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摘要：
通过结合PLC技术、触摸屏技术和传感器技术，研究设计了一种基于PLC的智能灌溉施肥机，解决了施肥问题，提高了水肥利用率，减少了对环境的不利影响。同时，实现了按需灌溉施肥的精确控制，为农业生产的标准化、自动化和集约化发展提供了必要的保证。
关键词：
PLC;按需灌溉;精准控制;施肥机
中图分类号：S22422
文献标识码：A
DOI：1019754/jnyyjs20200630015
引言
智能灌溉和施肥技术是结合养分溶液和灌溉的自动分配的现代农业技术。营养液分配的准确性会影响农作物的养分供应，灌溉量会影响农作物水分的供应，精确控制施肥量、灌溉量和施肥时间，不仅可以有效提高农作物的质量和产量[1-3]，还可以提高水肥资源利用率，节约资源，减少环境污染。
目前，我国的园艺保护面积已达3627万hm2，占世界总面积的85%以上[4-6]。在各种温室中，自动灌溉和施肥的应用已变得越来越普遍，同时自动灌溉和施肥技术在田间栽培物种中的使用也在增加。由于不同作物或同一作物不同生长期的营养液浓度是动态变化的，因此现有的灌溉和施肥系统很难满足生产要求[7-10]。本文设計了一种智能化灌溉施肥机，其包含4个营养液通道和1个酸液控制通道，可以实现对在线监测系统和肥液流量智能控制，从而实现精确地灌溉和施肥。
1系统总体设计
智能化灌溉施肥机主要由2个水泵，1个流量调节阀，1个储肥装置，1套智能控制系统和若干输送管道等组成，也可以根据用户的特殊需要进行相应地定制，如图1所示。施肥控制器根据EC/pH传感器反馈的参数和用户设置值，调节电磁阀的开度，使得流量调节阀的肥液吸收率达到预设值，从而实现精确地肥液分配。灌溉控制器通过用户设定的预期值与土壤水分传感器采集到的数据进行对比，当土壤水分传感器数值到达预设值下限，灌溉控制器指令灌溉泵的开启，当土壤水分传感器数值到达预设值上限，灌溉控制器指令灌溉泵的闭合。
2配肥与灌溉系统设计
21配肥系统
肥液分配系统主要包括施肥管路、电磁阀、肥液罐、流量调节阀和施肥控制单元。该系统可以根据作物的不同需求进行相应的初始参数设置。智能灌溉施肥机配有4个肥液储存罐，可以添加不同的肥液。每个肥液储罐都有1个独立的流量调节阀和1个通向主管道的电磁阀。肥料通过混合泵和调节阀送到混合罐，将肥料均匀混合。该系统配备了EC值和pH值检测功能，可根据植物的不同需求，完成不同比例的灌溉施肥。在水肥混合计时模式下工作时，先设置EC值或pH值目标值，然后在参数设置项中选择EC或pH上下限阈值，选择灌溉泵—灌溉时间—混合泵—肥料罐—施肥时间—灌溉渠道，选择完成后启动设备，以完成施肥操作。
22灌溉系统
灌溉系统主要包括灌溉管路、电磁阀、灌溉泵和灌溉控制单元。当需要给作物进行补水时，可以开启智能化的按需灌溉模式，也可以开启实现常规手动操作模式。在常规模式下，仅需在参数设置项目中打开灌溉泵和灌溉通道选择项，即可实现对灌溉的手动控制（其它无需打开）。除了手动模式的选择参数外，还可以将计时模式设置为灌溉时间，以实现计时灌溉。
3检测与控制系统设计
31检测系统
土壤水分传感装置、EC传感器、pH传感器、无线网络和A/D转换模块构成了灌溉施肥机的检测系统。由于作物区安置的土壤水分传感器距离灌溉施肥机的控制单元比较远，因此选用无线传感器配合ZigBee协议组成无线网络节点，控制单元接收到远端土壤水分传感器采集的信号进行数据分析对比，然后再对整个灌溉施肥系统的执行机构发出指令。本检测系统还配备了2套EC/pH传感器进行测试营养液的浓度和酸度，1个作为系统控制信号，1个作为监视信号。
32控制系统
控制系统由电气控制系统和智能控制器2部分组成，用于灌溉施肥机工作过程的自动控制。MCU控制器主芯片选用STC8A4K32S2A12超高速8051单片机，其具有超强抗干扰、超低价、高速、低功耗等特点。系统输入包含4路光电隔离开关量输入，2路12位4-20mA/0-5V模拟量采集，2路4-20mA/0-5V模拟量输出，12路10A继电器无源输出，2路RS485标准接口。通过MCU的RS485与触摸屏HMI进行通讯，触摸屏用来显示EC/pH值，水泵、电磁阀、调节阀运行状态，可以动画直观显示管网运行图，并将设置参数、运行指令传给MCU，由MCU根据运行条件来启动相应的水泵和控制电磁阀的动作，也可根据EC/pH值的控制调节阀来控制营养液浓度和酸碱度。具体电气原理主控如图2所示。
4软件设计
41PLC编程
PLC编程采用触摸屏自带的编程软件。程序主要功能包括：系统启动后，用户可以选择2种工作模式，手动模式、自动模式;能够实时显示监测到的土壤湿度、EC/pH、压力等参数，一旦EC/pH参数值超出预期用户设定的上下限阈值会出现预警提示。在灌溉施肥机处于自动模式工作状态下，系统会根据传感器检测参数反馈的信号和用户设定值进行分析比对，最后判定系统做出是否开启灌溉模式或者施肥模式;在灌溉施肥机处于手动模式工作状态下，系统可以进行灌溉、施肥操作以及设置灌溉周期、施肥量和灌溉施肥通道的选择控制。
42人机界面设计
在触摸屏上用Photoshop软件绘制和处理功能性任务逻辑屏幕;利用其组态软件对触摸界面的触摸工作关系进行配置，生成1个组态文件;将组态文件下载到可以进行测试和修改的触摸屏的终端，使用户计划监测到参数能够和屏幕上的变量相匹配，同时得到设备和控制设备的逻辑程序设置。在操作系统中嵌入的任务通过LPC2387串口与液晶触摸屏通信。外部设备收集的数据将被正常工作的逻辑模块进行处理，并转换实时显示在触摸屏上。其可以负责数据显示和修改，如图3所示。 人机界面主要包括：检测参数设置模块，主要设置EC值和pH值、压力参数;灌溉施肥模块，可以选择灌溉、施肥或者灌溉施肥同时进行，以及灌溉施肥通道的参数设置等;主控制接口模块，实时显示EC/pH检测值、压力、手动自动模式的选择和灌溉施肥周期的选择等;报警设置模块，设置EC值和pH值上下限，可以自动进行阈值预警。
5展望
本文以温室中的精确灌溉和施肥系统为研究对象，应用到当前在生产中的常规做法收集EC和pH值，从而间接判断作物的水肥供应。最科学的水肥管理目标应该是哪里的农作物缺水就补给相应的水量，哪里的农作物缺肥就补给相应的肥量，但这需要能够准确检测出作物中水分和肥料的流失情况。解决此问题的方法是进行生理学研究，研发出可直接测量农作物生理参数的传感器监控设备，并将间接测量改为直接测量，进而为作物的水肥控制精准化提供技术支持。
参考文献
[1]
李清明，邹志荣.不同灌溉上限对温室黄瓜初花期生长动态、产量及品质的影响[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2005，33（4）：47-51，56.
[2]陈小彬.水肥一体化技术在设施农业中的应用调查[D].福州：福建农林大学，2014.
[3]张玉龙.保护地土壤水分管理及其土壤退化防治技术研究进展与展望[J].沈阳农业大学学报，2004，35（5）：11-16.
[4]郭世荣，孙锦，束胜，等.我国设施园艺概况及发展趋势[J].中国蔬菜，2012（18）：1-14.
[5]魏灵玲，杨其长，汪晓云，等.多功能水耕栽培裝置营养液自控系统的研制及应用效果[J].农业工程学报，2008（11）：230-233.
[6]李凯，毛罕平，李百军.实时施肥灌溉自动控制系统的研制[J].江苏理工大学学报（自然科学版），2001，22（01）：12-15，78.
[7]杨仁全，杨春园，吴松，等.精密施肥机的设计与应用[C].中国农业工程学会、中国农业大学、北京农业工程学会.2008农业生物环境与能源工程国际论坛论文集.中国农业工程学会、中国农业大学、北京农业工程学会：中国农业工程学会，2008：114-117.
[8]吴玉发.水肥一体化自动精准灌溉施肥设施技术的研究和实现[J].现代农业装备，2013（04）：46-48.
[9]邹升，毛罕平，左志宇.基于VB的灌溉施肥机上位机软件系统设计[J].安徽农业科学，2011，39（07）：4237-4240.
[10]张琼，赵春江，王成，等.基于ARM处理器的自动灌溉施肥数据采集控制系统（英文）[J].农业工程学报，2008，（S2）：44-49.
（责任编辑周康）
通过结合PLC技术、触摸屏技术和传感器技术，研究设计了一种基于PLC的智能灌溉施肥机，解决了施肥问题，提高了水肥利用率，减少了对环境的不利影响。同时，实现了按需灌溉施肥的精确控制，为农业生产的标准化、自动化和集约化发展提供了必要的保证。
关键词：
PLC;按需灌溉;精准控制;施肥机
中图分类号：S22422
文献标识码：A
DOI：1019754/jnyyjs20200630015
引言
智能灌溉和施肥技术是结合养分溶液和灌溉的自动分配的现代农业技术。营养液分配的准确性会影响农作物的养分供应，灌溉量会影响农作物水分的供应，精确控制施肥量、灌溉量和施肥时间，不仅可以有效提高农作物的质量和产量[1-3]，还可以提高水肥资源利用率，节约资源，减少环境污染。
目前，我国的园艺保护面积已达3627万hm2，占世界总面积的85%以上[4-6]。在各种温室中，自动灌溉和施肥的应用已变得越来越普遍，同时自动灌溉和施肥技术在田间栽培物种中的使用也在增加。由于不同作物或同一作物不同生长期的营养液浓度是动态变化的，因此现有的灌溉和施肥系统很难满足生产要求[7-10]。本文设計了一种智能化灌溉施肥机，其包含4个营养液通道和1个酸液控制通道，可以实现对在线监测系统和肥液流量智能控制，从而实现精确地灌溉和施肥。
1系统总体设计
智能化灌溉施肥机主要由2个水泵，1个流量调节阀，1个储肥装置，1套智能控制系统和若干输送管道等组成，也可以根据用户的特殊需要进行相应地定制，如图1所示。施肥控制器根据EC/pH传感器反馈的参数和用户设置值，调节电磁阀的开度，使得流量调节阀的肥液吸收率达到预设值，从而实现精确地肥液分配。灌溉控制器通过用户设定的预期值与土壤水分传感器采集到的数据进行对比，当土壤水分传感器数值到达预设值下限，灌溉控制器指令灌溉泵的开启，当土壤水分传感器数值到达预设值上限，灌溉控制器指令灌溉泵的闭合。
2配肥与灌溉系统设计
21配肥系统
肥液分配系统主要包括施肥管路、电磁阀、肥液罐、流量调节阀和施肥控制单元。该系统可以根据作物的不同需求进行相应的初始参数设置。智能灌溉施肥机配有4个肥液储存罐，可以添加不同的肥液。每个肥液储罐都有1个独立的流量调节阀和1个通向主管道的电磁阀。肥料通过混合泵和调节阀送到混合罐，将肥料均匀混合。该系统配备了EC值和pH值检测功能，可根据植物的不同需求，完成不同比例的灌溉施肥。在水肥混合计时模式下工作时，先设置EC值或pH值目标值，然后在参数设置项中选择EC或pH上下限阈值，选择灌溉泵—灌溉时间—混合泵—肥料罐—施肥时间—灌溉渠道，选择完成后启动设备，以完成施肥操作。
22灌溉系统
灌溉系统主要包括灌溉管路、电磁阀、灌溉泵和灌溉控制单元。当需要给作物进行补水时，可以开启智能化的按需灌溉模式，也可以开启实现常规手动操作模式。在常规模式下，仅需在参数设置项目中打开灌溉泵和灌溉通道选择项，即可实现对灌溉的手动控制（其它无需打开）。除了手动模式的选择参数外，还可以将计时模式设置为灌溉时间，以实现计时灌溉。
3检测与控制系统设计
31检测系统
土壤水分传感装置、EC传感器、pH传感器、无线网络和A/D转换模块构成了灌溉施肥机的检测系统。由于作物区安置的土壤水分传感器距离灌溉施肥机的控制单元比较远，因此选用无线传感器配合ZigBee协议组成无线网络节点，控制单元接收到远端土壤水分传感器采集的信号进行数据分析对比，然后再对整个灌溉施肥系统的执行机构发出指令。本检测系统还配备了2套EC/pH传感器进行测试营养液的浓度和酸度，1个作为系统控制信号，1个作为监视信号。
32控制系统
控制系统由电气控制系统和智能控制器2部分组成，用于灌溉施肥机工作过程的自动控制。MCU控制器主芯片选用STC8A4K32S2A12超高速8051单片机，其具有超强抗干扰、超低价、高速、低功耗等特点。系统输入包含4路光电隔离开关量输入，2路12位4-20mA/0-5V模拟量采集，2路4-20mA/0-5V模拟量输出，12路10A继电器无源输出，2路RS485标准接口。通过MCU的RS485与触摸屏HMI进行通讯，触摸屏用来显示EC/pH值，水泵、电磁阀、调节阀运行状态，可以动画直观显示管网运行图，并将设置参数、运行指令传给MCU，由MCU根据运行条件来启动相应的水泵和控制电磁阀的动作，也可根据EC/pH值的控制调节阀来控制营养液浓度和酸碱度。具体电气原理主控如图2所示。
4软件设计
41PLC编程
PLC编程采用触摸屏自带的编程软件。程序主要功能包括：系统启动后，用户可以选择2种工作模式，手动模式、自动模式;能够实时显示监测到的土壤湿度、EC/pH、压力等参数，一旦EC/pH参数值超出预期用户设定的上下限阈值会出现预警提示。在灌溉施肥机处于自动模式工作状态下，系统会根据传感器检测参数反馈的信号和用户设定值进行分析比对，最后判定系统做出是否开启灌溉模式或者施肥模式;在灌溉施肥机处于手动模式工作状态下，系统可以进行灌溉、施肥操作以及设置灌溉周期、施肥量和灌溉施肥通道的选择控制。
42人机界面设计
在触摸屏上用Photoshop软件绘制和处理功能性任务逻辑屏幕;利用其组态软件对触摸界面的触摸工作关系进行配置，生成1个组态文件;将组态文件下载到可以进行测试和修改的触摸屏的终端，使用户计划监测到参数能够和屏幕上的变量相匹配，同时得到设备和控制设备的逻辑程序设置。在操作系统中嵌入的任务通过LPC2387串口与液晶触摸屏通信。外部设备收集的数据将被正常工作的逻辑模块进行处理，并转换实时显示在触摸屏上。其可以负责数据显示和修改，如图3所示。 人机界面主要包括：检测参数设置模块，主要设置EC值和pH值、压力参数;灌溉施肥模块，可以选择灌溉、施肥或者灌溉施肥同时进行，以及灌溉施肥通道的参数设置等;主控制接口模块，实时显示EC/pH检测值、压力、手动自动模式的选择和灌溉施肥周期的选择等;报警设置模块，设置EC值和pH值上下限，可以自动进行阈值预警。
5展望
本文以温室中的精确灌溉和施肥系统为研究对象，应用到当前在生产中的常规做法收集EC和pH值，从而间接判断作物的水肥供应。最科学的水肥管理目标应该是哪里的农作物缺水就补给相应的水量，哪里的农作物缺肥就补给相应的肥量，但这需要能够准确检测出作物中水分和肥料的流失情况。解决此问题的方法是进行生理学研究，研发出可直接测量农作物生理参数的传感器监控设备，并将间接测量改为直接测量，进而为作物的水肥控制精准化提供技术支持。
参考文献
[1]
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（责任编辑周康）