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摘要:隨著自動化技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中的不斷深入，自動灌溉施肥技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉中的應(yīng)用越來越廣泛，但在實際使用過程中，由于無法準(zhǔn)確獲取農(nóng)田含水量和肥料含量，容易造成水資源的浪費(fèi)及農(nóng)田肥料匱乏或過飽和，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。為此，設(shè)計了基于PLC的自動灌溉施肥監(jiān)控系統(tǒng)，對自動灌溉施肥系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行簡要分析，完成了自動灌溉施肥監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并通過硬件設(shè)計，確定了合理可靠的功能模塊，最后完成了自動灌溉施肥監(jiān)控系統(tǒng)的軟件流程設(shè)計。實際應(yīng)用表明:監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r檢測農(nóng)田的含水量和含肥量，并根據(jù)需求供給水分和肥料，確保農(nóng)田作物能夠時刻保持充足的水分和足夠的營養(yǎng)，且可在農(nóng)田缺水狀態(tài)或農(nóng)作物缺肥狀態(tài)下進(jìn)行報警。該監(jiān)控系統(tǒng)功能齊全、控制精度高，在較大程度上節(jié)約了水資源和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，提高了自動灌溉施肥效率，具有一定的推廣價值。

關(guān)鍵詞:自動化;灌溉施肥;監(jiān)控系統(tǒng);PLC;流程設(shè)計

0引言

目前，水資源日益短缺、環(huán)境污染日益嚴(yán)重，以及傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉存在許多不合理的方法，導(dǎo)致水資源利用率低，加劇了農(nóng)業(yè)水資源的短缺。隨著我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，自動化技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用不斷深入，自動灌溉施肥技術(shù)在節(jié)約水資源和農(nóng)業(yè)成本、節(jié)省勞動力和提高勞動生產(chǎn)效率方面具有較大的優(yōu)勢，成為未來現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的發(fā)展趨勢。目前許多自動灌溉施肥系統(tǒng)在肥料的配兌過程中主要依靠經(jīng)驗進(jìn)行，生產(chǎn)方式單一，受主觀因素的影響較大，存在自動化水平低、肥料配兌質(zhì)量不均及控制精度低等問題。針對現(xiàn)有灌溉施肥系統(tǒng)存在的問題，筆者進(jìn)行了自動灌溉施肥監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)，將PLC技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)引入到監(jiān)控系統(tǒng)中，結(jié)合軟硬件設(shè)計，完成了自動灌溉施肥監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。

1自動灌溉施肥系統(tǒng)工作原理

自動灌溉施肥系統(tǒng)分兩個階段完成:1)施肥前準(zhǔn)備階段。根據(jù)農(nóng)作物的營養(yǎng)需求，按照施肥配方完成所需肥料的配兌。配兌完成之后，將不同類型的肥料裝入不同的肥料容器中，可以根據(jù)實際情況加裝肥料容器。2)灌溉施肥階段。通過流量和pH值檢測，確定農(nóng)田所需水量和肥料，肥料容器內(nèi)的肥料按要求進(jìn)入混肥灌中進(jìn)行注水，開始灌溉施肥過程。系統(tǒng)通過設(shè)定時間間隔，控制肥料容器下面的電磁閥動作，然后依次循環(huán)加注肥料，再由混肥罐中的液位傳感器控制注水量，最后通過變頻肥液泵向農(nóng)田實施施肥過程。圖1為自動灌溉施肥系統(tǒng)的工作原理圖。

2系統(tǒng)總體設(shè)計

2．1功能需求

根據(jù)上述工作原理，結(jié)合實際，對自動灌溉施肥監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求進(jìn)行分析，監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該具備以下功能:1)實時參數(shù)顯示。傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過工控機(jī)處理分析后，存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，通過向數(shù)據(jù)庫服務(wù)器申請訪問數(shù)據(jù)，將采集的農(nóng)田參數(shù)實時顯示在工控機(jī)監(jiān)控終端上。2)歷史數(shù)據(jù)查詢。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器存儲大量采集數(shù)據(jù)，通過選擇起止日期及對應(yīng)傳感器，完成對任一采集模塊和任一時間段的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢和取用。3)數(shù)據(jù)動態(tài)分析。能夠生成采集數(shù)據(jù)的變化曲線，包括實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，同時根據(jù)需求進(jìn)行必要的分析，便于作業(yè)人員能夠直觀地掌握不同農(nóng)田對水量和肥料的需求量，且對后續(xù)的肥料配兌提供一定的指導(dǎo)。4)完成數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)通信。通過數(shù)據(jù)傳輸模塊完成工控機(jī)、PLC控制器和灌溉施肥執(zhí)行設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)交換。5)實現(xiàn)故障報警提示。當(dāng)農(nóng)田水量或肥料不足或過飽和時，可以向作業(yè)人員提示參數(shù)報警，便于作業(yè)人員能及時調(diào)整肥料配兌比例和灌溉水量。6)生成數(shù)據(jù)報表。監(jiān)控系統(tǒng)主界面設(shè)置有數(shù)據(jù)下載和導(dǎo)出功能。選擇起止日期，通過訪問數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，將所需的歷史數(shù)據(jù)下載至監(jiān)控終端上，便于隨時調(diào)用和分析。

2．2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)自動灌溉施肥監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求，將系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為3層，即末端執(zhí)行層、中央處理層和后臺服務(wù)層。1)末端執(zhí)行層主要包括數(shù)據(jù)采集模塊和灌溉施肥執(zhí)行設(shè)備。數(shù)據(jù)采集模塊主要包括各類傳感器、數(shù)據(jù)變送器等，負(fù)責(zé)完成對農(nóng)田水量和pH值的檢測;灌溉施肥執(zhí)行設(shè)備主要包括各類控制單元(比如電磁閥)和信號指示單元(狀態(tài)指示燈和報警指示燈等)，可以根據(jù)監(jiān)控的結(jié)果，接收中央處理器傳輸?shù)目刂菩盘?，完成灌溉施肥的智能化控制?)中央處理層主要包括工控機(jī)、PLC控制器和通信模塊。工控機(jī)接收數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的分析、處理，將數(shù)據(jù)存儲至后臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中;經(jīng)過數(shù)據(jù)通信模塊，利用RS485－232通信協(xié)議，將處理分析后的控制參數(shù)傳輸至PLC控制器中;PLC控制器根據(jù)硬件組態(tài)以及I/O接口定義，將相應(yīng)的控制參數(shù)下發(fā)至各灌溉施肥執(zhí)行設(shè)備。3)后臺服務(wù)層主要包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、區(qū)域網(wǎng)絡(luò)以及視頻服務(wù)器。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器通過以太網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)與工控機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。工控機(jī)將數(shù)據(jù)采集模塊采集的各類數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，可以隨時查看數(shù)據(jù)，并可實現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)的調(diào)用。防火墻技術(shù)的應(yīng)用則可以保證整個監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，避免系統(tǒng)因遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失、系統(tǒng)癱瘓。視頻服務(wù)器是整個系統(tǒng)的“眼睛”，通過視頻服務(wù)程序，可以對整個農(nóng)田系統(tǒng)進(jìn)行全方位監(jiān)控，能夠彌補(bǔ)因為數(shù)據(jù)采集模塊或報警模塊發(fā)生故障而引發(fā)的監(jiān)控盲區(qū)。此外，后臺服務(wù)層預(yù)留了Internet網(wǎng)絡(luò)接口，為后續(xù)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問提供了方便。

3硬件設(shè)計

3．1硬件選型

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，對系統(tǒng)硬件進(jìn)行模塊化設(shè)計。各硬件模塊選型和設(shè)計如下:1)電磁閥。電磁閥是灌溉施肥執(zhí)行設(shè)備的核心部件，用于完成系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制和操作。電磁閥在初始狀態(tài)時有常開和常閉兩種狀態(tài)，得電或斷電后會使電磁閥進(jìn)行吸合和斷開動作。通過控制工控機(jī)主界面的相關(guān)按鈕，可以完成對電磁閥狀態(tài)的控制，對農(nóng)田灌溉施肥進(jìn)行實時控制，同時通過工控機(jī)與PLC控制器的通信，完成對電磁閥開關(guān)狀態(tài)的實時監(jiān)控。2)傳感器。根據(jù)農(nóng)作物的營養(yǎng)需求和系統(tǒng)功能需求，可以選擇不同功能類型的傳感器。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊主要包括檢測農(nóng)田溫度、含水量、土壤pH值的各類傳感器，輸出電流4～20mA，或輸出直流電壓0～10V，同時預(yù)留各類環(huán)境因素檢測傳感器，如溫度、風(fēng)量、風(fēng)速等傳感器。3)通過分析監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求，分析系統(tǒng)所需輸入點有14個，控制輸出點有8個。選擇西門子S7－300系列PLC模塊，輸入輸出節(jié)點的增減可以通過對應(yīng)的數(shù)字量模塊的組合實現(xiàn)。

3．2PLC硬件接線

根據(jù)自動灌溉施肥系統(tǒng)的工作原理，需要監(jiān)控不同肥料容器的液位及農(nóng)田pH值等參數(shù)，因此PLC控制器的輸入點包括監(jiān)控系統(tǒng)啟動、停止按鈕、視頻系統(tǒng)啟動、停止按鈕、電動泵按鈕，以及各類電磁閥動作按鈕，輸出點包括輸出電磁閥所需工作電壓、閥門流量控制所需電壓等。PLC硬件接線如圖3所示。

4軟件功能設(shè)計

自動灌溉施肥監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控終端主要包括3個功能模塊，即上位機(jī)顯示模塊、下位機(jī)控制模塊以及數(shù)據(jù)通信模塊。1)上位機(jī)顯示模塊:監(jiān)控終端接收數(shù)據(jù)采集模塊采集的各類傳感器信號(水量、pH值、風(fēng)向、風(fēng)量等)，可在監(jiān)控終端的主界面上查看到自動灌溉施肥系統(tǒng)所有運(yùn)行狀態(tài)信息;通過連接數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，可以遠(yuǎn)程訪問，且可對存儲在數(shù)據(jù)庫里面的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，并通過變化曲線圖的形式顯示。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器可以設(shè)置在任何區(qū)域，通過Internet網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)取數(shù)據(jù)。此外，該模塊還包含有用戶登錄權(quán)限、用戶信息管理及系統(tǒng)設(shè)置等功能，能夠防止非專業(yè)操作人員對監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行操作，防止因產(chǎn)生誤操作引發(fā)事故。2)下位機(jī)控制模塊:主要接收來自PLC控制器的控制信號，通過工控機(jī)的數(shù)據(jù)分析、判斷，將控制參數(shù)通過PLC控制器傳輸給相應(yīng)的控制單元;通過在顯示終端的控制界面上操作不同的控制命令，從而完成對數(shù)據(jù)采集、肥料配兌、肥液泵工作以及視頻系統(tǒng)工作的遠(yuǎn)程控制;此外，還設(shè)置有手動和自動模式，通過該模塊進(jìn)行模式切換。3)數(shù)據(jù)通信模塊:主要功能包括數(shù)據(jù)庫訪問、數(shù)據(jù)傳輸以及實時報警。當(dāng)自動灌溉施肥系統(tǒng)發(fā)生故障或某一運(yùn)行參數(shù)采集的數(shù)據(jù)值偏差較大時，監(jiān)控終端會及時發(fā)出報警提示信息。圖4為監(jiān)控系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)。

5數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器是監(jiān)控系統(tǒng)重要的組成部分，用于存儲大量的采集數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)及命令。本文選用了SQLServer2008數(shù)據(jù)庫對監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲管理。1)用戶信息表，包含了4個字段，用于存儲作業(yè)人員登錄監(jiān)控系統(tǒng)時的用戶名、用戶密碼、用戶權(quán)限和登錄時間，便于后期數(shù)據(jù)查詢，如表1所示。2)監(jiān)控數(shù)據(jù)信息表，包含了4個字段，用于存儲數(shù)據(jù)采集模塊采集的相關(guān)數(shù)據(jù)，如表2所示。3)下達(dá)命令表，包含了4個字段，用于存儲作業(yè)人員向自動灌溉施肥系統(tǒng)下達(dá)的命令、時間等數(shù)據(jù)，如表3所示。

6軟件流程設(shè)計

結(jié)合系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計和軟件功能模塊，完成監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程設(shè)計啟動監(jiān)控系統(tǒng)，各功能模塊完成初始化，進(jìn)行手動/自動模式選擇，以選擇自動模式為例。打開施肥開關(guān)，各數(shù)據(jù)采集模塊開始工作，位于混肥灌內(nèi)的液位傳感器檢測混肥灌內(nèi)肥料是否充足，肥料比例配兌是否合格。若不符合，則控制肥料容器開始進(jìn)行肥料配兌，配兌完成按比例進(jìn)行混合至混肥灌;重復(fù)混肥灌液位檢測，若符合施肥條件則進(jìn)行下一步動作。由傳感器模塊采集農(nóng)田PH值，判斷農(nóng)田是否需要補(bǔ)充肥料，若不需要補(bǔ)充肥料，則直接控制施肥系統(tǒng)結(jié)束工作;若判斷需要補(bǔ)充，則控制變頻肥液泵工作，將混肥灌中的肥料加入到農(nóng)田中。灌溉施肥環(huán)節(jié)結(jié)束后，根據(jù)農(nóng)田傳感器采集的數(shù)據(jù)，判斷施肥是否充足、液位是否合格，不合格則繼續(xù)控制變頻肥液泵工作，合格則控制灌溉施肥系統(tǒng)結(jié)束工作。

7結(jié)論

在深入研究分析自動灌溉施肥系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，完成了監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案設(shè)計。結(jié)合總體方案中的各子模塊，進(jìn)行了系統(tǒng)硬件選型及PLC硬件接線，同時完成了系統(tǒng)軟件功能結(jié)構(gòu)的設(shè)計。為完成數(shù)據(jù)管理分析，進(jìn)行了數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)設(shè)計，并最終完成軟件流程的設(shè)計。該監(jiān)控系統(tǒng)可監(jiān)控自動灌溉施肥作業(yè)的全過程，并能遠(yuǎn)程控制灌溉施肥作業(yè)，還可以對作業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行視頻監(jiān)督，實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全要素管理、全時段掌控，對實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化有著重要的指導(dǎo)意義。

作者:鄭輝 單位:四川職業(yè)技術(shù)學(xué)院