1系统构成原理及其功能
根据水稻灌溉和施肥的技术要求，设计了基于PLC的水肥一体化监控系统，如图1所示。该系统可分为两个部分:一是以PLC作为远程现场数据采集和控制终端，对水稻生长环境中的土壤水分、水位、空气温湿度、光照强度和灌溉用水量等数据进行实时采集。同时，通过触摸屏或上位机可以对PLC进行参数设置，经过逻辑判断后，可以实现手动或自动控制电动阀门和泵等执行设备完成灌溉和施肥作业。二是上位机(PC)通过无线数传模块与下位机(PLC)实时进行数据交换与处理，并根据水稻不同生育期内需水、需肥的技术要求，发送控制指令，远程自动完成灌溉与施肥作业。
2系统软件设计
整个监控系统软件设计包括3个部分:下位用三菱FX2N－32MＲ系列PLC作为主控制器，配有FX2N－4AD模拟量输入模块，主要完成格田模拟量数据采集和现场控制任务;现场人机界面触摸屏程序，利用触摸屏方便操作人员现场进行手动操作和参数设置;上位机软件设计通过ＲS485通信方式，将PLC采集的数据进行处理，同时根据用户要求进行远程的实时监控作用。2．1PLC主程序设计PLC作为监控系统的现场单元，在整个系统的数据采集和处理中具有重要地位［9－10］。首先，进行程序初始化设置，将寄存器D8120=H4081和D8121=1～15完成通信格式和站号设定，通信协议采用计算机链路方式的通信格式。其次，进行模量采集程序设计，并将采集的数据存入指定的寄存器供触摸屏和上位机使用。最后，根据触摸屏或上位机发送的控制命令，PLC经过逻辑判断完成相应的操作。PLC的主程序流程图如图2所示。2．2触摸屏软件设计触摸屏采用深圳显控公司“Samkoon”—SA系列人机界面(HMI)，型号为SA－5．7A。触摸屏内部集成了CPU单元、输入输出单元、显示屏及内存等模块单元，采用先进的计算机软件技术，以窗口为单位，构造用户运行系统的图形界面，为现场操作人员使用，界面清晰易懂、简单实用［11－12］。同时，提供了开放的通信接口，方便与三菱、西门子、欧姆龙等多款PLC进行连接。在程序主界面设计中，设置用户登录密码，以保证操作的可靠性，防止非操作人员进行误操作。整个触摸屏程序设计分3部分:一是主界面设计，用户可以通过主界面直接记录现场监测数据以及各相应执行设备的运行情况;二是主管道操作界面设计，主要完成主管道中的注水阀、注药阀和增压泵的控制操作，将水、药送入肥料罐，进行充分混合，做好灌溉准备;三是作业区操作界面设计，将灌溉格田分成4个大小相同的区域，操作人员根据作业要求在现场可以直接对各区进行灌溉施肥。触摸屏主界面如图3所示。2．3上位机软件设计上位机采用联想工业级计算机，具有运行稳定、高可靠性、运算速度快等优点。同时，利用不间断电源来实现短时间掉电保护功能，提高系统的可靠性和数据安全［13－15］。上位机软件选用DELPHY7作为编程软件，以无线通信方式完成对现场数据的采集和分析处理，根据控制要求对执行设备进行远程控制。另外，将采集的数据存入数据库，供管理者或操作人员对数据进行查询和分析对比。上位机具有短信服务功能，可以方便管理者通过短信方式实时监测水稻在不同生育期内的生长环境和生长状况，从而更好地制订今后的施肥灌溉方案。上位机监控软件的主界面如图4所示。上位机软件可以使操作员位于控制室内的计算机终端，实现对水稻的远程手自动控制，节省人力物力。同时，系统操作简单、执行可靠性高，较以往的管理模式更具科学性，大幅度提高了水稻水肥一体化技术的应用效果。
3结论
通过利用水肥一体化无线监控系统，改善了以往的农业灌溉技术，使水稻的灌溉水和肥料高效、集中地分布于在作物根层附近。其不但利用率高，还避免了深层渗漏，从而减轻了对环境的负面影响，有效地增加土壤水分含量，减少水稻病虫害和农药用量，降低了农药残留，提高了水稻的质量和产量。该系统在前进农场近1年的使用中，取得较好的效果，为实现和促进垦区水稻生产的标准化、信息化和集约化发展提供了必要的保障。
作者：石建飞 曹洪军 衣淑娟 田芳明 单位：黑龙江八一农垦大学 信息技术学院
