引言
當前，發展“資源節約型、環境友好型”農業在國際上是大勢所趨。由于我國的水資源總量嚴重不足，節水農業基礎設施薄弱，水資源利用效率不高，從而成為我國糧食生產的主要制約因素。水肥一體化技術因節水節肥，在作物生產上增產增效，同時在環境生態保護方面有著顯著的效益，很快成為農業生產領域關注的焦點。隨著廣大農民接受能力的逐步提高，大力推進水肥一體化各項技術研究與創新已經成為必然趨勢。
在水稻生產過程中，水和肥是制約水稻生長的重要因素，是形成水稻產量、提高質量的重要因子。研究水肥間相互關系及其對水稻生長發育和產量的影響，對如何在水分受限制的條件下合理使用水肥、提高水肥利用效率和水稻產量具有重要意義。為了改善傳統的水稻灌溉施肥作業效果，借鑒工業自動化、智能化的生產模式經驗，以 PLC 為控制核心，利用PLC 所具有的串行通信和計算機的遠程通信功能，實現了計算機對多臺 PLC 控制裝置的遠程集中監控，從而更好地對水稻的生長環境和水肥用量進行實時監控。
1 系統構成原理及其功能
所謂水肥一體化技術，就是先將肥料兌水進行溶解，再加入管道灌溉系統，在灌溉的同時將肥料輸送到作物根部，適時適量滿足作物水肥需求的一種現代農業新技術。與傳統模式相比，水肥一體化實現了 6 個方面轉變，即渠道輸水向管道輸水轉變、澆地向澆莊稼轉變、土壤施肥向作物施肥轉變、水肥分開向水肥一體轉變、單一管理向綜合管理轉變、傳統農業向現代農業轉變。
根據水稻灌溉和施肥的技術要求，設計了基于PLC 的水肥一體化監控系統，如圖 1 所示?！緢D1】
該系統可分為兩個部分: 一是以 PLC 作為遠程現場數據采集和控制終端，對水稻生長環境中的土壤水分、水位、空氣溫濕度、光照強度和灌溉用水量等數據進行實時采集。同時，通過觸摸屏或上位機可以對PLC 進行參數設置，經過邏輯判斷后，可以實現手動或自動控制電動閥門和泵等執行設備完成灌溉和施肥作業。二是上位機\\( PC\\) 通過無線數傳模塊與下位機\\( PLC\\) 實時進行數據交換與處理，并根據水稻不同生育期內需水、需肥的技術要求，發送控制指令，遠程自動完成灌溉與施肥作業。
2 系統軟件設計
整個監控系統軟件設計包括 3 個部分: 下位用三菱 FX2N－32MR 系列 PLC 作為主控制器，配有 FX2N－4AD 模擬量輸入模塊，主要完成格田模擬量數據采集和現場控制任務; 現場人機界面觸摸屏程序，利用觸摸屏方便操作人員現場進行手動操作和參數設置; 上位機軟件設計通過 RS485 通信方式，將 PLC 采集的數據進行處理，同時根據用戶要求進行遠程的實時監控作用。
2． 1 PLC 主程序設計
PLC 作為監控系統的現場單元，在整個系統的數據采集和處理中具有重要地位。首先，進行程序初始化設置，將寄存器 D8120 =H4081 和 D8121 =1 ～15 完成通信格式和站號設定，通信協議采用計算機鏈路方式的通信格式。其次，進行模量采集程序設計，并將采集的數據存入指定的寄存器供觸摸屏和上位機使用。最后，根據觸摸屏或上位機發送的控制命令，PLC 經過邏輯判斷完成相應的操作。PLC 的主程序流程圖如圖 2 所示?！緢D2】
2． 2 觸摸屏軟件設計
觸摸屏采用深圳顯控公司“Samkoon”-SA 系列人機界面\\( HMI\\) ，型號為 SA－5． 7A。觸摸屏內部集成了 CPU 單元、輸入輸出單元、顯示屏及內存等模塊單元，采用先進的計算機軟件技術，以窗口為單位，構造用戶運行系統的圖形界面，為現場操作人員使用，界面清晰易懂、簡單實用。同時，提供了開放的通信接口，方便與三菱、西門子、歐姆龍等多款 PLC 進行連接。
在程序主界面設計中，設置用戶登錄密碼，以保證操作的可靠性，防止非操作人員進行誤操作。整個觸摸屏程序設計分 3 部分: 一是主界面設計，用戶可以通過主界面直接記錄現場監測數據以及各相應執行設備的運行情況; 二是主管道操作界面設計，主要完成主管道中的注水閥、注藥閥和增壓泵的控制操作，將水、藥送入肥料罐，進行充分混合，做好灌溉準備; 三是作業區操作界面設計，將灌溉格田分成 4 個大小相同的區域，操作人員根據作業要求在現場可以直接對各區進行灌溉施肥。觸摸屏主界面如圖 3 所示?！緢D3】
2． 3 上位機軟件設計
上位機采用聯想工業級計算機，具有運行穩定、高可靠性、運算速度快等優點。同時，利用不間斷電源來實現短時間掉電保護功能，提高系統的可靠性和數據安全。上位機軟件選用 DELPHY7 作為編程軟件，以無線通信方式完成對現場數據的采集和分析處理，根據控制要求對執行設備進行遠程控制。另外，將采集的數據存入數據庫，供管理者或操作人員對數據進行查詢和分析對比。上位機具有短信服務功能，可以方便管理者通過短信方式實時監測水稻在不同生育期內的生長環境和生長狀況，從而更好地制訂今后的施肥灌溉方案。上位機監控軟件的主界面如圖 4 所示?！緢D4略】
上位機軟件可以使操作員位于控制室內的計算機終端，實現對水稻的遠程手自動控制，節省人力物力。同時，系統操作簡單、執行可靠性高，較以往的管理模式更具科學性，大幅度提高了水稻水肥一體化技術的應用效果。3 結論通過利用水肥一體化無線監控系統，改善了以往的農業灌溉技術，使水稻的灌溉水和肥料高效、集中地分布于在作物根層附近。其不但利用率高，還避免了深層滲漏，從而減輕了對環境的負面影響，有效地增加土壤水分含量，減少水稻病蟲害和農藥用量，降低了農藥殘留，提高了水稻的質量和產量。該系統在前進農場近 1 年的使用中，取得較好的效果，為實現和促進墾區水稻生產的標準化、信息化和集約化發展提供了必要的保障。
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