胡佳寧 劉旋 楊荊 詹宇

摘要：以西門子S7-200 smart PLC為核心完成了果園水肥一體化系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)，硬件系統(tǒng)主要包括土壤信息傳感器、果樹信息傳感器、傳感器無(wú)線傳輸模塊以及西門子觸摸屏等，實(shí)現(xiàn)了果園水肥一體化設(shè)備自動(dòng)施肥與自動(dòng)灌溉功能，提高了果園灌溉施肥設(shè)備的自動(dòng)化水平。

關(guān)鍵詞：果園;PLC;水肥一體化;傳感器

為進(jìn)一步推動(dòng)果園水肥灌溉施肥自動(dòng)化進(jìn)程，設(shè)計(jì)了一種基于PLC的果園水肥一體化系統(tǒng)硬件電路方案，主要包括系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)傳感器選型、傳感器的部署方案與供電等，為果園水肥一體化的發(fā)展提供了一種新的方案。

1? 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

控制執(zhí)行系統(tǒng)主要由控制器西門子S7-200 SMART ST60系列PLC和西門子DT08數(shù)字量輸出拓展模塊、西門子SMART 700 IE V3觸摸屏、強(qiáng)大科技QDGate301-L PLC遠(yuǎn)程控制模塊、?？豀K-Y3無(wú)線遠(yuǎn)程開關(guān)量控制模塊等組成，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人機(jī)交互和遠(yuǎn)程平臺(tái)控制。同時(shí)系統(tǒng)配有液位傳感器、液體EC值傳感器、液體pH值傳感器、壓力傳感器、壓差開關(guān)，用于檢測(cè)混合罐液位、EC值和pH值信息，管道進(jìn)、出口壓力值以及過濾器的進(jìn)、出口壓差值[1]。控制執(zhí)行系統(tǒng)的PLC接線如圖1所示。

2? 傳感器選型

2.1? 土壤節(jié)點(diǎn)傳感器選型

系統(tǒng)的土壤節(jié)點(diǎn)分別使用了土壤溫濕度傳感器ST-TR-WSEC/WS/EC/S、土壤EC值傳感器ST-TSQ-E和土壤pH值傳感器ST-TR-PH。主要參數(shù)如表1所示。

2.2? 果樹節(jié)點(diǎn)傳感器選型

系統(tǒng)果樹節(jié)點(diǎn)分別使用廣州賽通科技有限公司的環(huán)境溫濕度傳感器ST-WS-20和北京華控興業(yè)有限公司的葉面溫濕度傳感器LWS10。主要參數(shù)如表2所示，其均廣泛適用于溫室、農(nóng)田、果園等需要溫濕度監(jiān)測(cè)的場(chǎng)合。

3? 節(jié)點(diǎn)傳感器的部署與供電

3.1? 節(jié)點(diǎn)傳感器的部署

基于平面鑲嵌理論，對(duì)果園進(jìn)行分割前，首先選定了一個(gè)圓形，上述的三種形狀均為選定圓形的內(nèi)切圖形，如圖2所示，所構(gòu)成的三種部署方案如下所述。

（1）正三角形分割節(jié)點(diǎn)部署：將節(jié)點(diǎn)放置在圓的內(nèi)接正三角形的中心處，使用正三角形替代圓對(duì)果園區(qū)域進(jìn)行覆蓋，構(gòu)成正三角形分割部署。

（2）正方形分割節(jié)點(diǎn)部署：將節(jié)點(diǎn)放置在圓的內(nèi)接正方形的中心處，使用正方形替代

圓對(duì)果園區(qū)域進(jìn)行覆蓋，構(gòu)成正方形分割部署。

（3）正六邊形分割節(jié)點(diǎn)部署：將節(jié)點(diǎn)放置在圓的內(nèi)接正六邊形的中心處，使用正六邊形替代圓對(duì)果園區(qū)域進(jìn)行覆蓋，構(gòu)成正六邊形分割部署。

按照上述三種分割方案對(duì)果園進(jìn)行劃分，如圖3所示。

由圖3可以看出，按照正方形網(wǎng)格劃分進(jìn)行分割時(shí)，有效利用面積大，所需的節(jié)點(diǎn)數(shù)最少，因此進(jìn)行部署時(shí)采用正方形分割所需的土壤節(jié)點(diǎn)數(shù)最少，即網(wǎng)絡(luò)具有最優(yōu)部署，經(jīng)過優(yōu)化后的部署方案如圖4所示[3]。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，將果園分為左、中、右三個(gè)地塊，這三個(gè)地塊可以按照自身的缺水、缺肥情況進(jìn)行灌溉、施肥。

其次對(duì)于果樹節(jié)點(diǎn)，本文選擇了隨機(jī)部署的方式。在同一列果樹中隨機(jī)選擇了不相鄰的兩棵果樹進(jìn)行冠層溫濕度傳感器的部署，在其中一棵部署了冠層溫濕度傳感器的果樹的不同高度和朝向下部署了兩個(gè)葉面溫濕度傳感器。

3.2? 節(jié)點(diǎn)傳感器的無(wú)線傳輸及供電

系統(tǒng)使用成都澤耀科技有限公司的AS100DS無(wú)線傳輸模塊完成土壤溫濕度傳感器、土壤EC值傳感器、土壤pH值傳感器、果樹冠層溫濕度傳感器和果樹葉面溫濕度傳感器的無(wú)線傳輸功能[4]。AS100DS無(wú)線傳輸模塊采用GFSK調(diào)制方式無(wú)線透明數(shù)據(jù)收發(fā)，靈敏度高、傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)[5]，AS100DS無(wú)線傳輸模塊的主要參數(shù)如表3所示。

4? 結(jié)語(yǔ)

本文以西門子S7-200 smart PLC為控制系統(tǒng)核心，完成了果園水肥一體化控制系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，確定了控制系統(tǒng)信息采集模塊中各類型傳感器的選型，給出了各種傳感器在果園中的最佳部署方案，確定了果園中各傳感器的無(wú)線供電及數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸方法。

參考文獻(xiàn)

[1] 李嵩.蘋果園水肥灌溉決策控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].新疆大學(xué)，2019

[3] 劉寬，吳翠俠，吳松，等.正方形網(wǎng)格劃分的節(jié)點(diǎn)優(yōu)化部署算法[J].輕工科技，2019，35（1）：77-79，87

[4] 畢慶生，頓文濤，趙玉成，等.傳感器在農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉中的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2014（7）：69-72

[5] 張偉.果園水肥一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].華東交通大學(xué)，2017.