基于PLC的果园水肥一体化系统硬件电路设计

胡佳宁 刘旋 杨荆 詹宇

摘要：以西门子S7-200 smart PLC为核心完成了果园水肥一体化系统电路设计，硬件系统主要包括土壤信息传感器、果树信息传感器、传感器无线传输模块以及西门子触摸屏等，实现了果园水肥一体化设备自动施肥与自动灌溉功能，提高了果园灌溉施肥设备的自动化水平。

关键词：果园;PLC;水肥一体化;传感器

为进一步推动果园水肥灌溉施肥自动化进程，设计了一种基于PLC的果园水肥一体化系统硬件电路方案，主要包括系统硬件电路设计、系统传感器选型、传感器的部署方案与供电等，为果园水肥一体化的发展提供了一种新的方案。

1  系统硬件电路设计

控制执行系统主要由控制器西门子S7-200 SMART ST60系列PLC和西门子DT08数字量输出拓展模块、西门子SMART 700 IE V3触摸屏、强大科技QDGate301-L PLC远程控制模块、海控HK-Y3无线远程开关量控制模块等组成，可以实现系统的人机交互和远程平臺控制。同时系统配有液位传感器、液体EC值传感器、液体pH值传感器、压力传感器、压差开关，用于检测混合罐液位、EC值和pH值信息，管道进、出口压力值以及过滤器的进、出口压差值[1]。控制执行系统的PLC接线如图1所示。

2  传感器选型

2.1  土壤节点传感器选型

系统的土壤节点分别使用了土壤温湿度传感器ST-TR-WSEC/WS/EC/S、土壤EC值传感器ST-TSQ-E和土壤pH值传感器ST-TR-PH。主要参数如表1所示。

2.2  果树节点传感器选型

系统果树节点分别使用广州赛通科技有限公司的环境温湿度传感器ST-WS-20和北京华控兴业有限公司的叶面温湿度传感器LWS10。主要参数如表2所示，其均广泛适用于温室、农田、果园等需要温湿度监测的场合。

3  节点传感器的部署与供电

3.1  节点传感器的部署

基于平面镶嵌理论，对果园进行分割前，首先选定了一个圆形，上述的三种形状均为选定圆形的内切图形，如图2所示，所构成的三种部署方案如下所述。

（1）正三角形分割节点部署：将节点放置在圆的内接正三角形的中心处，使用正三角形替代圆对果园区域进行覆盖，构成正三角形分割部署。

（2）正方形分割节点部署：将节点放置在圆的内接正方形的中心处，使用正方形替代

圆对果园区域进行覆盖，构成正方形分割部署。

（3）正六边形分割节点部署：将节点放置在圆的内接正六边形的中心处，使用正六边形替代圆对果园区域进行覆盖，构成正六边形分割部署。

按照上述三种分割方案对果园进行划分，如图3所示。

由图3可以看出，按照正方形网格划分进行分割时，有效利用面积大，所需的节点数最少，因此进行部署时采用正方形分割所需的土壤节点数最少，即网络具有最优部署，经过优化后的部署方案如图4所示[3]。在设计系统时，将果园分为左、中、右三个地块，这三个地块可以按照自身的缺水、缺肥情况进行灌溉、施肥。

其次对于果树节点，本文选择了随机部署的方式。在同一列果树中随机选择了不相邻的两棵果树进行冠层温湿度传感器的部署，在其中一棵部署了冠层温湿度传感器的果树的不同高度和朝向下部署了两个叶面温湿度传感器。

3.2  节点传感器的无线传输及供电

系统使用成都泽耀科技有限公司的AS100DS无线传输模块完成土壤温湿度传感器、土壤EC值传感器、土壤pH值传感器、果树冠层温湿度传感器和果树叶面温湿度传感器的无线传输功能[4]。AS100DS无线传输模块采用GFSK调制方式无线透明数据收发，灵敏度高、传输距离远等特点[5]，AS100DS无线传输模块的主要参数如表3所示。

4  结语

本文以西门子S7-200 smart PLC为控制系统核心，完成了果园水肥一体化控制系统的硬件电路设计，确定了控制系统信息采集模块中各类型传感器的选型，给出了各种传感器在果园中的最佳部署方案，确定了果园中各传感器的无线供电及数据无线传输方法。

参考文献

[1] 李嵩.苹果园水肥灌溉决策控制系统设计与研究[D].新疆大学，2019

[3] 刘宽，吴翠侠，吴松，等.正方形网格划分的节点优化部署算法[J].轻工科技，2019，35（1）：77-79，87

[4] 毕庆生，顿文涛，赵玉成，等.传感器在农业节水灌溉中的应用[J].农业网络信息，2014（7）：69-72

[5] 张伟.果园水肥一体化控制系统设计与实现[D].华东交通大学，2017.