小型花园自动灌溉系统的设计

李凯丽，韩海豹，刘 攀，成慧翔

（山西农业大学信息学院，山西 太谷 030800）

随着社会不断进步，人们对于生存环境的要求也越来越高，希望周围的绿化环境更好。然而随着绿化地区的不断增多，需要投入更多的人力，但不少绿化区域由于人力不足或无人管理，致使绿植健康状态较差，甚至死亡。同时，很多区域的植物灌溉主要为管理人员定期灌溉的形式，无法依据土壤的湿度以及绿植的种类进行精确地灌溉，导致水资源的浪费且无益于绿植的生长。

基于上述现状，采用S7-200系列PLC为主要器件所设计的小型花园自动灌溉系统，其基本原理是采用西门子公司的S7-200系列的PLC作为中心控制部件，采用湿度传感器检测土壤的干湿状态，根据花园合理浇水的条件，系统通过湿度传感器反映的土壤干湿程度的智能判断，根据自动灌溉的工作流程，研究发明出一款适合小型花园使用的智能灌溉系统。

1 理论研究

PLC采用的是冯·诺伊曼结构，并具有处理器、存储器和IO口，该结构如图1所示。

其中中央处理器CPU是该PLC系统控制的核心，能够实现数据处理和操作，并可以控制外围设备，能够进行数据处理及程序操作；读取输入信息状态并存储；判断程序错误和功率及提示；接收存储信息和程序；重置图像区域内容并且控制输出。

2 硬件电路设计

2.1 PLC的选型

本设计选择型号为CPU 222的西门子可编程逻辑控制器，该PLC资源充足，拥有多个输入输出，可外接两个扩展模块，在其控制器内部还设有4个计数器。并且具有模拟电位器和PID控制功能。拥有模拟I/O模块和CPU控制能力，其通信功能更是支持485协议和PPI协议等多种协议，性能功能极佳，可以满足设计需求。

该系统使用的EM231模块拥有4个模拟输入通道采集模块。储器AI区域每两个字节用一个通道。根据输入信号进行A/D转换，将12位二进制数值传递给CPU进行运算。

2.2 PLC电源模块

本设计的灌溉系统，采用了两个开关电源，分别对不同电源模块供电。可编程逻辑控制器电源模块控制细节如图2所示。

输入端输入220 V交流电压。两个开关电源，KGDY1是PLC开关电源。拥有24 V和5 V两个电压输出端口，24 V电压为电磁阀和继电器供电，5 V电源为低压部分如传感器供电。

2.3 控制系统电气接线图

自动灌溉系统电气接线图如图3所示，该系统包含PLC控制器S7-200、6个开关按钮、湿度传感器、电磁阀、电机、蜂鸣器装置等。PLC作为中央处理单元，分别将输入输出装置连接于相应的元器件。

3 软件设计

本设计的软件部分，选择了一款简洁清晰，并且能够高效的构造起系统所用支持环境。此软件可支持大型的自动化系统工作，能够建立起集设计、编程、优化、执行、调试与同步检测为一体的系统供使用者操作，这便是STEP7-Micro/WIN V4.0软件。这款软件能够支持PLCS7-200系列的全部产品在此平台上进行编写程序，可用梯形图、指令表以及功能块图三种语言进行编程，同时这三种语言只需编写好其中一种便能实现其他两种的译写。

可以由手动和自动两种方式来进行控制。除湿度传感器输入的是信号外，其他输入输出均为数字。本设计采用的是西门子PLC可编程控制器专用编程软件进行系统的梯形图编写。工作流程如下：

（1）当手动自动按钮处于自动的情况下，输入点I0.0处于闭合状态，将按下自动按钮S4，输入端I0.3闭合，继电器M0.0输出值为1，此时中间继电器M0.0会自锁，系统为自动运行状态。若将停止按钮S5按下，输入点I0.4随之闭合，然后断开对应电路，系统也会停止。

（2）当手动自动按钮切换为手动情况，输入端I0.0断开，若按下S2自动按钮，I0.1闭合，手动中间继电器M0.1输出值为1，继电器自锁，使系统处于手动状态。当按下S5停止按钮，I0.4端口闭合，对应电路断开，系统停止。

（3）湿度传感器一输出端连接PLC模拟A0输入端输出信号，G1为上限比较器，根据要求它的参考值要设置为30000；G2是下限比较器，根据要求它的参考值设置为10000。第二路的上限值为30000，下限值是5000。

（4）当A0不小于G1：1号的水阀YV1闭合，浇灌操作不进行；A0不大于G2：水阀YV1打开，系统开始间歇浇灌，浇水五秒，暂停十五秒，然后继续浇水，重复运行，直到土壤干湿程度达到标准。B区的灌溉原理与A相同，唯一不同是暂停时间的不同，浇水5 s后暂停10 s，10 s后继续浇水，一次循环。

（5）在水箱水位达到下限时，输入点I0.5为高电平，中间继电器M1.6为高电平，自动切断继电器Q0.2，电机失电不工作，连接继电器Q0.3，蜂鸣器响起，发出报警，保证了运行中的安全。

4 系统调试

根据设计需求，选用西门子S7-200，仿真软件选用的是特用的S7-200 V4.0来进行操作，输入平台的密码，对程序开始仿真操作，如图4所示。

（1）打开页面，选定CPU222型号，将之前编辑好的“.awl”类型的文件，选择相应模拟量输入接口，此处选择EM231。

（2）点击，将土壤湿度模拟量信号降为设定范围之下，点击I0.0，使系统调整为自动状态，点击S4，相应的Q0.0与Q0.1输出高电平，灯亮，此时AB区水阀处于开启状态，Q0.3得电，电机运作，浇水开始。浇水5 s后Q0.3断开，电机失电不运行，15 s后电气再次接电进行浇水，这便形成了滴灌模式。

（3）B区的浇灌方式效率高，速度快。当一定时刻后，B区的土壤湿度程度到达所设定的上线，小灯对应的输出Q0.1变为低电平，B区完成浇灌。A区依然间歇式灌溉。

（4）再次按S1按钮（即输入点I0.0），切换到手动模式，然后按下S2按钮（即输入点I0.1），小灯对应的输出点Q0.0和Q0.2变亮，一路水阀开启，水泵电机得电运行，对一路的区域进行灌溉。

（5）当A区域土壤湿度到达上限，输出点Q0.0为低电平，此时水阀处于紧闭状态，此刻该区域浇水完成。

（6）当B区域土壤湿度到达上限，输出点Q0.1输出低电平，水阀为紧闭的状态。

（7）系统中当突发紧急情况或需停止，按下输入点I0.4，也就是S5，此时无论电机在如何运作，都将在感受到此信号后立刻失电暂停工作。

（8）当水位低于数值下限，单机S6，电机停止工作，报警指示灯点亮。

经过运用S7-200 V4.0程序，对花园自动灌溉的工作过程进行了仿真，模拟现实中花园灌溉的工作过程，并对设计的功能一一进行仿真，包括智能灌溉功能、安全系统功能等，该设计成功的将花园灌溉系统智能化、高效化。

5 结论

该灌溉系统以SIEMENS公司的S7-200系列PLC为核心部件，在其基础上设计出了小型花园的智能灌溉控制系统。该设计中加入湿度传感器来检测土壤干湿程度，通过接收到的干湿值与系统设置的标准数值对比判断，缺水时自动开启阀门灌溉，当土壤湿度达到标准时则关闭阀门停止灌溉。