果園水肥一體化系統方案設計及關鍵技術

胡佳寧 劉旋 周棕凱 辛忠偉

摘要：根據河北省現有果園灌溉施肥中存在的自動化水平低、灌溉施肥決策不合理等問題，設計了基于PLC的果園水肥一體化系統方案。系統以西門子PLC為核心，通過分布于果園中的各類傳感器采集果園土壤信息、果樹生長信息以及氣象信息等，采用Modbus數據通訊協議實現系統的數據傳輸，明確了系統的關鍵技術。

關鍵詞：果園;PLC;水肥一體化系統;關鍵技術

針對河北省果園施肥灌溉自動化水平不高、肥料利用率較低、關鍵技術推廣不全面的問題，設計了一種基于PLC的果園水肥一體化控制系統方案，該設計方案利用現有關鍵技術，推動了果園生產自動化的普及，為果園水肥一體化發展提供了新方案。

1? 系統設計原則

果樹受生長環境、氣候環境、生長階段等因素影響，因此果園灌溉施肥控制系統的設計必須綜合考慮上述因素，設計時應滿足以下設計原則：

（1）操作簡便性：自動控制系統多數由專業知識薄弱的果農操作使用，因此控制系統設計要充分考慮到操作的簡易程度，控制操作界面的設計要清晰簡明。

（2）可靠性：果園灌溉施肥決策和控制系統應能長期保持穩定的工作。系統設計時應充分考慮PLC及拓展模塊工作的穩定性、傳感器數據采集和傳輸的抗干擾性、執行機構動作的準確性等。

（3）可修改性：因為果園作物受生長環境、氣候環境、果樹種類、果樹生長階段等因素影響，因此設計系統時應能根據上述環境的不同而進行修改。

（4）經濟性：該控制系統主要應用于中、小規模的果園生產，所以在滿足系統工作性能的基礎上，應選用經濟實用的設計方案，以降低成本投入。

2? 系統總體架構

根據河北省果園灌溉施肥中存在的主要問題，設計了基于PLC的果園水肥一體化系統方案。系統采用上位機、下位機結構，上位機由觸摸屏構成，下位機由西門子S7-200 SMART構成，采用以太網通信。下位機接收傳感器上傳的數據信息并處理，其中傳感器與S7-200 SMART采用MODBUS通信，上位機負責系統的參數、命令輸入和狀態監控，系統結構如圖1所示。

3? 關鍵技術

3.1? Modbus通訊協議

Modbus通訊協議是應用于電子控制器上的一種數據傳輸協議，通過此通訊協議，控制器相互之間以及控制設備間可以實現數據實時通信，在運用Modbus協議進行通訊時，主站需要識別被控制設備所對應的從站地址，從而完成所收數據的識別工作。

3.2? 傳感器的部署及數據采集

果園灌溉施肥控制系統中的傳感器部署是靜態的、計劃的部署，在部署時需要考慮傳感器節點的穩定性和經濟性，即如何在使用相對少的節點數量情況下實現最大的覆蓋面積。由于現代果園在規劃時較為整齊，因此對于土壤節點的部署來說，可以根據平面鑲嵌的理論，結合果園的實際地形，采用正多邊形網格劃分的節點優化對系統中的節點部署。對于果樹節點來說，選擇隨機部署的方式，從而獲得果樹冠層和葉面的溫濕度情況。同時在果園中部署小型氣象站，進而將土壤信息、果樹信息和氣象信息相結合指導果園灌溉施肥過程。

圖1? 果園水肥一體化自動控制系統結構框圖

3.3? 監控平臺設計

果園灌溉施肥控制系統使用云平臺和西門子SMART 700 IE V3觸摸屏作為監控平臺，PLC與觸摸屏采用以太網的方式實現數據實時通訊，其中觸摸屏采用WinCC flexible SMART V3軟件進行設計。監控平臺提供果園數據信息顯示界面、自動灌溉和施肥參數設置界面、手動控制界面、歷史曲線界面和系統動態監控等界面，實現了系統與用戶之間的人性化、便捷化交互。

4? 結語

根據我省果園水肥一體化技術中存在的問題，在分析果園水肥一體化系統設計原則的基礎上，確定了果園水肥一體化控制系統方案，對Modbus數據通訊、監控平臺設計等關鍵技術進行了分析，為傳感器的部署與數據采集提供了方案。

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