一种花卉种植水肥一体化控制系统的设计

作者简介：陈盈杉（2005—），女，本科生，研究方向：电气控制、动物科学。

摘 要：为实现家庭花卉种植灌溉施肥无人值守的自动化调节，设计出一种花卉种植水肥一体化控制系统。在分析花卉种植水肥一体化控制系统基本要求的基础上，阐述该系统的总体设计方案和各部分构成，并根据运行测试结果提出改进方向。该控制系统以西门子可编程控制器（PLC）为核心，采用传感器技术，通过设计好的控制程序来实时检测土壤湿度和电导率，并与预设的花卉生长所需水肥阈值进行比较，来决定是否报警。该控制系统以灌溉施肥泵为执行机构，有手动和自动两种工作模式供用户根据需要进行切换。经运行测试，该控制系统运行稳定可靠、操作简单、成本较低，适合推广应用。

关键词：花卉种植；水肥一体化；西门子PLC；传感器

中图分类号：TP273 文献标志码：B 文章编号：1674-7909（2024）1-141-4

DOI：10.19345/j.cnki.xckj.1674-7909.2024.01.035

0 引言

随着我国经济持续发展，人民物质生活水平有了进一步提高，人民群众已不再满足于物质生活的丰富，而是更加倾向于精神层面的满足。花卉是美的象征，而爱美之心人皆有之。鲜花不但能美化家庭、净化空气，还有益于人们的身心健康。因此，在家庭中种花养草逐渐成为许多人陶冶情操、提升生活情趣的重要方式［1］。花卉生长质量与其所处环境息息相关，其对温度、湿度和养分供应尤为敏感。在室内，温度一般能得到保证，灌溉和施肥成为家庭花卉种植的关键。此外，人们常因工作出差或走亲访友而无法及时给花卉灌溉、施肥，往往会造成花卉枝叶枯黄，甚至枯死。所以，人们急需一套操作简单方便、运行稳定可靠、制作成本低廉的小型家用花卉水肥一体化自动控制系统，通过事先设定的程序来实现自动灌溉和施肥。为解决此问题，设计出一种基于可编程控制器（PLC）的花卉种植水肥一体化控制系统。该系统以西门子PLC为控制核心，以湿度电导率传感器为实时数据采集元件，以灌溉施肥泵为执行机构。其中，PLC可根据预设程序来自动启动灌溉泵和施肥泵，具有可靠性高、稳定性好、抗干扰能力强、操作灵活的优点［2］。利用该水肥一体化控制系统对花卉生长环境进行调节，可让花卉健康生长。

1 控制系统总体要求分析

该花卉水肥一体化控制系统为一种小型简便自动控制系统，可实现无人值守时水肥一体化自动控制，主要应用于家庭，适当扩展后也可应用于小型花卉种植温室大棚中。因此，设计时要满足系统的元器件易采购、成本低、集成方便、可扩展、运行可靠等要求。该系统基本控制要求如下：系统运行时，有自动和手动两种工作模式，通过工作指示灯来指示当前工作模式；能实时检测花卉土壤湿度和电导率；能实时判断当前花卉土壤是否缺水或缺肥，在花卉土壤缺水或缺肥时要有声光报警提醒，并自动启动浇水泵或施肥泵，直到花卉土壤湿度和电导率恢复到正常值范围；能设定和修改花卉土壤湿度和电导率正常值范围；在手动工作模式下，用户可根据个人经验来启动或关闭浇水泵和施肥泵；当声光报警启动后，用户可人工手动复位蜂鸣器报警，但报警灯不可人工强制复位。

2 控制系统硬件设计

2.1 系统硬件设计总体框架

选用西门子S7-200SMART系列PLC为水肥一体化控制系统的控制器，配置高精度土壤湿度传感器来检测土壤湿度、专用土壤电导率传感器来检测土壤电导率，以小型隔膜灌溉泵和施肥泵作为执行器件，以红色报警灯、蜂鸣器作为土壤湿度与电导率超限预警设备，以绿色指示灯（长亮或闪烁）来指示当前工作方式（手动或自动工作模式）。该系统配置有三档转换开关，可在手动、停止和自动3种模式之间进行转换（停止时工作指示灯熄灭）；配置有手动灌溉和施肥按钮开关，用于在手动工作方式时启动或关闭浇水泵和施肥泵［3-4］。花卉水肥自动控制系统总体框架如图1所示。

该系统工作时以自动模式为主，一般不使用手动模式。手动模式主要用于系统集成、初期运行时功能调试及后期稳定运行期间的定期检修。用户也可使用该系统的手动模式，按照个人经验对花卉进行灌溉和施肥。当系统处于手动模式时，按下灌溉或施肥按钮，对应的执行机构动作、工作指示灯闪亮（自动模式时工作指示灯长亮）。

2.1.1 控制器和供电电源

考虑到控制系统总的I/O点数不超过20点，故选用西门子S7-200SMART SR20型可编程控制器作为系统控制器。若要增加I/O，扩展起来也很方便。该PLC配备西门子专用高速处理器芯片，其基本指令执行时间为0.15 μs，在同级别小型PLC中遥遥领先；CPU模块本体集成1个以太网接口和1个RS485接口，通过扩展CM01信号板，其通信端口数量可增加至3个；继电器输出，220 V AC 供电，12输入、8输出，最大可扩展到188点；内部有12 K程序存储区、8 K数据存储区。因该控制系统需要接入2路4～20 mA模拟量信号，所以还需扩展一块AE04模拟量输入模块（AE04模块最多可接入4路4～20 mA模拟量信号）［5-6］。

西门子S7-200SMART SR20型PLC属交流220 V供电型，可采用市电直接供电。但该系统还有中间继电器、工作指示灯、报警灯、蜂鸣器、灌溉泵、施肥泵等用电设备，考虑到用电安全，这些用电设备选用低压直流24 V电源供电类型。因此，该系统还需配置一个开关电源（交流220 V输入、直流24 V输出），选用型号是明伟NDR-240-24，最大输出电流为10 A、输出功率为240 W。为防止PLC直接驱动灌溉泵等负载时将对应的PLC输出点击穿，该系统采用PLC先输出控制中间继电器，再由中间继电器驱动负载的控制方式。

2.1.2 传感器

该系统配备有VMS-3000-ECH-I20型土壤湿度电导率二合一传感器进行检测。该传感器探针式测量电极采用奥氏体316型不锈钢合金材料（防锈、耐电解、耐盐碱腐蚀，还可承受较强的外力冲击），探针与机体之间用高密度环氧树脂进行高温真空灌装，传感器整机还做了IP68级防水防尘处理（可阻断水分进入传感器内部，保证传感器长时间可靠）。该传感器使用直流24 V电源，输出2路标准的4～20 mA电流信号，分别接入AE04模拟量输入模块的2路输入口；土壤湿度的测量范围为0～100%，电导率的测量范围为0～10 000 μs/cm。

2.1.3 执行器及报警器件

该水肥一体化控制系统主要应用于家庭环境，从用电安全方面考虑，除PLC控制器和开关的输入电源采用交流市电220 V外，其他用电设备统一使用开关电源输出的直流24 V电源；PLC控制系统先输出控制中间继电器，再由中间继电器间接控制灌溉泵、报警灯、蜂鸣器等设备。该水肥一体化控制系统采用2台直流ELP02-ED24型隔膜泵作为水和液体肥料的输送动力泵。隔膜泵的工作电压为直流24 V，最小流量为600 mL/min，扬程为20 m，PLC通过中间继电器来间接控制隔膜泵的启停。该系统采用蜂鸣器、红/绿指示灯来完成报警和工作模式指示。报警灯、蜂鸣器和工作模式指示灯均选用直流24 V供电型。当土壤水肥指标数值超过合理区间上限时，对应红色报警灯长亮；当土壤缺水或缺肥时，对应红色报警灯闪烁、蜂鸣器鸣叫报警；当系统执行灌溉或施肥操作时，对应绿色工作指示灯点亮（自动工作模式时长亮，手动工作模式时闪烁）。用户可通过手动复位使蜂鸣器停止鸣叫，但报警指示灯仍然闪烁，直到传感器测量到的数据在合理区间范围内才熄灭。

2.2 PLC输入输出I/O点分配

该控制系统有手动/自动模式转换开关、手动灌溉按钮、手动施肥按钮、蜂鸣器复位按钮等5个输入设备，以及灌溉、施肥灌溉、缺水报警、缺肥报警、高水报警、高肥报警、蜂鸣器、工作指示灯等8个中间继电器输出，另有2路4～20 mA模拟电流输入信号。综上所述，该系统PLC的I/O分配见表1。

表1 PLC的I/O分配

[I/O点 功能说明 I/O点 功能说明 I0.0 手动方式开关 Q0.3 Z4中继（缺肥报警） I0.1 自动方式开关 Q0.4 Z5中继（高水报警） I0.2 手动灌溉按钮 Q0.5 Z6中继（高肥报警） I0.3 手动施肥按钮 Q0.6 Z7中继（报警蜂鸣器） I0.4 蜂鸣器报警复位按钮 Q0.7 Z8中继（工作指示灯） Q0.0 Z1中继（灌溉泵） AIW16 土壤湿度 Q0.1 Z2中继（施肥泵） AIW18 土壤电导率 Q0.2 Z3中继（缺水报警） ]

2.3 硬件接线

综上所述，该系统硬件接线如图2所示。西门子S7-200SMART PLC的输入继电器I0.0～I0.4分别接入5个输入设备，输出继电器Q0.0～Q0.7分别连接Z1～Z8等8个中间继电器，土壤湿度传感器接入AE04模拟量扩展模块的AI0口，土壤电导率传感器接入AE04模块的AI1口，浇水泵、施肥泵、报警灯、蜂鸣器、工作指示灯等8个被控设备分别通过Z1～Z8中间继电器的常开开关连接到开关电源。

3 PLC控制软件设计

PLC控制系统运行模式有手动、自动 、停止3种。当运行模式开关处于手动或自动位置时，PLC控制程序先运行初始化子程序，对一些内部变量进行清零或赋初值，设定土壤湿度、电导率合理区间的最大值和最小值，设定土壤湿度、电导率传感器的采样区间。该系统分别读取土壤湿度、电导率数据，经过数据运算后，与其设定的合理区间最大值和最小值进行比较，如果超过最大值或小于最小值，则相应报警程序运行（超过合理区间最大值时相应红色报警灯长亮，低于合理区间最小值时红色报警灯闪烁，同时启动蜂鸣器提醒）。

接下来判断模式选择开关处于手动还是自动位置。手动模式用于系统初期调试、稳定运行期间的定期维护检修及根据个人经验来灌溉、施肥。在手动模式中，操作人员可任意按下加水灌溉启动按钮，系统将启动加水灌溉泵；当按下施肥按钮时，系统将启动施肥泵；直至操作人员再次按下启动按钮，按钮弹起，系统停止作业。

在自动模式中，程序先判断目前土壤是否缺肥。如果土壤缺肥，程序启动施肥泵输送液体肥料，直到土壤肥力升高，电导率回升到设定区间上下限内为止；如果土壤不缺肥，程序进行下一步，即判断土壤是否缺水，如果缺水，则启动加水灌溉泵输送水分，直到土壤湿度升高，湿度值回升到土壤湿度设定区间上下限内；如果不缺肥也不缺水，则程序返回进行下一周期工作。系统运行流程如图3所示。

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图3 系统运行流程

4 系统运行测试

运行测试前，在PLC程序中设定土壤湿度上限报警值为80%、下限报警值为50%，土壤湿度合理区间为50%～72%；设定土壤电导率上限报警值为1 000 μs/cm、下限报警值为300 μs/cm，土壤电导率合理区间为300～800 μs/cm（以上所有设定值仅为测试该控制系统运行情况而暂时设定，非最佳参数）。运行测试时选择自动运行方式，分别在3个时间段把湿度电导率二合一传感器插入三盆不同花卉的土壤，测得土壤数据及PLC控制系统输出报警及控制灌溉泵情况见表2、表3、表4，执行结果均达到设计要求。

5 结束语

此研究设计了一种基于PLC的花卉种植水肥一体化控制系统，将传感器技术、PLC技术等科学技术与花卉种植相结合。该系统的制作开发周期较短、成本较低、操作方便、功能基本齐全，能实现对家庭花卉土壤湿度和电导率的实时监测和声光报警、自动进行灌溉和施肥，可为花卉提供优质的生长环境，有一定的推广价值。但该系统功能相对简单，人机交互不友好，也没有对温度、光照等其他影响因素进行测量监控，后续在经济条件允许的情况下，可在人机交互、温度监控等方面进一步完善。

参考文献：

［1］王福兴.家庭花卉养护技术［J］.上海蔬菜，2012（6）：67-68.

［2］李宗昊，杨洁.基于PLC技术的花卉温室自动控制系统研究［J］.南方农机，2020（20）：80-82.

［3］蔡长青，侯首印，张桢，等.温室智能灌溉水肥一体化监控系统［J］.江苏农业科学，2017（10）：164-166.

［4］赵进，张越，赵丽清，等.水肥一体化智能管理系统设计［J］.中国农机化学报，2019（6）：184-190.

［5］廖常初.PLC编程及应用（第4版）［M］.北京：机械工业出版社，2014.

［6］韩相争.西门子S7-200 SMART PLC编程技巧与案例［M］.北京：化学工业出版社，2017.