基于PLC的智能灌溉施肥机的设计.pdf

农 业 与 技 术 农 业 工 程 基 于 的 智 能 灌 溉 施 肥 机 的 设 计 张 明 宇 刘 峰 王 强 郑 永 鑫 杨 晶 安 帅 霖 吉 林 省 农 业 机 械 研 究 院 吉 林 长 春 摘 要 通 过 结 合 技 术 触 摸 屏 技 术 和 传 感 器 技 术 研 究 设 计 了 一 种 基 于 的 智 能 灌 溉 施 肥 机 解 决 了 施 肥 问 题 提 高 了 水 肥 利 用 率 减 少 了 对 环 境 的 不 利 影 响 同 时 实 现 了 按 需 灌 溉 施 肥 的 精 确 控 制 为 农 业 生 产 的 标 准 化 自 动 化 和 集 约 化 发 展 提 供 了 必 要 的 保 证 关 键 词 按 需 灌 溉 精 准 控 制 施 肥 机 中 图 分 类 号 文 献 标 识 码 收 稿 日 期 作 者 简 介 张 明 宇 男 硕 士 高 级 工 程 师 研 究 方 向 农 业 工 程 与 农 业 节 水 灌 溉 应 用 等 引 言 智 能 灌 溉 和 施 肥 技 术 是 结 合 养 分 溶 液 和 灌 溉 的 自 动 分 配 的 现 代 农 业 技 术 营 养 液 分 配 的 准 确 性 会 影 响 农 作 物 的 养 分 供 应 灌 溉 量 会 影 响 农 作 物 水 分 的 供 应 精 确 控 制 施 肥 量 灌 溉 量 和 施 肥 时 间 不 仅 可 以 有 效 提 高 农 作 物 的 质 量 和 产 量 还 可 以 提 高 水 肥 资 源 利 用 率 节 约 资 源 减 少 环 境 污 染 目 前 我 国 的 园 艺 保 护 面 积 已 达 万 占 世 界 总 面 积 的 以 上 在 各 种 温 室 中 自 动 灌 溉 和 施 肥 的 应 用 已 变 得 越 来 越 普 遍 同 时 自 动 灌 溉 和 施 肥 技 术 在 田 间 栽 培 物 种 中 的 使 用 也 在 增 加 由 于 不 同 作 物 或 同 一 作 物 不 同 生 长 期 的 营 养 液 浓 度 是 动 态 变 化 的 因 此 现 有 的 灌 溉 和 施 肥 系 统 很 难 满 足 生 产 要 求 本 文 设 计 了 一 种 智 能 化 灌 溉 施 肥 机 其 包 含 个 营 养 液 通 道 和 个 酸 液 控 制 通 道 可 以 实 现 对 在 线 监 测 系 统 和 肥 液 流 量 智 能 控 制 从 而 实 现 精 确 地 灌 溉 和 施 肥 系 统 总 体 设 计 智 能 化 灌 溉 施 肥 机 主 要 由 个 水 泵 个 流 量 调 节 阀 个 储 肥 装 置 套 智 能 控 制 系 统 和 若 干 输 送 管 道 等 组 成 也 可 以 根 据 用 户 的 特 殊 需 要 进 行 相 应 地 定 制 如 图 所 示 施 肥 控 制 器 根 据 传 感 器 反 馈 的 参 数 和 用 户 设 置 值 调 节 电 磁 阀 的 开 度 使 得 流 量 调 节 阀 的 肥 液 吸 收 率 达 到 预 设 值 从 而 实 现 精 确 地 肥 液 分 配 灌 溉 控 制 器 通 过 用 户 设 定 的 预 期 值 与 土 壤 水 分 传 感 器 采 集 到 的 数 据 进 行 对 比 当 土 壤 水 分 传 感 器 数 值 到 达 预 设 值 下 限 灌 溉 控 制 器 指 令 灌 溉 泵 的 开 启 当 土 壤 水 分 传 感 器 数 值 到 达 预 设 值 上 限 灌 溉 控 制 器 指 令 灌 溉 泵 的 闭 合 图 系 统 总 体 设 计 配 肥 与 灌 溉 系 统 设 计 配 肥 系 统 肥 液 分 配 系 统 主 要 包 括 施 肥 管 路 电 磁 阀 肥 液 罐 流 量 调 节 阀 和 施 肥 控 制 单 元 该 系 统 可 以 根 据 作 物 的 不 同 需 求 进 行 相 应 的 初 始 参 数 设 置 智 能 灌 溉 施 肥 机 配 有 个 肥 液 储 存 罐 可 以 添 加 不 同 的 肥 液 每 个 肥 液 储 罐 都 有 个 独 立 的 流 量 调 节 阀 和 个 通 向 主 管 道 的 电 磁 阀 肥 料 通 过 混 合 泵 和 调 节 阀 送 到 混 合 罐 将 肥 料 均 匀 混 合 该 系 统 配 备 了 值 和 值 检 测 功 能 可 根 据 植 物 的 不 同 需 求 完 成 不 同 比 例 的 灌 溉 施 肥 在 水 肥 混 合 计 时 模 式 下 工 作 时 先 设 置 值 或 值 目 标 值 然 后 在 参 数 设 置 项 中 选 择 或 上 下 限 阈 值 选 择 灌 溉 泵 灌 溉 时 间 混 合 泵 肥 料 罐 施 肥 时 间 灌 溉 渠 道 选 择 完 成 后 启 动 设 农 业 工 程 农 业 与 技 术 备 以 完 成 施 肥 操 作 灌 溉 系 统 灌 溉 系 统 主 要 包 括 灌 溉 管 路 电 磁 阀 灌 溉 泵 和 灌 溉 控 制 单 元 当 需 要 给 作 物 进 行 补 水 时 可 以 开 启 智 能 化 的 按 需 灌 溉 模 式 也 可 以 开 启 实 现 常 规 手 动 操 作 模 式 在 常 规 模 式 下 仅 需 在 参 数 设 置 项 目 中 打 开 灌 溉 泵 和 灌 溉 通 道 选 择 项 即 可 实 现 对 灌 溉 的 手 动 控 制 其 它 无 需 打 开 除 了 手 动 模 式 的 选 择 参 数 外 还 可 以 将 计 时 模 式 设 置 为 灌 溉 时 间 以 实 现 计 时 灌 溉 检 测 与 控 制 系 统 设 计 检 测 系 统 土 壤 水 分 传 感 装 置 传 感 器 传 感 器 无 线 网 络 和 转 换 模 块 构 成 了 灌 溉 施 肥 机 的 检 测 系 统 由 于 作 物 区 安 置 的 土 壤 水 分 传 感 器 距 离 灌 溉 施 肥 机 的 控 制 单 元 比 较 远 因 此 选 用 无 线 传 感 器 配 合 协 议 组 成 无 线 网 络 节 点 控 制 单 元 接 收 到 远 端 土 壤 水 分 传 感 器 采 集 的 信 号 进 行 数 据 分 析 对 比 然 后 再 对 整 个 灌 溉 施 肥 系 统 的 执 行 机 构 发 出 指 令 本 检 测 系 统 还 配 备 了 套 传 感 器 进 行 测 试 营 养 液 的 浓 度 和 酸 度 个 作 为 系 统 控 制 信 号 个 作 为 监 视 信 号 控 制 系 统 控 制 系 统 由 电 气 控 制 系 统 和 智 能 控 制 器 部 分 组 成 用 于 灌 溉 施 肥 机 工 作 过 程 的 自 动 控 制 控 制 器 主 芯 片 选 用 超 高 速 单 片 机 其 具 有 超 强 抗 干 扰 超 低 价 高 速 低 功 耗 等 特 点 系 统 输 入 包 含 路 光 电 隔 离 开 关 量 输 入 路 位 模 拟 量 采 集 路 模 拟 量 输 出 路 继 电 器 无 源 输 出 路 标 准 接 口 通 过 的 与 触 摸 屏 进 行 通 讯 触 摸 屏 用 来 显 示 值 水 泵 电 磁 阀 调 节 阀 运 行 状 态 可 以 动 画 直 观 显 示 管 网 运 行 图 并 将 设 置 参 数 运 行 指 令 传 给 由 根 据 运 行 条 件 来 启 动 相 应 的 水 泵 和 控 制 电 磁 阀 的 动 作 也 可 根 据 值 的 控 制 调 节 阀 来 控 制 营 养 液 浓 度 和 酸 碱 度 具 体 电 气 原 理 主 控 如 图 所 示 图 电 气 原 理 主 控 图 软 件 设 计 编 程 编 程 采 用 触 摸 屏 自 带 的 编 程 软 件 程 序 主 要 功 能 包 括 系 统 启 动 后 用 户 可 以 选 择 种 工 作 模 式 手 动 模 式 自 动 模 式 能 够 实 时 显 示 监 测 到 的 土 壤 湿 度 压 力 等 参 数 一 旦 参 数 值 超 出 预 期 用 户 设 定 的 上 下 限 阈 值 会 出 现 预 警 提 示 在 灌 溉 施 肥 机 处 于 自 动 模 式 工 作 状 态 下 系 统 会 根 据 传 感 器 检 测 参 数 反 馈 的 信 号 和 用 户 设 定 值 进 行 分 析 比 对 最 后 判 定 系 统 做 出 是 否 开 启 灌 溉 模 式 或 者 施 肥 模 式 在 灌 溉 施 肥 机 处 于 手 动 模 式 工 作 状 态 下 系 统 可 以 进 行 灌 溉 施 肥 操 作 以 及 设 置 灌 溉 周 期 施 肥 量 和 灌 溉 施 肥 通 道 的 选 择 控 制 人 机 界 面 设 计 在 触 摸 屏 上 用 软 件 绘 制 和 处 理 功 能 性 任 务 逻 辑 屏 幕 利 用 其 组 态 软 件 对 触 摸 界 面 的 触 摸 工 作 关 系 进 行 配 置 生 成 个 组 态 文 件 将 组 态 文 件 下 载 到 可 以 进 行 测 试 和 修 改 的 触 摸 屏 的 终 端 使 用 户 计 划 监 测 到 参 数 能 够 和 屏 幕 上 的 变 量 相 匹 配 同 时 得 到 设 备 和 控 制 设 备 的 逻 辑 程 序 设 置 在 操 作 系 统 中 嵌 入 的 任 务 通 过 串 口 与 液 晶 触 摸 屏 通 信 外 部 设 备 收 集 的 数 据 将 被 正 常 工 作 的 逻 辑 模 块 进 行 处 理 并 转 换 实 时 显 示 在 触 摸 屏 上 其 可 以 负 责 数 据 显 示 和 修 改 如 图 所 示 农 业 与 技 术 农 业 工 程 图 人 机 界 面 人 机 界 面 主 要 包 括 检 测 参 数 设 置 模 块 主 要 设 置 值 和 值 压 力 参 数 灌 溉 施 肥 模 块 可 以 选 择 灌 溉 施 肥 或 者 灌 溉 施 肥 同 时 进 行 以 及 灌 溉 施 肥 通 道 的 参 数 设 置 等 主 控 制 接 口 模 块 实 时 显 示 检 测 值 压 力 手 动 自 动 模 式 的 选 择 和 灌 溉 施 肥 周 期 的 选 择 等 报 警 设 置 模 块 设 置 值 和 值 上 下 限 可 以 自 动 进 行 阈 值 预 警 展 望 本 文 以 温 室 中 的 精 确 灌 溉 和 施 肥 系 统 为 研 究 对 象 应 用 到 当 前 在 生 产 中 的 常 规 做 法 收 集 和 值 从 而 间 接 判 断 作 物 的 水 肥 供 应 最 科 学 的 水 肥 管 理 目 标 应 该 是 哪 里 的 农 作 物 缺 水 就 补 给 相 应 的 水 量 哪 里 的 农 作 物 缺 肥 就 补 给 相 应 的 肥 量 但 这 需 要 能 够 准 确 检 测 出 作 物 中 水 分 和 肥 料 的 流 失 情 况 解 决 此 问 题 的 方 法 是 进 行 生 理 学 研 究 研 发 出 可 直 接 测 量 农 作 物 生 理 参 数 的 传 感 器 监 控 设 备 并 将 间 接 测 量 改 为 直 接 测 量 进 而 为 作 物 的 水 肥 控 制 精 准 化 提 供 技 术 支 持 参 考 文 献 李 清 明 邹 志 荣 不 同 灌 溉 上 限 对 温 室 黄 瓜 初 花 期 生 长 动 态 产 量 及 品 质 的 影 响 西 北 农 林 科 技 大 学 学 报 自 然 科 学 版 陈 小 彬 水 肥 一 体 化 技 术 在 设 施 农 业 中 的 应 用 调 查 福 州 福 建 农 林 大 学 张 玉 龙 保 护 地 土 壤 水 分 管 理 及 其 土 壤 退 化 防 治 技 术 研 究 进 展 与 展 望 沈 阳 农 业 大 学 学 报 郭 世 荣 孙 锦 束 胜 等 我 国 设 施 园 艺 概 况 及 发 展 趋 势 中 国 蔬 菜 魏 灵 玲 杨 其 长 汪 晓 云 等 多 功 能 水 耕 栽 培 装 置 营 养 液 自 控 系 统 的 研 制 及 应 用 效 果 农 业 工 程 学 报 李 凯 毛 罕 平 李 百 军 实 时 施 肥 灌 溉 自 动 控 制 系 统 的 研 制 江 苏 理 工 大 学 学 报 自 然 科 学 版 杨 仁 全 杨 春 园 吴 松 等 精 密 施 肥 机 的 设 计 与 应 用 中 国 农 业 工 程 学 会 中 国 农 业 大 学 北 京 农 业 工 程 学 会 农 业 生 物 环 境 与 能 源 工 程 国 际 论 坛 论 文 集 中 国 农 业 工 程 学 会 中 国 农 业 大 学 北 京 农 业 工 程 学 会 中 国 农 业 工 程 学 会 吴 玉 发 水 肥 一 体 化 自 动 精 准 灌 溉 施 肥 设 施 技 术 的 研 究 和 实 现 现 代 农 业 装 备 邹 升 毛 罕 平 左 志 宇 基 于 的 灌 溉 施 肥 机 上 位 机 软 件 系 统 设 计 安 徽 农 业 科 学 张 琼 赵 春 江 王 成 等 基 于 处 理 器 的 自 动 灌 溉 施 肥 数 据 采 集 控 制 系 统 英 文 农 业 工 程 学 报 责 任 编 辑 周 康