基于可编程序控制器的水肥一体灌溉系统的设计

晁阳，余娜，卿笛，黄林刚

(1.杨凌职业技术学院 机电分院，陕西 杨凌 712100;2.西安市科技交流中心，陕西 西安 710000)

0 前 言

施肥灌溉是农业增产增收的关键因素，在作物生长中扮演着极其重要的角色[1]。在设施农业种植中，水肥一体化设备可以自动将水和营养液进行混合，并对农作物进行灌溉，极大满足农作物生长需求[2]，起到明显增产增收效果。

然而我国西北广大地区目前农业设施推广仍不普及，市面上现有的水肥一体化设施成本昂贵，农户使用意愿不强，仍普遍采用传统粗放型灌溉模式。该方式造成肥料利用率低、土壤养分极大失衡和盐渍化严重等问题[3-5]。因此，设计一款价格合理、使用方便、功能够用和性能良好的水肥一体灌溉系统可以极大推动设施在西北地区中小型温室大棚种植行业的普及和发展[6]，增加中小大棚种植户的收益。

1 系统整体设计

系统由控制器、传感器、过滤器、水泵和施肥泵等元器件组成，包含灌溉和施肥灌溉两种功能，具有自动、手动和停止三种模式[7]，运用三位转换开关进行模式切换。

在自动模式下，系统终端传感器对温室内土壤湿度及电导率进行实时监测[8-9]。当土壤需要施肥时，系统发出报警并开启灌溉施肥模式，灌溉施肥指示灯点亮，驱动施肥泵将事先配好的营养液通过阀门引入管道，通过滴灌设备对土壤进行施肥灌溉。当土壤电导率达到设定值时，施肥灌溉模式停止，对应指示灯熄灭。之后，系统检测土壤是否缺水，如果此时土壤含水量也已达到设定值，系统停止；如果此时土壤含水量仍不能达到设定值，则启动灌溉模式，驱动灌溉泵运行对作物进行滴灌，同时对应指示灯开启，直到土壤含水量达标后系统停止。系统也可对当前土壤含水量进行单独检测。当传感器检测到土壤缺水时，系统发出缺水报警，开启灌溉模式，驱动灌溉泵运行将灌溉用水引入管道，对作物进行滴灌；当土壤含水量达到设定值时，灌溉模式停止，从而实现对作物的自动灌溉和无人值守[9]。在手动模式下，工作人员可以按照经验或作物实际情况手动进行灌溉或施肥灌溉，也可进行系统停机检修后的调试和维护[10]。此外，系统还具有实时显示、声光报警、键盘调节和数据存储等功能，工作人员可以实时掌握并调节土壤数据，满足各种作物生长需求，系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

2 硬件设计

2.1 控制器

系统核心控制器采用三菱FX2N-32MR型可编程序控制器(PLC)，PLC是三菱公司推出的高性能小型可编程控制器。它使用梯形图作为逻辑编程语言，简单方便。内部有32点I/O接口、1～100 ms定时器256位、8 K步EEPROM程序容量、128点16位数据寄存器以及128点指针6点中断等。其结构紧凑、性能稳定，具有较高的性能价格比，因而在市面上使用较为广泛。

2.2 土壤湿度传感器

系统对土壤湿度的检测主要采用土壤水分传感器。该传感器的主要优势：表面采用镀镍处理、导电性能大幅提高、耐腐蚀性强和使用寿命长；低电压、低功耗和测量精度高；可以在较宽的范围内测量土壤湿度；可承受1 500 W的负载。通过电位器调节响应阀值，满足大多数农产品种植场景的需求。土壤湿度传感器如图2所示。

图2 土壤湿度传感器

2.3 土壤电导率传感器

PR-3000-ECH-I20型土壤电导率传感器通过测量土壤中介电常数，从而检测土壤水分和土壤中氮、磷和钾等盐离子电导率。该产品优点为：精度高、响应快和耐酸碱腐蚀，探针式设计保证测量精度；可埋入土壤或直接投入水中进行长期动态检测，电极采用特殊处理的合金材料；可承受较强的外力冲击，不易损坏。输出信号为标准的4～20 mA电流。

需要注意的是插地测量时，应避开石块，确保钢针不会碰到坚硬的物体，按照所需测量深度抛开表层土，保持下面土壤原有的松紧程度，将传感器垂直插入土壤，插入时不可左右晃动。埋地测量时，垂直挖直径>20 cm的坑，按照测量需要，在既定的深度将传感器钢针水平插入坑壁，将坑填埋严实。稳定一段时间后，即可进行连续数天、数月乃至更长时间的测量和记录。两种测量方法如图3所示。

图3 插地测量和埋地测量示意图

2.4 滴灌系统

滴灌系统采用两台潜水泵作为动力原件，潜水泵的启停由中间继电器控制，中间继电器接收PLC输出信号进行开启或关闭。滴灌管路布设应根据所栽培作物的株间距合理安排，采用聚丙烯插入式滴水器插入作物根部附近较深位置，并合理调节水滴速度。

2.5 报警系统

报警系统采用蜂鸣器和指示灯完成，指示灯兼具模式指示功能。当电源上电后，绿色指示灯点亮；当系统运行时，绿色指示灯熄灭，红色指示灯点亮，同时手动或自动模式对应的指示灯亮，以显示当前运行的模式；当土壤缺水或缺肥时，蜂鸣器响起，同时对应的黄色指示灯闪烁。系统处于灌溉或施肥灌溉时，对应的指示灯点亮，手动控制时，单独启动施肥或灌溉施肥功能也可将对应的指示灯点亮。

3 软件设计

系统分为停止、手动和自动三种运行模式。手动模式用于系统安装、调试、维护检修及作物特定状态下的灌溉。在手动模式中，工作人员先将转换开关旋转至手动模式，之后按下灌溉启动按钮，系统将进行灌溉动作；按下灌溉施肥按钮，系统将进行灌溉施肥动作，直到操作人员按下停止按钮，系统停止动作，灌溉或灌溉施肥动作停止。在自动模式中，工作人员只需将转换开关旋转至自动模式，系统首先进行初始化动作，之后土壤电导率传感器将自动检测土壤肥力，并将其转化为电信号传送给PLC的输入端。PLC将该电信号不断与设定值进行对比，若土壤肥力在设定值上下限之内，系统进行下一步，对土壤湿度进行检测；若土壤湿度也在设定值上下限之内，系统返回初始值并进行下一周期工作；若土壤肥力低于设定的下限值时，对应的报警系统动作，提示工作人员土壤处于缺肥模式，同时系统开启灌溉施肥模式，直到土壤肥力到达设定上限值，灌溉施肥模式停止，报警系统停止动作；之后系统进行下一步工作，通过土壤湿度传感器检测土壤干湿度，并将其转换为电信号传入PLC，此时控制器将该电信号与设定值不断进行比较，若土壤湿度数值在预先设定的上下线阀值区间内，系统返回初始化并重新检测，若土壤湿度或土壤电导率低于设定下限值，对应的报警系统动作，同时系统将开启灌溉模式，直到土壤湿度到达设定上限值，系统工作结束。系统流程如图4所示。

图4 系统流程图

4 试验及结果分析

为了检测系统稳定性、有效性及精度是否满足需求，选择杨凌农业示范区一所番茄种植大棚进行系统测试。系统工作在自动模式下，同时工作人员用手持移动式工具对土壤湿度及土壤电导率进行检测，并记录系统工作时土壤的实际值是否符合系统预设值，最后将系统自动测量值与人工测量值进行对比并计算误差。检测结果如表1所示。试验结果表明，该系统对土壤电导率及土壤湿度的测量与实际测量误差极小，系统运行稳定可靠。

表1 土壤湿度与电导率测试数据

5 结束语

本文设计的水肥一体灌溉系统以PLC为核心控制器[11]，将传感技术、自动控制技术等科学技术与农业生产相结合，有效提高了设施农业种植灌溉的肥水使用效率。制作开发周期较短、功能够用、价格低廉和操作简便，能够满足中小型设施农业种植灌溉的自动控制和无人值守。经过样机制作和测试检验，系统运行较为稳定，具有广阔的推广价值。