基于PLC的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和智能化的發(fā)展，傳統(tǒng)的灌溉方式已難以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高效、節(jié)能和環(huán)保要求。因此，設(shè)計(jì)一套基于可編程邏輯控制器（PLC）的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)顯得尤為重要。該系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)灌溉過(guò)程的自動(dòng)化、精準(zhǔn)化及智能化，從而提高灌溉效率，節(jié)約水資源，并適應(yīng)不同農(nóng)作物和土壤條件的需求。本設(shè)計(jì)利用了西門(mén)子S7-1200SMART系列可編程控制器（PLC），設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)有三種工作模式，即手動(dòng)模式、自動(dòng)模式和定時(shí)模式。傳感器可以實(shí)時(shí)采集和控制土壤的濕度和PH值傳送到控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，同時(shí)監(jiān)控土壤的飽和度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤的自動(dòng)灌溉。用戶可以通過(guò)觸摸屏來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤中的濕度信息，并且可以自由的選擇三種控制模式來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉的調(diào)節(jié)控制。相比于傳統(tǒng)的灌溉技術(shù)，本設(shè)計(jì)使灌溉更加地科學(xué)、方便，同時(shí)也可以提高管理水平，節(jié)約水資源。關(guān)鍵詞：可編程控制器（PLC）；自動(dòng)灌溉技術(shù)；監(jiān)控系統(tǒng)PLC-basedautomaticirrigationsystemdesignABSTRACTWiththedevelopmentofagriculturalmodernizationandintelligence,traditionalirrigationmethodshavebeendifficulttomeettherequirementsofhighefficiency,energysavingandenvironmentalprotectionofmodernagriculturalproduction.Therefore,itisparticularlyimportanttodesignanautomaticirrigationsystembasedonaprogrammablelogiccontroller(PLC).Thesystemisdesignedtoautomate,precisionandintelligentizetheirrigationprocess,therebyimprovingirrigationefficiency,conservingwaterresources,andadaptingtotheneedsofdifferentcropandsoilconditions.ThisdesignutilizestheSiemensS7-1200SMARTseriesprogrammablecontroller(PLC)todesignanautomaticirrigationsystem,whichhasthreeworkingmodes,namelymanualmode,automaticmodeandtimedmode.ThesensorcancollectandcontrolthemoistureandPHvalueofthesoilinrealtimeandtransmitittothecontrollerfordataanalysis,andatthesametimemonitorthesaturationofthesoil,soastorealizeautomaticirrigationofthesoil.Userscanmonitorthemoistureinformationinthesoilinrealtimethroughthetouchscreen,andcanfreelychoosethreecontrolmodestoachieveautomaticirrigationadjustmentcontrol.Comparedwiththetraditionalirrigationtechnology,thisdesignmakesirrigationmorescientificandconvenient,andcanalsoimprovethemanagementlevelandsavewaterresources.Keywords：ProgrammableLogicControllers（PLC）;AutomaticirrigationTechnology;Monitoringsystem目錄TOC\o"1-3"\h\u1緒論 [5]。166265.2軟件設(shè)計(jì)119525.2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)根據(jù)自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的功能需求，將系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為如圖4.1所示的3層，即后臺(tái)服務(wù)層、中間處理器層、末端執(zhí)行層。每層的具體模塊和功能如下：（1）后臺(tái)服務(wù)層主要包括以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)區(qū)域和觸摸屏、觸摸屏?xí)r整個(gè)系統(tǒng)的“眼睛”，通過(guò)屏幕的參數(shù)的變化，對(duì)整個(gè)灌溉區(qū)域進(jìn)行全方面的監(jiān)控，能夠彌補(bǔ)因?yàn)閿?shù)據(jù)采集塊發(fā)生故障而數(shù)據(jù)缺失的監(jiān)控盲區(qū)。（2）中央處理層主要包括工控機(jī)、PLC控制器和通信模塊。工控機(jī)接受數(shù)據(jù)采集模塊采集帶的數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的分析、處理，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)通信模塊，利用通信協(xié)議，將處理分析后的控制參數(shù)傳輸至PLC控制器中；PLC控制器根據(jù)硬件組態(tài)以及I/O接口定義，將相應(yīng)的控制參數(shù)下發(fā)到各個(gè)灌溉執(zhí)行設(shè)備當(dāng)中。（3）末端執(zhí)行層主要包括數(shù)據(jù)采集模塊和灌溉執(zhí)行設(shè)備，數(shù)據(jù)采集模塊主要包括各類傳感器、數(shù)據(jù)變送器等，負(fù)責(zé)完成對(duì)土壤的濕度和PH值的灌溉，執(zhí)行設(shè)備主要包括各類控制單元和信號(hào)指示單元，比如電磁閥、狀態(tài)指示燈和報(bào)警指示燈等等，可以根據(jù)監(jiān)控的結(jié)果以及手動(dòng)設(shè)置的結(jié)果，接收中央處理器傳輸?shù)目刂菩盘?hào)，完成自動(dòng)灌溉的智能化控制。圖4.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖19715.2.2主程序設(shè)計(jì)(1)主程序流程圖圖4-2系統(tǒng)主程序流程圖系統(tǒng)通上電之后，可以根據(jù)不同需求來(lái)決定手動(dòng)灌溉模式還是自動(dòng)灌溉模式。當(dāng)選擇自動(dòng)灌溉模式時(shí)，系統(tǒng)上電之后，液位傳感器感知蓄水池液位過(guò)低，放水閥門(mén)開(kāi)啟，當(dāng)液位傳感器感知到蓄水池液位過(guò)高，放水閥門(mén)關(guān)閉。當(dāng)選擇手動(dòng)灌溉模式時(shí)，個(gè)人會(huì)根觸摸屏上各項(xiàng)數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行對(duì)各項(xiàng)模塊手動(dòng)調(diào)整，比如土壤的濕度過(guò)低，我們會(huì)手動(dòng)進(jìn)行打開(kāi)抽水泵對(duì)灌溉區(qū)域進(jìn)行放水，土壤濕度過(guò)高時(shí)會(huì)手動(dòng)關(guān)閉抽水泵等等。當(dāng)溉模式設(shè)置為濕度灌溉模式時(shí)，需要設(shè)置濕度參數(shù)上限值和下限值。當(dāng)濕度傳感器感知到土壤濕度值低于設(shè)置的下限值時(shí)，灌溉水泵電機(jī)自動(dòng)上電，之后打開(kāi)灌溉電磁閥對(duì)灌溉區(qū)域進(jìn)行灌溉；當(dāng)濕度傳感器感知到土壤濕度值高于設(shè)置的上限值時(shí)，土壤濕度達(dá)到飽和，灌溉水泵電機(jī)下電，之后關(guān)閉灌溉電磁閥.當(dāng)灌溉模式設(shè)置為時(shí)間灌溉模式時(shí)，需要設(shè)置對(duì)灌溉區(qū)域的灌溉時(shí)間。當(dāng)實(shí)際計(jì)時(shí)灌溉時(shí)間小于所設(shè)置的時(shí)間，灌溉電機(jī)繼續(xù)工作，灌溉電磁閥繼續(xù)為灌溉區(qū)域灌溉。當(dāng)實(shí)際計(jì)時(shí)灌溉時(shí)間大于所設(shè)置的時(shí)間，灌溉電機(jī)停止工作，灌溉電磁閥關(guān)閉。當(dāng)灌溉模式設(shè)置為PH值灌溉模式時(shí)，需要設(shè)置土壤的PH值，當(dāng)實(shí)際灌溉區(qū)域土壤PH值小于所設(shè)置的PH值，灌溉電機(jī)繼續(xù)工作，灌溉電磁閥繼續(xù)為灌溉區(qū)域灌溉。當(dāng)實(shí)際灌溉區(qū)域土壤PH值大于所設(shè)置的PH值，灌溉電機(jī)停止工作，灌溉電磁閥關(guān)閉。除此之外，積水傳感器可以感知到灌溉區(qū)域積水嚴(yán)重并將此信號(hào)傳送給排水電機(jī)，然后排水電機(jī)上電打開(kāi)排水電磁閥對(duì)灌溉區(qū)域進(jìn)行排水，系統(tǒng)將積水排到蓄水池，以達(dá)到水資源的合理利用；相反，排水電機(jī)下電，關(guān)閉排水電磁閥。。19715.2.3觸摸屏設(shè)計(jì)觸摸屏是控制系統(tǒng)中直接與操作人員接觸的元件，也叫人工界面，可連接可PLC、儀表、PC機(jī)等設(shè)備，通過(guò)液晶顯示向工作人員展示設(shè)備近九天的實(shí)際情況，也可以通過(guò)輸入單元操作命令或參數(shù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)信息交換。本次系統(tǒng)控制中心選用TP1200精致面板觸摸屏，如圖4.3所示。系統(tǒng)控制中心選用此觸摸屏的優(yōu)點(diǎn)如下：（1）顯示效果好，采用高分辨率液晶顯示屏，顯示效果清晰，可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息，提高用戶的操作體驗(yàn)。（2）觸摸操作方便，可以快速響應(yīng)用戶的操作指令。（3）可靠性高，具有防水、防震、防干擾等特點(diǎn)，確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。（4）安全性好，該觸摸屏支持密碼保護(hù)和權(quán)限管理功能，可以限制非授權(quán)用戶的操作權(quán)限，保證系統(tǒng)的安全性。如圖4.3所示觸摸屏參數(shù)。圖監(jiān)控界面設(shè)計(jì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)畫(huà)面由蓄水池、灌溉水泵電機(jī)、排水電機(jī)、當(dāng)前時(shí)間、電磁閥、灌溉區(qū)域、各類按鈕、開(kāi)關(guān)、當(dāng)前濕度、當(dāng)前運(yùn)行模式、當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)、當(dāng)時(shí)方式選擇和參數(shù)設(shè)置組成。模擬灌溉狀態(tài)，蓄水池中的水通過(guò)灌溉電機(jī)流向灌溉區(qū)域，然后農(nóng)田濕度逐漸升高的過(guò)程。除此之外，按下手動(dòng)按鈕，手動(dòng)指示燈燈亮，電磁閥打開(kāi)后開(kāi)始灌溉，再次按下手動(dòng)按鈕，灌溉模式停止；按下自動(dòng)按鈕，自動(dòng)指示燈燈亮，只需設(shè)置所需濕度上限和下限，電磁閥即可接收濕度傳感器檢測(cè)到的濕度信息自動(dòng)做出相應(yīng)反應(yīng)。當(dāng)按下定時(shí)按鈕時(shí)，整個(gè)組態(tài)會(huì)根據(jù)畫(huà)面中當(dāng)前的時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)反應(yīng)，監(jiān)控系統(tǒng)畫(huà)面如圖所示。監(jiān)控系統(tǒng)畫(huà)面參數(shù)面板設(shè)置可以設(shè)置土壤濕度的上限值和下限值、灌溉時(shí)間的設(shè)置、土壤PH值的設(shè)置。參數(shù)設(shè)置畫(huà)面MCGS與PLC端口連接68865.3模塊程序設(shè)計(jì)119525.3.1手動(dòng)、自動(dòng)模塊程序（部分）119525.3.2手動(dòng)運(yùn)行模塊程序（部分）119525.3.3自動(dòng)運(yùn)行模塊程序（部分）119525.3.4模擬量處理模塊程序（部分）119525.3.5參數(shù)表5.4本章小結(jié)本章主要介紹了自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，包括系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、主程序設(shè)計(jì)、觸摸屏設(shè)計(jì)、模塊化程序設(shè)計(jì)等。本章主要內(nèi)容為：首先，設(shè)計(jì)了自動(dòng)灌溉系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)方案，包括對(duì)軟件設(shè)計(jì)原則的分析；其次，對(duì)主程序的設(shè)計(jì)、模塊化設(shè)計(jì)等；最后，完成了自動(dòng)灌溉系統(tǒng)程序的觸摸屏設(shè)計(jì)、手動(dòng)控制系統(tǒng)、自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)、灌溉模式、以及各項(xiàng)參數(shù)的確定，確保了軟件的功能完整性、穩(wěn)定性和易用性。142846系統(tǒng)調(diào)試6.1仿真調(diào)試（1）按下手動(dòng)模式時(shí)，手動(dòng)點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)運(yùn)行指示燈異常，說(shuō)明系統(tǒng)只能用手動(dòng)按鈕進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)的操作，手動(dòng)開(kāi)啟電機(jī)灌溉。如下圖所示（2）按下自動(dòng)按鈕時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行指示燈正常亮起，表示自動(dòng)模式啟動(dòng)，由圖可以看到設(shè)定的濕度上限為40%，設(shè)定的濕度下限是30%，當(dāng)前灌溉區(qū)域的濕度為20%，低于設(shè)定濕度的下限值30%，土壤濕度指示燈異常，給灌溉電機(jī)上電信號(hào)，電磁閥處于打開(kāi)狀態(tài)。如下圖所示（3）在自動(dòng)模式下，當(dāng)土壤當(dāng)前的濕度值為50%，而設(shè)定的濕度值上限為40%，濕度下限值為30%，此時(shí)土壤的濕度值50%遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)定濕度上限值40%，土壤濕度指示燈異常，給灌溉電機(jī)一個(gè)下電的信號(hào)，電磁閥處于關(guān)閉狀態(tài)，如下圖所示（4）當(dāng)系統(tǒng)積水檢測(cè)器或者雨水檢測(cè)器感應(yīng)到灌溉區(qū)域有積水時(shí)，土壤濕度指示燈異常，需要排水操作，給排水電機(jī)一個(gè)上電的信號(hào)，排水閥打開(kāi)，排水電機(jī)進(jìn)行對(duì)積水區(qū)域的排水，把多余的積水排到蓄水池，以達(dá)到一個(gè)循環(huán)利用水資源的效果。如下圖所示按下時(shí)間灌溉模式時(shí)，根據(jù)在參數(shù)設(shè)置面板設(shè)定的時(shí)間對(duì)灌溉區(qū)域進(jìn)行灌溉，當(dāng)?shù)搅嗽O(shè)定的時(shí)間點(diǎn)需灌溉的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)的對(duì)灌溉區(qū)域進(jìn)行灌溉，當(dāng)灌溉時(shí)間達(dá)到設(shè)置時(shí)長(zhǎng)的最大值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)下電，關(guān)閉灌溉水泵。6.2本章小結(jié)本章節(jié)主要是對(duì)自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的調(diào)試以及PLC程序邏輯問(wèn)題的驗(yàn)證、PLC與觸摸屏通信連接的檢查、PLC與傳感器的通信問(wèn)題檢查。通過(guò)仿真可知：1、PLC與傳感器、觸摸屏之間的通信正常，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，能夠全面的監(jiān)視土壤的濕度值、PH值等信息，且能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行之間傳輸。2、手動(dòng)模式和自動(dòng)模式都能夠正常運(yùn)行。3、濕度傳感器能夠?qū)崟r(shí)的監(jiān)測(cè)土壤的濕度值的變化，滿足了灌溉區(qū)域的土壤水分需求，達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)效果。80907結(jié)論與展望隨著科技的進(jìn)步，自動(dòng)化在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)帶來(lái)了顯著的變化和成果。自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)作為其中的一種，通過(guò)集成先進(jìn)的傳感器技術(shù)、控制技術(shù)和通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)灌溉過(guò)程的精準(zhǔn)控制，大大提高了灌溉效率和水資源利用效率本設(shè)計(jì)的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)農(nóng)作物的需求進(jìn)行灌溉?？刂葡到y(tǒng)使用的是西門(mén)子S7-1200SMARTPLC。觸摸屏使用的是博途MCGS的型號(hào)為HML_1[TP1200Comfort]，搭配各種傳感器設(shè)備，根據(jù)觸摸屏與PLC之間的通信，并結(jié)合自動(dòng)控制理論、通信技術(shù)等應(yīng)用理論，實(shí)現(xiàn)了灌溉區(qū)域的精準(zhǔn)定量灌溉。此設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)有以下作用與價(jià)值：（1）提高灌溉效率：通過(guò)精準(zhǔn)的傳感器監(jiān)測(cè)和智能控制，能夠?qū)崟r(shí)判斷灌溉需求并自動(dòng)執(zhí)行灌溉操作。這避免了傳統(tǒng)灌溉方式中的人工誤差和延遲，顯著提高了灌溉的效率和準(zhǔn)確性。（2）節(jié)約水資源：自動(dòng)灌溉系統(tǒng)能夠隔壁家土壤的濕度、農(nóng)作物對(duì)水分的需求以及氣候條件進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉，避免了水資源的過(guò)度使用和浪費(fèi)。這種節(jié)水型的灌溉方式對(duì)于緩解水資源的短缺問(wèn)題具有重要的意義。（3）降低人力成本：自動(dòng)灌溉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了灌溉過(guò)程的自動(dòng)化與智能化，大大減少了人工干預(yù)和勞動(dòng)強(qiáng)度。這降低了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人力成本，提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率。（4）促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展：自動(dòng)灌溉系統(tǒng)作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的重要組成部分，為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供了有力支持。它提供提高灌溉效率、節(jié)約水資源、初級(jí)植物生長(zhǎng)、降低人力成本等方式，為農(nóng)業(yè)的長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展創(chuàng)造了有利條件。同時(shí)，它還能夠推動(dòng)農(nóng)業(yè)向更智能化、綠色化和可持續(xù)化的方向發(fā)展。本系統(tǒng)由于基礎(chǔ)知識(shí)有限和研究設(shè)計(jì)的時(shí)間緊迫，無(wú)法達(dá)到功能的十分完善，因此還需要進(jìn)一步對(duì)其完善，主要包括以下幾點(diǎn)：（1）本設(shè)計(jì)只是通過(guò)仿真來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程，并沒(méi)有實(shí)地的去現(xiàn)場(chǎng)考察，這缺少了一定的實(shí)時(shí)性，對(duì)現(xiàn)實(shí)的參考用處不大。（2）對(duì)智能的要求還不能達(dá)標(biāo)，缺少智能這方面相應(yīng)的知識(shí)理論。（3）本文主要討論的是對(duì)某一區(qū)域的自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并不是完善的大區(qū)域的自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)，所以后續(xù)還需要進(jìn)一步的完善其他方面的設(shè)計(jì)。參考文獻(xiàn)劉華波.西門(mén)子S7-1200PLC編程與應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2020.05范強(qiáng),董洪波,馬斌.基于PLC和觸摸屏的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2019,32(3):154-155+158.劉守英.中國(guó)農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)型與現(xiàn)化[EB/OL].(2022.07.14)./n1/2020/0714/c40531-31782094.html孟莎莎.基于PLC的灌溉施肥控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化,2015,(7):劉晨晨.基于無(wú)人機(jī)遙感的智能墑情預(yù)測(cè)模型與灌溉決策系統(tǒng)[D].鎮(zhèn)江.江蘇大學(xué)，2022李國(guó)萍.基于PLC的溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2010(7):86.李軍.基于西門(mén)子S7-200PLC溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技資訊,2019,17(8):73