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摘要:隨著自動化技術在農業生產應用中的不斷深入，自動灌溉施肥技術在農業灌溉中的應用越來越廣泛，但在實際使用過程中，由于無法準確獲取農田含水量和肥料含量，容易造成水資源的浪費及農田肥料匱乏或過飽和，影響農業生產。為此，設計了基于PLC的自動灌溉施肥監控系統，對自動灌溉施肥系統的工作原理進行簡要分析，完成了自動灌溉施肥監控系統總體結構的設計，并通過硬件設計，確定了合理可靠的功能模塊，最后完成了自動灌溉施肥監控系統的軟件流程設計。實際應用表明:監控系統能夠實時檢測農田的含水量和含肥量，并根據需求供給水分和肥料，確保農田作物能夠時刻保持充足的水分和足夠的營養，且可在農田缺水狀態或農作物缺肥狀態下進行報警。該監控系統功能齊全、控制精度高，在較大程度上節約了水資源和農業生產成本，提高了自動灌溉施肥效率，具有一定的推廣價值。
關鍵詞:自動化;灌溉施肥;監控系統;PLC;流程設計
0引言
目前，水資源日益短缺、環境污染日益嚴重，以及傳統農業灌溉存在許多不合理的方法，導致水資源利用率低，加劇了農業水資源的短缺。隨著我國農業現代化進程的推進，自動化技術在農業生產中的應用不斷深入，自動灌溉施肥技術在節約水資源和農業成本、節省勞動力和提高勞動生產效率方面具有較大的優勢，成為未來現代化農業生產方式的發展趨勢。目前許多自動灌溉施肥系統在肥料的配兌過程中主要依靠經驗進行，生產方式單一，受主觀因素的影響較大，存在自動化水平低、肥料配兌質量不均及控制精度低等問題。針對現有灌溉施肥系統存在的問題，筆者進行了自動灌溉施肥監控系統的設計開發，將PLC技術和數據庫技術引入到監控系統中，結合軟硬件設計，完成了自動灌溉施肥監控系統的設計。
1自動灌溉施肥系統工作原理
自動灌溉施肥系統分兩個階段完成:1)施肥前準備階段。根據農作物的營養需求，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，確定農田所需水量和肥料，肥料容器內的肥料按要求進入混肥灌中進行注水，開始灌溉施肥過程。系統通過設定時間間隔，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田實施施肥過程。圖1為自動灌溉施肥系統的工作原理圖。
2系統總體設計
2．1功能需求
根據上述工作原理，結合實際，對自動灌溉施肥監控系統的功能需求進行分析，監控系統應該具備以下功能:1)實時參數顯示。傳感器采集的數據經過工控機處理分析后，存儲在數據庫服務器中，通過向數據庫服務器申請訪問數據，將采集的農田參數實時顯示在工控機監控終端上。2)歷史數據查詢。數據庫服務器存儲大量采集數據，通過選擇起止日期及對應傳感器，完成對任一采集模塊和任一時間段的歷史數據進行查詢和取用。3)數據動態分析。能夠生成采集數據的變化曲線，包括實時數據和歷史數據，同時根據需求進行必要的分析，便于作業人員能夠直觀地掌握不同農田對水量和肥料的需求量，且對后續的肥料配兌提供一定的指導。4)完成數據傳輸和數據通信。通過數據傳輸模塊完成工控機、PLC控制器和灌溉施肥執行設備之間的數據傳輸和數據交換。5)實現故障報警提示。當農田水量或肥料不足或過飽和時，可以向作業人員提示參數報警，便于作業人員能及時調整肥料配兌比例和灌溉水量。6)生成數據報表。監控系統主界面設置有數據下載和導出功能。選擇起止日期，通過訪問數據庫服務器，將所需的歷史數據下載至監控終端上，便于隨時調用和分析。
2．2總體結構設計
根據自動灌溉施肥監控系統的功能需求，將系統總體結構分為3層，即末端執行層、中央處理層和后臺服務層。1)末端執行層主要包括數據采集模塊和灌溉施肥執行設備。數據采集模塊主要包括各類傳感器、數據變送器等，負責完成對農田水量和pH值的檢測;灌溉施肥執行設備主要包括各類控制單元(比如電磁閥)和信號指示單元(狀態指示燈和報警指示燈等)，可以根據監控的結果，接收中央處理器傳輸的控制信號，完成灌溉施肥的智能化控制。2)中央處理層主要包括工控機、PLC控制器和通信模塊。工控機接收數據采集模塊采集到的數據并進行相應的分析、處理，將數據存儲至后臺數據庫服務器中;經過數據通信模塊，利用RS485－232通信協議，將處理分析后的控制參數傳輸至PLC控制器中;PLC控制器根據硬件組態以及I/O接口定義，將相應的控制參數下發至各灌溉施肥執行設備。3)后臺服務層主要包括數據庫服務器、區域網絡以及視頻服務器。數據庫服務器通過以太網技術實現與工控機的數據傳輸。工控機將數據采集模塊采集的各類數據存儲在數據庫服務器中，可以隨時查看數據，并可實現歷史數據的調用。防火墻技術的應用則可以保證整個監控系統運行的穩定性，避免系統因遭受網絡攻擊而導致數據丟失、系統癱瘓。視頻服務器是整個系統的“眼睛”，通過視頻服務程序，可以對整個農田系統進行全方位監控，能夠彌補因為數據采集模塊或報警模塊發生故障而引發的監控盲區。此外，后臺服務層預留了Internet網絡接口，為后續遠程數據訪問提供了方便。
3硬件設計
3．1硬件選型
根據監控系統總體結構設計，對系統硬件進行模塊化設計。各硬件模塊選型和設計如下:1)電磁閥。電磁閥是灌溉施肥執行設備的核心部件，用于完成系統的遠程控制和操作。電磁閥在初始狀態時有常開和常閉兩種狀態，得電或斷電后會使電磁閥進行吸合和斷開動作。通過控制工控機主界面的相關按鈕，可以完成對電磁閥狀態的控制，對農田灌溉施肥進行實時控制，同時通過工控機與PLC控制器的通信，完成對電磁閥開關狀態的實時監控。2)傳感器。根據農作物的營養需求和系統功能需求，可以選擇不同功能類型的傳感器。本系統數據采集模塊主要包括檢測農田溫度、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，同時預留各類環境因素檢測傳感器，如溫度、風量、風速等傳感器。3)通過分析監控系統的功能需求，分析系統所需輸入點有14個，控制輸出點有8個。選擇西門子S7－300系列PLC模塊，輸入輸出節點的增減可以通過對應的數字量模塊的組合實現。
3．2PLC硬件接線
根據自動灌溉施肥系統的工作原理，需要監控不同肥料容器的液位及農田pH值等參數，因此PLC控制器的輸入點包括監控系統啟動、停止按鈕、視頻系統啟動、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軟件功能設計
自動灌溉施肥監控系統監控終端主要包括3個功能模塊，即上位機顯示模塊、下位機控制模塊以及數據通信模塊。1)上位機顯示模塊:監控終端接收數據采集模塊采集的各類傳感器信號(水量、pH值、風向、風量等)，可在監控終端的主界面上查看到自動灌溉施肥系統所有運行狀態信息;通過連接數據庫服務器，可以遠程訪問，且可對存儲在數據庫里面的數據進行分析、處理，并通過變化曲線圖的形式顯示。數據庫服務器可以設置在任何區域，通過Internet網絡實現遠程調取數據。此外，該模塊還包含有用戶登錄權限、用戶信息管理及系統設置等功能，能夠防止非專業操作人員對監控系統進行操作，防止因產生誤操作引發事故。2)下位機控制模塊:主要接收來自PLC控制器的控制信號，通過工控機的數據分析、判斷，將控制參數通過PLC控制器傳輸給相應的控制單元;通過在顯示終端的控制界面上操作不同的控制命令，從而完成對數據采集、肥料配兌、肥液泵工作以及視頻系統工作的遠程控制;此外，還設置有手動和自動模式，通過該模塊進行模式切換。3)數據通信模塊:主要功能包括數據庫訪問、數據傳輸以及實時報警。當自動灌溉施肥系統發生故障或某一運行參數采集的數據值偏差較大時，監控終端會及時發出報警提示信息。圖4為監控系統軟件功能結構。
5數據庫設計
數據庫服務器是監控系統重要的組成部分，用于存儲大量的采集數據、控制數據及命令。本文選用了SQLServer2008數據庫對監控系統的數據進行存儲管理。1)用戶信息表，包含了4個字段，用于存儲作業人員登錄監控系統時的用戶名、用戶密碼、用戶權限和登錄時間，便于后期數據查詢，如表1所示。2)監控數據信息表，包含了4個字段，用于存儲數據采集模塊采集的相關數據，如表2所示。3)下達命令表，包含了4個字段，用于存儲作業人員向自動灌溉施肥系統下達的命令、時間等數據，如表3所示。
6軟件流程設計
結合系統總體結構設計和軟件功能模塊，完成監控系統軟件流程設計啟動監控系統，各功能模塊完成初始化，進行手動/自動模式選擇，以選擇自動模式為例。打開施肥開關，各數據采集模塊開始工作，位于混肥灌內的液位傳感器檢測混肥灌內肥料是否充足，肥料比例配兌是否合格。若不符合，則控制肥料容器開始進行肥料配兌，配兌完成按比例進行混合至混肥灌;重復混肥灌液位檢測，若符合施肥條件則進行下一步動作。由傳感器模塊采集農田PH值，判斷農田是否需要補充肥料，若不需要補充肥料，則直接控制施肥系統結束工作;若判斷需要補充，則控制變頻肥液泵工作，將混肥灌中的肥料加入到農田中。灌溉施肥環節結束后，根據農田傳感器采集的數據，判斷施肥是否充足、液位是否合格，不合格則繼續控制變頻肥液泵工作，合格則控制灌溉施肥系統結束工作。
7結論
在深入研究分析自動灌溉施肥系統工作原理的基礎上，完成了監控系統的總體方案設計。結合總體方案中的各子模塊，進行了系統硬件選型及PLC硬件接線，同時完成了系統軟件功能結構的設計。為完成數據管理分析，進行了數據庫表結構設計，并最終完成軟件流程的設計。該監控系統可監控自動灌溉施肥作業的全過程，并能遠程控制灌溉施肥作業，還可以對作業現場進行視頻監督，實現了農業生產的全要素管理、全時段掌控，對實現農業生產智能化有著重要的指導意義。
作者:鄭輝 單位:四川職業技術學院
