果园水肥一体化系统方案设计及关键技术

胡佳宁 刘旋 周棕凯 辛忠伟

摘要：根据河北省现有果园灌溉施肥中存在的自动化水平低、灌溉施肥决策不合理等问题，设计了基于PLC的果园水肥一体化系统方案。系统以西门子PLC为核心，通过分布于果园中的各类传感器采集果园土壤信息、果树生长信息以及气象信息等，采用Modbus数据通讯协议实现系统的数据传输，明确了系统的关键技术。

关键词：果园;PLC;水肥一体化系统;关键技术

针对河北省果园施肥灌溉自动化水平不高、肥料利用率较低、关键技术推广不全面的问题，设计了一种基于PLC的果园水肥一体化控制系统方案，该设计方案利用现有关键技术，推动了果园生产自动化的普及，为果园水肥一体化发展提供了新方案。

1  系统设计原则

果树受生长环境、气候环境、生长阶段等因素影响，因此果园灌溉施肥控制系统的设计必须综合考虑上述因素，设计时应满足以下设计原则：

（1）操作简便性：自动控制系统多数由专业知识薄弱的果农操作使用，因此控制系统设计要充分考虑到操作的简易程度，控制操作界面的设计要清晰简明。

（2）可靠性：果园灌溉施肥决策和控制系统应能长期保持稳定的工作。系统设计时应充分考虑PLC及拓展模块工作的稳定性、传感器数据采集和传输的抗干扰性、执行机构动作的准确性等。

（3）可修改性：因为果园作物受生长环境、气候环境、果树种类、果树生长阶段等因素影响，因此设计系统时应能根据上述环境的不同而进行修改。

（4）经济性：该控制系统主要应用于中、小规模的果园生产，所以在满足系统工作性能的基础上，应选用经济实用的设计方案，以降低成本投入。

2  系统总体架构

根据河北省果园灌溉施肥中存在的主要问题，设计了基于PLC的果园水肥一体化系统方案。系统采用上位机、下位机结构，上位机由触摸屏构成，下位机由西门子S7-200 SMART构成，采用以太网通信。下位机接收传感器上传的数据信息并处理，其中传感器与S7-200 SMART采用MODBUS通信，上位机负责系统的参数、命令输入和状态监控，系统结构如图1所示。

3  关键技术

3.1  Modbus通讯协议

Modbus通讯协议是应用于电子控制器上的一种数据传输协议，通过此通讯协议，控制器相互之间以及控制设备间可以实现数据实时通信，在运用Modbus协议进行通讯时，主站需要识别被控制设备所对应的从站地址，从而完成所收数据的识别工作。

3.2  传感器的部署及数据采集

果园灌溉施肥控制系统中的传感器部署是静态的、计划的部署，在部署时需要考虑传感器节点的稳定性和经济性，即如何在使用相对少的节点数量情况下实现最大的覆盖面积。由于现代果园在规划时较为整齐，因此对于土壤节点的部署来说，可以根据平面镶嵌的理论，结合果园的实际地形，采用正多边形网格划分的节点优化对系统中的节点部署。对于果树节点来说，选择随机部署的方式，从而获得果树冠层和叶面的温湿度情况。同时在果园中部署小型气象站，进而将土壤信息、果树信息和气象信息相结合指导果园灌溉施肥过程。

图1  果园水肥一体化自动控制系统结构框图

3.3  监控平台设计

果园灌溉施肥控制系统使用云平台和西门子SMART 700 IE V3触摸屏作为监控平台，PLC与触摸屏采用以太网的方式实现数据实时通讯，其中触摸屏采用WinCC flexible SMART V3軟件进行设计。监控平台提供果园数据信息显示界面、自动灌溉和施肥参数设置界面、手动控制界面、历史曲线界面和系统动态监控等界面，实现了系统与用户之间的人性化、便捷化交互。

4  结语

根据我省果园水肥一体化技术中存在的问题，在分析果园水肥一体化系统设计原则的基础上，确定了果园水肥一体化控制系统方案，对Modbus数据通讯、监控平台设计等关键技术进行了分析，为传感器的部署与数据采集提供了方案。

参考文献

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