上確定溫室灌溉規(guī)則（圖2）。

2）花卉育苗溫室環(huán)境控制策略。在溫室環(huán)境控制策略中，主要是對溫室環(huán)境的溫度、濕度和光照度等參數(shù)的調節(jié)控制，其中根據(jù)季節(jié)不同，溫度、濕度控制有著明顯不同的優(yōu)先級，夏季以濕度控制優(yōu)先，溫度控制為輔;冬季以溫度控制優(yōu)先，濕度控制為輔[7，8]。在保證溫濕度控制優(yōu)先的情況下，調節(jié)光照度控制，實現(xiàn)花卉育苗溫室環(huán)境的實時監(jiān)控（圖3）。

1.3 控制系統(tǒng)的PLC實現(xiàn)

1）控制網(wǎng)絡組網(wǎng)實現(xiàn)。花卉育種溫室控制系統(tǒng)以西門子PLC為控制器，利用S7-200 SMART PLC自帶的RS485通信口構成Modbus-RTU通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)PLC與變頻器、傳感器之間信息的遠程傳輸[9，10]PLC自帶工業(yè)以太網(wǎng)口（PN口）與MCCS觸摸屏之間實現(xiàn)現(xiàn)場操作和溫室信息等的實時監(jiān)控。Modbus-RTU通信示意圖如圖4所示。

溫室灌溉控制系統(tǒng)硬件部分由上位機MCGS觸摸屏、西門子S7-200 SMART PLC和數(shù)字量輸出擴展模塊、變頻器、土壤溫濕度傳感器、空氣溫濕度傳感器及光照度檢測傳感器等組成。具體硬件選型考慮如下。

①PLC型號選擇：單個溫室灌溉控制系統(tǒng)需要頂窗、遮陽簾、濕簾、灌溉電磁閥等開關量輸出信號32個及限位信號20個，選擇SR40CPU模塊和EMDR16數(shù)字量輸出模塊，能夠滿足系統(tǒng)控制要求。

②變頻器選擇：選用三菱FR-E740系列變頻器，利用其自帶PU接口與SR30 CPU之間的Mod-bus-RTU通信，實現(xiàn)變頻器的啟動、停止、故障報警及調速控制。

③觸摸屏選擇：選用昆侖通態(tài)TPC7062Ti觸摸屏，可以實現(xiàn)與SR30 PLC工業(yè)以太網(wǎng)口之間10/100 Mbps自適應以太網(wǎng)通信。

灌溉控制系統(tǒng)中各器件功能，如表1所示。

2） Modbus-RTU通信數(shù)據(jù)采集。利用SR40CPU的RS485端口采用Modbus-RTU的輪詢方式，周期性采集、控制變頻器、土壤溫濕度、空氣光照度、空氣溫濕度等信息。通訊基本參數(shù)采用數(shù)據(jù)位8位，無奇偶校驗位，停止位1位，波特率9 600 bps，并設置變頻器、各傳感器的Modbus-RTU通信地址。Modbus-RTU通信相關寄存器地址如表2所示。

3）觸摸屏界面設計。PLC通過自帶的工業(yè)以太網(wǎng)接口，把采集到的環(huán)境參數(shù)上傳至MCCS觸摸屏進行動態(tài)顯示，觸摸屏環(huán)境參數(shù)如圖5所示。主要功能如下。

①實時顯示溫室內外的各項環(huán)境參數(shù)數(shù)值，包括溫濕度、光照度及電導率等。

②控制系統(tǒng)手自動切換及手動灌溉下的灌溉時間設置，自動情況下根據(jù)具體環(huán)境參數(shù)進行自動調節(jié)。

③對溫濕度、光照度及電導率等環(huán)境參數(shù)的趨勢跟蹤，可顯示單日內各參數(shù)的變化曲線。

2 總結

本研究提出了一種基于Modbus-RTU通信的溫室灌溉控制系統(tǒng)，結合以溫濕度、光照度及土壤電導率等參數(shù)實現(xiàn)溫室灌溉的自動調節(jié)。通過實際驗證，控制系統(tǒng)基本能夠滿足植物在不同環(huán)境下的灌溉需求，從而能夠保證花卉作物處于其最佳生長狀態(tài)環(huán)境。

參考文獻：

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[10]袁金云，尹生強，李俊杰，等.基于Modbus協(xié)議的PLC與多臺電表通信研究[J].青島大學學報（工程技術版），2015，30（3）：59- 63.

基金項目：湖州市科技特派員項目（ 2017KT21）

作者簡介：盛強（1981-），男，浙江金華人，副教授，碩士，主要從事T業(yè)網(wǎng)絡通信及智能控制研究，（電話）13567235453（電子信箱）376041718@qq.com。