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基于的水肥一体化灌溉控制器设计

来源:现代农业研究 【在线投稿】 栏目:期刊导读 时间:2021-07-22

【作者】:网站采编
【关键词】:
【摘要】:粮食安全是关系国民经济命脉的关键。施肥灌溉在农作物生长和农业增产增收中扮演着重要角色[1]。水肥一体化灌溉是将灌溉与施肥合二为一的技术,配合滴灌技术对作物进行灌溉和

粮食安全是关系国民经济命脉的关键。施肥灌溉在农作物生长和农业增产增收中扮演着重要角色[1]。水肥一体化灌溉是将灌溉与施肥合二为一的技术,配合滴灌技术对作物进行灌溉和施肥,能够实时控制土壤湿度和肥力,起到节水、节肥的作用,极大满足农作物生长需求[2],促进作物生长和农业增产增收。

国内水肥一体化技术广泛应用于温室蔬菜、果树等设施化农业种植生产中,对农业增产起到了积极的促进作用。然而,市面上现有的水肥一体化设备成本昂贵、功能繁琐,农户使用意愿不强。目前中国西北干旱半干旱地区农户仍普遍采用传统粗放型灌溉模式,造成水资源浪费、土壤养分失衡、肥料利用效率低下等问题[3-5]。因此,设计一种价格合理、使用方便、功能够用、性能良好的水肥一体灌溉系统,可以极大改善中国西北地区中小型设施农业普及和推广的现状[6],增加中小型设施农业种植户的经济收益。

1 系统整体设计

系统以三菱FX型整体式PLC为核心控制元件,以土壤湿度传感器和土壤电导率传感器为信息采集器件,以过滤器、灌溉泵、施肥泵等为执行器件,以报警灯、蜂鸣器为报警装置。系统包含灌溉和施肥灌溉2种功能,用三位转换开关进行自动模式、手动模式、停止3种模式的切换[7]。

手动模式主要用于系统停机检修和维护调试,也可用于农户按照经验对农作物进行灌溉和施肥,当系统处于手动模式时,农户按下灌溉或施肥按钮,对应的执行机构动作、显示原件启动,提醒农户当前系统正处于灌溉或施肥工作中。自动模式主要用于系统长时间自动运行状态下,传感器首先对土壤湿度和肥力进行实时监测[8,9],当土壤需要施肥时,系统对应报警装置启动并开启灌溉施肥模式,施肥泵将事先配好的营养液引入管道,并通过滴灌设备对土壤进行施肥灌溉,同时施肥指示灯点亮,提醒农户当前处于施肥工作中;当土壤肥力符合要求时,施肥灌溉模式停止,对应指示灯熄灭;在施肥灌溉后,系统检测土壤是否缺水,若此时土壤含水量已达到设定值,系统停止工作。若施肥灌溉后土壤含水量仍不能达到设定值,系统启动灌溉模式,驱动灌溉泵运行对作物进行滴灌,同时对应指示灯开启,直至土壤含水量达标后系统停止。系统也可对当前土壤含水量进行单独检测,当传感器检测到土壤缺水时,系统发出缺水报警,开启灌溉模式,驱动灌溉泵运行将灌溉用水引入管道,对作物进行滴灌,当土壤含水量达到设定值时,灌溉模式停止,从而实现对作物的自动灌溉、无人值守[9]。系统结构如图1所示。

图1 系统结构

2 硬件设计

2.1 控制器

系统核心控制器采用三菱FX2N-32MR型可编程序控制器(简称PLC),该PLC内部有32点I/O接口、1~100 ms定时器256位、8K步EEPROM程序容量、128点16位数据寄存器,其结构紧凑、性能稳定,具有较高的性价比。

2.2 传感器

土壤湿度检测主要采用土壤水分传感器,其表面采用镀镍处理,导电性能高、耐腐蚀性强、使用寿命长、功耗低、测量精度高,可以在较宽的范围内测量土壤湿度,可通过电位器调节响应阀值,满足大多数农产品种植场景的需求。

PR-3000-ECH-I20型土壤电导率传感器通过测量土壤中介电常数,检测土壤水分及氮、磷、钾等盐离子电导率,输出信号为标准的4~20 mA电流,其电极采用特殊处理的合金材料,可承受较强的外力冲击,探针式设计保证测量精度检测。

2.3 滴灌管路及报警系统

滴灌系统采用2台潜水泵作为动力原件,潜水泵的启停由中间继电器控制,中间继电器接收PLC输出信号进行开启或关闭。滴灌管路布设应根据所栽培作物的株间距合理安排,采用聚丙烯插入式滴水器插入作物根部附近较深位置,并合理调节水滴速度。

报警和模式指示系统采用蜂鸣器、指示灯元器件完成。当土壤缺水或缺肥时对应指示灯闪烁、蜂鸣器报警,当系统进行灌溉或施肥灌溉工作时,报警指示灯熄灭,对应工作指示灯点亮。

2.4 I/O分配点

根据系统功能需要,综合日后功能扩展应留有适当余量,选择三菱FX2N-32M型PLC,确定1个数字量输入、5个数字量输出、土壤湿度传感器和土壤电导率传感器所采集的信息为模拟量数据,因此需要加挂FX0N-3A型模拟量模块2个,读取4~20 mA电流信号,分配PLC的I/O点如表1所示。

表1 PLC的I/O分配点?

文章来源:《现代农业研究》 网址: http://www.xdnyyj.cn/qikandaodu/2021/0722/1329.html

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