陳君霞，甘文，丁欣，韋樂(lè)

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530000）

0 引言

根據(jù)《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于做好2022年全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興重點(diǎn)工作的意見(jiàn)》，為了不發(fā)生規(guī)模性返貧的情況，助推鄉(xiāng)村振興工作取得新進(jìn)展。結(jié)合本地區(qū)域經(jīng)濟(jì)特色，果園種植已經(jīng)成為農(nóng)民收入的重要經(jīng)濟(jì)支柱，是實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興的有效舉措。但是果園傳統(tǒng)的粗放型灌溉施肥方式，造成水肥消耗高、生產(chǎn)效率低、土壤板結(jié)等一系列問(wèn)題，制約了果園種植業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。水肥一體化技術(shù)在節(jié)水、節(jié)肥、省工、增效方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，是優(yōu)質(zhì)高效設(shè)施農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。因此，水肥一體化技術(shù)在果園中的推廣勢(shì)在必行。

提出了一種基于PLC技術(shù)的無(wú)線數(shù)傳水肥一體化控制系統(tǒng)。無(wú)線數(shù)傳即無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，只需在終端設(shè)備上連接無(wú)線數(shù)傳設(shè)備和架設(shè)天線就可以完成數(shù)據(jù)傳輸，省去了有線通信方式中需要大量人力和物力來(lái)安裝布線的麻煩。該系統(tǒng)能根據(jù)農(nóng)作物特點(diǎn)和土壤的狀況制定適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)的水肥一體化灌溉計(jì)劃[1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與原理分析

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。水肥一體控制系統(tǒng)以控制器為核心，主要由5大子系統(tǒng)構(gòu)成，分別是：首部系統(tǒng)、施肥系統(tǒng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、田間閥控系統(tǒng)。首部系統(tǒng)的功能是進(jìn)行清水灌溉。施肥系統(tǒng)的功能是進(jìn)行肥料的配兌、水肥耦合。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的功能是實(shí)現(xiàn)手機(jī)端的遠(yuǎn)程監(jiān)控。土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能是采集土壤的溫度、濕度、pH值、EC值信息。田間閥控系統(tǒng)的功能是根據(jù)控制器發(fā)出的指令實(shí)現(xiàn)對(duì)灌區(qū)啟動(dòng)灌溉或停止灌溉。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

水肥一體控制系統(tǒng)工作模式分為手動(dòng)控制、自動(dòng)控制。當(dāng)進(jìn)行手動(dòng)控制時(shí)，人為操作現(xiàn)場(chǎng)的控制按鈕或者操作手機(jī)端控制界面，就可以進(jìn)行水泵、閥門(mén)等設(shè)備的啟動(dòng)或停止，完成手動(dòng)清水灌溉或者水肥一體灌溉。當(dāng)進(jìn)行自動(dòng)控制時(shí)，土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)把采集到的土壤墑情信息通過(guò)無(wú)線數(shù)傳模塊傳送給控制器，并與設(shè)定值進(jìn)行比較。當(dāng)土壤濕度低于下限時(shí)，執(zhí)行灌溉決策：?jiǎn)?dòng)抽水泵、打開(kāi)灌溉總閥、打開(kāi)田間電磁閥，進(jìn)行清水灌溉；通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)管道的壓力，控制變頻器的輸出頻率保證恒壓供水；當(dāng)土壤濕度高于上限時(shí)，停止灌溉。當(dāng)采集到土壤的pH值、EC值不足時(shí)，根據(jù)果園作物種類(lèi)、作物生長(zhǎng)階段、用戶需求等信息，執(zhí)行施肥決策：注入一定量的清水與肥料進(jìn)行配兌，通過(guò)啟動(dòng)攪拌機(jī)使肥料稀釋均勻，混肥罐中配兌出的肥料符合pH值、EC徝要求時(shí)，啟動(dòng)施肥泵、打開(kāi)施肥閥門(mén)，實(shí)現(xiàn)水肥耦合。為了避免在高溫的中午進(jìn)行灌溉，執(zhí)行灌溉決策時(shí)還需要對(duì)土壤的溫度進(jìn)行比較，選擇在溫度較低的早晨或傍晚進(jìn)行灌溉。

2 關(guān)鍵硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件關(guān)鍵技術(shù)在于：利用無(wú)線技術(shù)采集土壤墑情信息、進(jìn)行田間電磁閥的控制；進(jìn)行水肥一體系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 關(guān)鍵硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器

控制器為水肥一體化控制系統(tǒng)的核心器件，本系統(tǒng)采用西門(mén)子S7-200 SMART PLC為控制器，如圖2所示。CPU模塊標(biāo)配以太網(wǎng)接口，省去了專用編程電纜的麻煩。通過(guò)以太網(wǎng)接口可與觸摸屏等進(jìn)行通信，其輕松的組網(wǎng)方式，為實(shí)現(xiàn)水肥一體系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控奠定基礎(chǔ)。S7-200 SMART自帶1個(gè)RS485接口，該接口與無(wú)線數(shù)傳模塊的RS485A、B端相接，通過(guò)對(duì)PLC軟件的Modbus RTU通信編程，就可以實(shí)現(xiàn)與無(wú)線數(shù)傳模塊的通信。

2.2 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備

為了省去田間遠(yuǎn)距離布線的麻煩，本系統(tǒng)采用了無(wú)線數(shù)傳模塊采集土壤墑情信息和進(jìn)行田間電磁閥的控制。本系統(tǒng)無(wú)線數(shù)傳模塊采用的型號(hào)是YL-500D。YL500D具有體積小、接收靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、功耗小、距離遠(yuǎn)、傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)，使用簡(jiǎn)單方便，該模塊支持RS485通信接口，非常適合各類(lèi)串口設(shè)備代替有線通信。YL500D模塊可進(jìn)行一對(duì)一的無(wú)線數(shù)據(jù)通信，一塊無(wú)線數(shù)傳模塊通過(guò)RS485的A、B端在機(jī)房連接PLC，另一塊無(wú)線數(shù)傳模塊在田間通過(guò)RS485的A、B端連接土壤墑情傳感器和繼電器控制模塊，如圖2所示。

為了實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)傳技術(shù)對(duì)田間電磁閥的控制，田間閥控系統(tǒng)選擇支持RS485通信方式的繼電器控制模塊ZZ-IO4O4D，如圖2所示。ZZ-IO404D模塊的OUT1～OUT4為四路繼電器輸出端，本系統(tǒng)將OUT1的常開(kāi)端子連接外置繼電器KA線圈的負(fù)極，KA線圈的正極接24VDC的正極。田間電磁閥控制原理：PLC寫(xiě)數(shù)據(jù)并通過(guò)無(wú)線數(shù)傳模塊發(fā)送給ZZIO4O4D，使OUT1的常開(kāi)端子接通，則KA線圈得電導(dǎo)通。這時(shí)，KA的常開(kāi)觸點(diǎn)導(dǎo)通，田間電磁閥YV導(dǎo)通，進(jìn)行田間灌溉。停止田間灌溉的控制方式相同，PLC只需要給OUT1端寫(xiě)一個(gè)斷開(kāi)的控制指令即可。

土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了RS485輸出的土壤綜合傳感器YDBS-3001-TR，一個(gè)傳感器可同時(shí)測(cè)量土壤溫度、濕度、pH值、EC值的信息。YDBS-3001-TR優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量精度可達(dá)到3%以內(nèi)；不會(huì)隨時(shí)間的變化而產(chǎn)生漂移；除結(jié)合部分外整個(gè)機(jī)身做了防水防塵處理。土壤墑情信息采集原理：PLC通過(guò)無(wú)線數(shù)傳模塊發(fā)送讀數(shù)據(jù)的指令，通過(guò)讀取不同的寄存器來(lái)獲取不同的墑情信息。

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，觸摸屏選型時(shí)，要求能滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控的要求：能使用手機(jī)等監(jiān)控設(shè)備對(duì)水肥一體化系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。本系統(tǒng)的觸摸屏選用威綸通cMT-SVR-200。cMT-SVR-200人機(jī)本體無(wú)屏幕的設(shè)計(jì)，可以直接將觸摸屏安裝于控制箱中，免除了屏幕耗損的顧慮；即便現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備上需要屏幕顯示時(shí)，也只需安裝一臺(tái)cMT-iV5即可。cMT-SVR-200支持威綸通的EasyAccess 2.0平臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控，可遠(yuǎn)程存取人機(jī)信息或進(jìn)行PLC穿透工作。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括PLC程序設(shè)計(jì)和遠(yuǎn)程監(jiān)控界面設(shè)計(jì)兩部分。

3.1 PLC主程序設(shè)計(jì)

主程序分為自動(dòng)控制和手動(dòng)控制，如圖3所示。

圖3 主程序流程

自動(dòng)控制程序根據(jù)土壤濕度變送器的采集信息決定是否要執(zhí)行自動(dòng)灌溉施肥程序。通過(guò)控制抽水泵的電機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁閥的開(kāi)合進(jìn)行清水灌溉。需要水肥一體灌溉時(shí)，如果混肥罐中配兌出的肥料符合pH值、EC徝，則啟動(dòng)施肥泵、施肥閥門(mén)，進(jìn)行水肥耦合。當(dāng)土壤濕度高于設(shè)定參數(shù)后自動(dòng)停止灌溉施肥。

手動(dòng)控制程序中，用戶參考系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的狀態(tài)參數(shù)、結(jié)合實(shí)際需求控制輸出設(shè)備動(dòng)作，用戶可以隨時(shí)開(kāi)啟或停止輸出設(shè)備的動(dòng)作，輸出設(shè)備之間的動(dòng)作不存在條件關(guān)聯(lián)[2]。

3.2 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計(jì)

S7-200 SMART Modbus從站的數(shù)量最多為32個(gè)，各RS485設(shè)備均為PLC的從站。參與無(wú)線數(shù)傳的RS485設(shè)備的地址必須各不相同，在進(jìn)行編程設(shè)計(jì)前要確認(rèn)或修改好RS485設(shè)備的地址。

PLC主站將采用輪詢的方式訪問(wèn)從站，輪詢前主站要進(jìn)行初始化設(shè)置，MBUS_CTRL指令用于初始化主站通信[3]。MBUS_MSG用于啟動(dòng)對(duì)Modbus從站的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)發(fā)送請(qǐng)求。例如，需要采集土壤墑情信息時(shí)，要進(jìn)行讀數(shù)據(jù)，如圖4所示。Slave：從站地址；RW：讀寫(xiě)操作設(shè)置，0表示讀，1表示寫(xiě)，現(xiàn)設(shè)置RW=0，則PLC讀取土壤墑情從站數(shù)據(jù)。如果要控制田間電磁閥，則PLC需向從站發(fā)送數(shù)據(jù)，這時(shí)RW=1；Addr為起始的MODBUS寄存器地址，此地址使用時(shí)一定要正確編寫(xiě)；Count：讀寫(xiě)的格式，表示從Addr這個(gè)地址開(kāi)始的連續(xù)多少個(gè)地址進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。DataPtr：讀寫(xiě)數(shù)據(jù)存放的地址，使用指針的方式表示，實(shí)際地址以十六位的方式表示，現(xiàn)將采集到的土壤墑情數(shù)據(jù)存放在VW2000寄存器中。Done：完成位。當(dāng)執(zhí)行完成后，該為位1，因此當(dāng)出現(xiàn)需要使用多個(gè)MBUS_MSG指令是，可以使用每個(gè)指令的Done來(lái)實(shí)現(xiàn)輪詢的功能。

圖4 讀取從站數(shù)據(jù)

3.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程監(jiān)控界面使用EBpro軟件來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。利用威綸云平臺(tái)的EasyAccess 2.0進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。遠(yuǎn)程監(jiān)控界面設(shè)計(jì)包括：手動(dòng)控制界面、自動(dòng)控制界面、歷史數(shù)據(jù)查詢界面等。以手動(dòng)控制界面為例，該界面設(shè)計(jì)了系統(tǒng)中輸出設(shè)備的控制按鈕和指示燈，如圖5所示。當(dāng)用戶按下輸出設(shè)備的接通按鈕，輸出設(shè)備打開(kāi)，對(duì)應(yīng)指示燈點(diǎn)亮；當(dāng)用戶按下輸出設(shè)備的關(guān)閉按鈕，輸出設(shè)備關(guān)閉，對(duì)應(yīng)指示燈熄滅。用戶通過(guò)點(diǎn)擊返回首頁(yè)按鈕，返回首頁(yè)操作界面[2]。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)用手機(jī)端進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控時(shí)，通過(guò)改變濕度設(shè)定值模擬果樹(shù)不同生長(zhǎng)周期的需水特點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，無(wú)線信號(hào)接收良好，灌溉濕度能滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)改變管網(wǎng)設(shè)定壓力進(jìn)行試驗(yàn)，變頻器均能進(jìn)行自調(diào)整，保證水壓的穩(wěn)定控制[4]。

根據(jù)果園的灌溉需求，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了基于PLC技術(shù)的無(wú)線數(shù)傳水肥一體化系統(tǒng)。本系統(tǒng)使用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，使安裝布線更方便；使用移動(dòng)端的遠(yuǎn)程控制，使農(nóng)業(yè)管理更方便；系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、歷史數(shù)據(jù)報(bào)表查詢等功能，為農(nóng)作物產(chǎn)量參數(shù)的研究提供依據(jù)，具有較強(qiáng)的應(yīng)用前景[5]。