基于PLC的水稻水肥一体化无线监控系统研究

　　引言

　　当前，发展“资源节约型、环境友好型”农业在国际上是大势所趋。由于我国的水资源总量严重不足，节水农业基础设施薄弱，水资源利用效率不高，从而成为我国粮食生产的主要制约因素。水肥一体化技术因节水节肥，在作物生产上增产增效，同时在环境生态保护方面有着显着的效益，很快成为农业生产领域关注的焦点。随着广大农民接受能力的逐步提高，大力推进水肥一体化各项技术研究与创新已经成为必然趋势。

　　在水稻生产过程中，水和肥是制约水稻生长的重要因素，是形成水稻产量、提高质量的重要因子。研究水肥间相互关系及其对水稻生长发育和产量的影响，对如何在水分受限制的条件下合理使用水肥、提高水肥利用效率和水稻产量具有重要意义。为了改善传统的水稻灌溉施肥作业效果，借鉴工业自动化、智能化的生产模式经验，以 PLC 为控制核心，利用PLC 所具有的串行通信和计算机的远程通信功能，实现了计算机对多台 PLC 控制装置的远程集中监控，从而更好地对水稻的生长环境和水肥用量进行实时监控。
　　
　　1 系统构成原理及其功能

　　所谓水肥一体化技术，就是先将肥料兑水进行溶解，再加入管道灌溉系统，在灌溉的同时将肥料输送到作物根部，适时适量满足作物水肥需求的一种现代农业新技术。与传统模式相比，水肥一体化实现了 6 个方面转变，即渠道输水向管道输水转变、浇地向浇庄稼转变、土壤施肥向作物施肥转变、水肥分开向水肥一体转变、单一管理向综合管理转变、传统农业向现代农业转变。

　　根据水稻灌溉和施肥的技术要求，设计了基于PLC 的水肥一体化监控系统，如图 1 所示。【图1】

　　
　　该系统可分为两个部分: 一是以 PLC 作为远程现场数据采集和控制终端，对水稻生长环境中的土壤水分、水位、空气温湿度、光照强度和灌溉用水量等数据进行实时采集。同时，通过触摸屏或上位机可以对PLC 进行参数设置，经过逻辑判断后，可以实现手动或自动控制电动阀门和泵等执行设备完成灌溉和施肥作业。二是上位机( PC) 通过无线数传模块与下位机( PLC) 实时进行数据交换与处理，并根据水稻不同生育期内需水、需肥的技术要求，发送控制指令，远程自动完成灌溉与施肥作业。

　　2 系统软件设计

　　整个监控系统软件设计包括 3 个部分: 下位用三菱 FX2N－32MR 系列 PLC 作为主控制器，配有 FX2N－4AD 模拟量输入模块，主要完成格田模拟量数据采集和现场控制任务; 现场人机界面触摸屏程序，利用触摸屏方便操作人员现场进行手动操作和参数设置; 上位机软件设计通过 RS485 通信方式，将 PLC 采集的数据进行处理，同时根据用户要求进行远程的实时监控作用。

　　2． 1 PLC 主程序设计

　　PLC 作为监控系统的现场单元，在整个系统的数据采集和处理中具有重要地位。首先，进行程序初始化设置，将寄存器 D8120 =H4081 和 D8121 =1 ～15 完成通信格式和站号设定，通信协议采用计算机链路方式的通信格式。其次，进行模量采集程序设计，并将采集的数据存入指定的寄存器供触摸屏和上位机使用。最后，根据触摸屏或上位机发送的控制命令，PLC 经过逻辑判断完成相应的操作。PLC 的主程序流程图如图 2 所示。【图2】

　　
　　2． 2 触摸屏软件设计

　　触摸屏采用深圳显控公司“Samkoon”-SA 系列人机界面( HMI) ，型号为 SA－5． 7A。触摸屏内部集成了 CPU 单元、输入输出单元、显示屏及内存等模块单元，采用先进的计算机软件技术，以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，为现场操作人员使用，界面清晰易懂、简单实用。同时，提供了开放的通信接口，方便与三菱、西门子、欧姆龙等多款 PLC 进行连接。

　　在程序主界面设计中，设置用户登录密码，以保证操作的可靠性，防止非操作人员进行误操作。整个触摸屏程序设计分 3 部分: 一是主界面设计，用户可以通过主界面直接记录现场监测数据以及各相应执行设备的运行情况; 二是主管道操作界面设计，主要完成主管道中的注水阀、注药阀和增压泵的控制操作，将水、药送入肥料罐，进行充分混合，做好灌溉准备; 三是作业区操作界面设计，将灌溉格田分成 4 个大小相同的区域，操作人员根据作业要求在现场可以直接对各区进行灌溉施肥。触摸屏主界面如图 3 所示。【图3】

　　
　　2． 3 上位机软件设计

　　上位机采用联想工业级计算机，具有运行稳定、高可靠性、运算速度快等优点。同时，利用不间断电源来实现短时间掉电保护功能，提高系统的可靠性和数据安全。上位机软件选用 DELPHY7 作为编程软件，以无线通信方式完成对现场数据的采集和分析处理，根据控制要求对执行设备进行远程控制。另外，将采集的数据存入数据库，供管理者或操作人员对数据进行查询和分析对比。上位机具有短信服务功能，可以方便管理者通过短信方式实时监测水稻在不同生育期内的生长环境和生长状况，从而更好地制订今后的施肥灌溉方案。上位机监控软件的主界面如图 4 所示。【图4略】

　　上位机软件可以使操作员位于控制室内的计算机终端，实现对水稻的远程手自动控制，节省人力物力。同时，系统操作简单、执行可靠性高，较以往的管理模式更具科学性，大幅度提高了水稻水肥一体化技术的应用效果。3 结论通过利用水肥一体化无线监控系统，改善了以往的农业灌溉技术，使水稻的灌溉水和肥料高效、集中地分布于在作物根层附近。其不但利用率高，还避免了深层渗漏，从而减轻了对环境的负面影响，有效地增加土壤水分含量，减少水稻病虫害和农药用量，降低了农药残留，提高了水稻的质量和产量。该系统在前进农场近 1 年的使用中，取得较好的效果，为实现和促进垦区水稻生产的标准化、信息化和集约化发展提供了必要的保障。

　　参考文献:

　　［1］ 吴勇，高祥照，杜森，等． 大力发展水肥一体化加快建设现代农业［J］． 中国农业信息，2011( 12) : 19－21．
　　［2］ 康立军，张仁陟，吴丽丽，等． 节水灌溉联动控制系统［J］．农业工程学报，2011，27( 8) : 232－236．
　　［3］ 王莹，彭世彰，焦健． 不同水肥条件下水稻全生育期稻田氮素浓度变化规律［J］． 节水灌溉，2009( 9) : 15－19．
　　［4］ 邵利敏． 基于 PLC 的变量施肥控制系统设计与实验［J］．农业机械学报，2007( 11) : 84－86．
　　［5］ 王庭才． 可编程控制器原理及应用［M］． 北京: 国防工业出版社，2005: 115－116．
　　［6］ 魏正英，葛令行，赵万华． 灌溉施肥自动控制系统的研究与开发［J］． 西安交通大学学报，2008，42( 3) : 347－349．
　　［7］ 邵利敏． 基于 PLC 的变量施肥控制系统设计与实验［J］．农业机械学报，2007( 11) : 84－86．
　　［8］ 李加念，洪添胜． 柑橘园水肥一体化滴灌自动控制装置的研究［J］． 农业工程学报，2012，28( 10) : 91－97．
　　［9］ 陈浩． 案例解说 PLC、触摸屏及变频器的综合应用［M］． 北京: 中国电力出版社，2008: 223－224．