基于PLC的果園水肥一體化系統硬件電路設計

胡佳寧 劉旋 楊荊 詹宇

摘要：以西門子S7-200 smart PLC為核心完成了果園水肥一體化系統電路設計，硬件系統主要包括土壤信息傳感器、果樹信息傳感器、傳感器無線傳輸模塊以及西門子觸摸屏等，實現了果園水肥一體化設備自動施肥與自動灌溉功能，提高了果園灌溉施肥設備的自動化水平。

關鍵詞：果園;PLC;水肥一體化;傳感器

為進一步推動果園水肥灌溉施肥自動化進程，設計了一種基于PLC的果園水肥一體化系統硬件電路方案，主要包括系統硬件電路設計、系統傳感器選型、傳感器的部署方案與供電等，為果園水肥一體化的發展提供了一種新的方案。

1? 系統硬件電路設計

控制執行系統主要由控制器西門子S7-200 SMART ST60系列PLC和西門子DT08數字量輸出拓展模塊、西門子SMART 700 IE V3觸摸屏、強大科技QDGate301-L PLC遠程控制模塊、海控HK-Y3無線遠程開關量控制模塊等組成，可以實現系統的人機交互和遠程平臺控制。同時系統配有液位傳感器、液體EC值傳感器、液體pH值傳感器、壓力傳感器、壓差開關，用于檢測混合罐液位、EC值和pH值信息，管道進、出口壓力值以及過濾器的進、出口壓差值[1]。控制執行系統的PLC接線如圖1所示。

2? 傳感器選型

2.1? 土壤節點傳感器選型

系統的土壤節點分別使用了土壤溫濕度傳感器ST-TR-WSEC/WS/EC/S、土壤EC值傳感器ST-TSQ-E和土壤pH值傳感器ST-TR-PH。主要參數如表1所示。

2.2? 果樹節點傳感器選型

系統果樹節點分別使用廣州賽通科技有限公司的環境溫濕度傳感器ST-WS-20和北京華控興業有限公司的葉面溫濕度傳感器LWS10。主要參數如表2所示，其均廣泛適用于溫室、農田、果園等需要溫濕度監測的場合。

3? 節點傳感器的部署與供電

3.1? 節點傳感器的部署

基于平面鑲嵌理論，對果園進行分割前，首先選定了一個圓形，上述的三種形狀均為選定圓形的內切圖形，如圖2所示，所構成的三種部署方案如下所述。

（1）正三角形分割節點部署：將節點放置在圓的內接正三角形的中心處，使用正三角形替代圓對果園區域進行覆蓋，構成正三角形分割部署。

（2）正方形分割節點部署：將節點放置在圓的內接正方形的中心處，使用正方形替代

圓對果園區域進行覆蓋，構成正方形分割部署。

（3）正六邊形分割節點部署：將節點放置在圓的內接正六邊形的中心處，使用正六邊形替代圓對果園區域進行覆蓋，構成正六邊形分割部署。

按照上述三種分割方案對果園進行劃分，如圖3所示。

由圖3可以看出，按照正方形網格劃分進行分割時，有效利用面積大，所需的節點數最少，因此進行部署時采用正方形分割所需的土壤節點數最少，即網絡具有最優部署，經過優化后的部署方案如圖4所示[3]。在設計系統時，將果園分為左、中、右三個地塊，這三個地塊可以按照自身的缺水、缺肥情況進行灌溉、施肥。

其次對于果樹節點，本文選擇了隨機部署的方式。在同一列果樹中隨機選擇了不相鄰的兩棵果樹進行冠層溫濕度傳感器的部署，在其中一棵部署了冠層溫濕度傳感器的果樹的不同高度和朝向下部署了兩個葉面溫濕度傳感器。

3.2? 節點傳感器的無線傳輸及供電

系統使用成都澤耀科技有限公司的AS100DS無線傳輸模塊完成土壤溫濕度傳感器、土壤EC值傳感器、土壤pH值傳感器、果樹冠層溫濕度傳感器和果樹葉面溫濕度傳感器的無線傳輸功能[4]。AS100DS無線傳輸模塊采用GFSK調制方式無線透明數據收發，靈敏度高、傳輸距離遠等特點[5]，AS100DS無線傳輸模塊的主要參數如表3所示。

4? 結語

本文以西門子S7-200 smart PLC為控制系統核心，完成了果園水肥一體化控制系統的硬件電路設計，確定了控制系統信息采集模塊中各類型傳感器的選型，給出了各種傳感器在果園中的最佳部署方案，確定了果園中各傳感器的無線供電及數據無線傳輸方法。

參考文獻

[1] 李嵩.蘋果園水肥灌溉決策控制系統設計與研究[D].新疆大學，2019

[3] 劉寬，吳翠俠，吳松，等.正方形網格劃分的節點優化部署算法[J].輕工科技，2019，35（1）：77-79，87

[4] 畢慶生，頓文濤，趙玉成，等.傳感器在農業節水灌溉中的應用[J].農業網絡信息，2014（7）：69-72

[5] 張偉.果園水肥一體化控制系統設計與實現[D].華東交通大學，2017.