摘要:随着自动化技术在农业生产应用中的不断深入，自动灌溉施肥技术在农业灌溉中的应用越来越广泛，但在实际使用过程中，由于无法准确获取农田含水量和肥料含量，容易造成水资源的浪费及农田肥料匮乏或过饱和，影响农业生产。为此，设计了基于PLC的自动灌溉施肥监控系统，对自动灌溉施肥系统的工作原理进行简要分析，完成了自动灌溉施肥监控系统总体结构的设计，并通过硬件设计，确定了合理可靠的功能模块，最后完成了自动灌溉施肥监控系统的软件流程设计。实际应用表明:监控系统能够实时检测农田的含水量和含肥量，并根据需求供给水分和肥料，确保农田作物能够时刻保持充足的水分和足够的营养，且可在农田缺水状态或农作物缺肥状态下进行报警。该监控系统功能齐全、控制精度高，在较大程度上节约了水资源和农业生产成本，提高了自动灌溉施肥效率，具有一定的推广价值。
关键词:自动化;灌溉施肥;监控系统;PLC;流程设计
0引言
目前，水资源日益短缺、环境污染日益严重，以及传统农业灌溉存在许多不合理的方法，导致水资源利用率低，加剧了农业水资源的短缺。随着我国农业现代化进程的推进，自动化技术在农业生产中的应用不断深入，自动灌溉施肥技术在节约水资源和农业成本、节省劳动力和提高劳动生产效率方面具有较大的优势，成为未来现代化农业生产方式的发展趋势。目前许多自动灌溉施肥系统在肥料的配兑过程中主要依靠经验进行，生产方式单一，受主观因素的影响较大，存在自动化水平低、肥料配兑质量不均及控制精度低等问题。针对现有灌溉施肥系统存在的问题，笔者进行了自动灌溉施肥监控系统的设计开发，将PLC技术和数据库技术引入到监控系统中，结合软硬件设计，完成了自动灌溉施肥监控系统的设计。
1自动灌溉施肥系统工作原理
自动灌溉施肥系统分两个阶段完成:1)施肥前准备阶段。根据农作物的营养需求，按照施肥配方完成所需肥料的配兑。配兑完成之后，将不同类型的肥料装入不同的肥料容器中，可以根据实际情况加装肥料容器。2)灌溉施肥阶段。通过流量和pH值检测，确定农田所需水量和肥料，肥料容器内的肥料按要求进入混肥灌中进行注水，开始灌溉施肥过程。系统通过设定时间间隔，控制肥料容器下面的电磁阀动作，然后依次循环加注肥料，再由混肥罐中的液位传感器控制注水量，最后通过变频肥液泵向农田实施施肥过程。图1为自动灌溉施肥系统的工作原理图。
2系统总体设计
2．1功能需求
根据上述工作原理，结合实际，对自动灌溉施肥监控系统的功能需求进行分析，监控系统应该具备以下功能:1)实时参数显示。传感器采集的数据经过工控机处理分析后，存储在数据库服务器中，通过向数据库服务器申请访问数据，将采集的农田参数实时显示在工控机监控终端上。2)历史数据查询。数据库服务器存储大量采集数据，通过选择起止日期及对应传感器，完成对任一采集模块和任一时间段的历史数据进行查询和取用。3)数据动态分析。能够生成采集数据的变化曲线，包括实时数据和历史数据，同时根据需求进行必要的分析，便于作业人员能够直观地掌握不同农田对水量和肥料的需求量，且对后续的肥料配兑提供一定的指导。4)完成数据传输和数据通信。通过数据传输模块完成工控机、PLC控制器和灌溉施肥执行设备之间的数据传输和数据交换。5)实现故障报警提示。当农田水量或肥料不足或过饱和时，可以向作业人员提示参数报警，便于作业人员能及时调整肥料配兑比例和灌溉水量。6)生成数据报表。监控系统主界面设置有数据下载和导出功能。选择起止日期，通过访问数据库服务器，将所需的历史数据下载至监控终端上，便于随时调用和分析。
2．2总体结构设计
根据自动灌溉施肥监控系统的功能需求，将系统总体结构分为3层，即末端执行层、中央处理层和后台服务层。1)末端执行层主要包括数据采集模块和灌溉施肥执行设备。数据采集模块主要包括各类传感器、数据变送器等，负责完成对农田水量和pH值的检测;灌溉施肥执行设备主要包括各类控制单元(比如电磁阀)和信号指示单元(状态指示灯和报警指示灯等)，可以根据监控的结果，接收中央处理器传输的控制信号，完成灌溉施肥的智能化控制。2)中央处理层主要包括工控机、PLC控制器和通信模块。工控机接收数据采集模块采集到的数据并进行相应的分析、处理，将数据存储至后台数据库服务器中;经过数据通信模块，利用RS485－232通信协议，将处理分析后的控制参数传输至PLC控制器中;PLC控制器根据硬件组态以及I/O接口定义，将相应的控制参数下发至各灌溉施肥执行设备。3)后台服务层主要包括数据库服务器、区域网络以及视频服务器。数据库服务器通过以太网技术实现与工控机的数据传输。工控机将数据采集模块采集的各类数据存储在数据库服务器中，可以随时查看数据，并可实现历史数据的调用。防火墙技术的应用则可以保证整个监控系统运行的稳定性，避免系统因遭受网络攻击而导致数据丢失、系统瘫痪。视频服务器是整个系统的“眼睛”，通过视频服务程序，可以对整个农田系统进行全方位监控，能够弥补因为数据采集模块或报警模块发生故障而引发的监控盲区。此外，后台服务层预留了Internet网络接口，为后续远程数据访问提供了方便。
3硬件设计
3．1硬件选型
根据监控系统总体结构设计，对系统硬件进行模块化设计。各硬件模块选型和设计如下:1)电磁阀。电磁阀是灌溉施肥执行设备的核心部件，用于完成系统的远程控制和操作。电磁阀在初始状态时有常开和常闭两种状态，得电或断电后会使电磁阀进行吸合和断开动作。通过控制工控机主界面的相关按钮，可以完成对电磁阀状态的控制，对农田灌溉施肥进行实时控制，同时通过工控机与PLC控制器的通信，完成对电磁阀开关状态的实时监控。2)传感器。根据农作物的营养需求和系统功能需求，可以选择不同功能类型的传感器。本系统数据采集模块主要包括检测农田温度、含水量、土壤pH值的各类传感器，输出电流4～20mA，或输出直流电压0～10V，同时预留各类环境因素检测传感器，如温度、风量、风速等传感器。3)通过分析监控系统的功能需求，分析系统所需输入点有14个，控制输出点有8个。选择西门子S7－300系列PLC模块，输入输出节点的增减可以通过对应的数字量模块的组合实现。
3．2PLC硬件接线
根据自动灌溉施肥系统的工作原理，需要监控不同肥料容器的液位及农田pH值等参数，因此PLC控制器的输入点包括监控系统启动、停止按钮、视频系统启动、停止按钮、电动泵按钮，以及各类电磁阀动作按钮，输出点包括输出电磁阀所需工作电压、阀门流量控制所需电压等。PLC硬件接线如图3所示。
4软件功能设计
自动灌溉施肥监控系统监控终端主要包括3个功能模块，即上位机显示模块、下位机控制模块以及数据通信模块。1)上位机显示模块:监控终端接收数据采集模块采集的各类传感器信号(水量、pH值、风向、风量等)，可在监控终端的主界面上查看到自动灌溉施肥系统所有运行状态信息;通过连接数据库服务器，可以远程访问，且可对存储在数据库里面的数据进行分析、处理，并通过变化曲线图的形式显示。数据库服务器可以设置在任何区域，通过Internet网络实现远程调取数据。此外，该模块还包含有用户登录权限、用户信息管理及系统设置等功能，能够防止非专业操作人员对监控系统进行操作，防止因产生误操作引发事故。2)下位机控制模块:主要接收来自PLC控制器的控制信号，通过工控机的数据分析、判断，将控制参数通过PLC控制器传输给相应的控制单元;通过在显示终端的控制界面上操作不同的控制命令，从而完成对数据采集、肥料配兑、肥液泵工作以及视频系统工作的远程控制;此外，还设置有手动和自动模式，通过该模块进行模式切换。3)数据通信模块:主要功能包括数据库访问、数据传输以及实时报警。当自动灌溉施肥系统发生故障或某一运行参数采集的数据值偏差较大时，监控终端会及时发出报警提示信息。图4为监控系统软件功能结构。
5数据库设计
数据库服务器是监控系统重要的组成部分，用于存储大量的采集数据、控制数据及命令。本文选用了SQLServer2008数据库对监控系统的数据进行存储管理。1)用户信息表，包含了4个字段，用于存储作业人员登录监控系统时的用户名、用户密码、用户权限和登录时间，便于后期数据查询，如表1所示。2)监控数据信息表，包含了4个字段，用于存储数据采集模块采集的相关数据，如表2所示。3)下达命令表，包含了4个字段，用于存储作业人员向自动灌溉施肥系统下达的命令、时间等数据，如表3所示。
6软件流程设计
结合系统总体结构设计和软件功能模块，完成监控系统软件流程设计启动监控系统，各功能模块完成初始化，进行手动/自动模式选择，以选择自动模式为例。打开施肥开关，各数据采集模块开始工作，位于混肥灌内的液位传感器检测混肥灌内肥料是否充足，肥料比例配兑是否合格。若不符合，则控制肥料容器开始进行肥料配兑，配兑完成按比例进行混合至混肥灌;重复混肥灌液位检测，若符合施肥条件则进行下一步动作。由传感器模块采集农田PH值，判断农田是否需要补充肥料，若不需要补充肥料，则直接控制施肥系统结束工作;若判断需要补充，则控制变频肥液泵工作，将混肥灌中的肥料加入到农田中。灌溉施肥环节结束后，根据农田传感器采集的数据，判断施肥是否充足、液位是否合格，不合格则继续控制变频肥液泵工作，合格则控制灌溉施肥系统结束工作。
7结论
在深入研究分析自动灌溉施肥系统工作原理的基础上，完成了监控系统的总体方案设计。结合总体方案中的各子模块，进行了系统硬件选型及PLC硬件接线，同时完成了系统软件功能结构的设计。为完成数据管理分析，进行了数据库表结构设计，并最终完成软件流程的设计。该监控系统可监控自动灌溉施肥作业的全过程，并能远程控制灌溉施肥作业，还可以对作业现场进行视频监督，实现了农业生产的全要素管理、全时段掌控，对实现农业生产智能化有着重要的指导意义。
作者:郑辉 单位:四川职业技术学院
