智能农田灌溉系统的设计

蒋 珂 ， 耿 淬

（常州刘国钧高等职业技术学校，江苏 常州 213025）

我国是一个农业大国，凡是农作物都需要灌溉，农业上的耗水量巨大，在一些雨水较少的地区，1亩水稻一年大约要浇灌2 000 m3以上的水，而1亩小麦需要1 200 m3的水。农作物浇水方法包括传统的土面浇水和现代新型浇灌方法。传统农业生产高度依赖于人工操作，往往具有人工成本高、生产数据采集滞后、生产效率低、依赖农民经验操作、缺乏科学化数据支撑、生产险情发现延误等缺点[1]。从原始的人畜耕作到机械耕种是农业发展的一大进步；而物联网、农业大数据、边缘计算等新技术的出现，则是助推现代农业实现本质化改变和飞跃式发展的重要动力[2]。为了让我国的水资源能更好地被利用起来，大大缓解国家缺水地区的缺水现状，将传统农业灌溉体系更新为现代化的智能节水灌溉体系，实现技术上的转型与升级已是当务之急。

1 课题背景及意义

1.1 国内外研究现状

国外的灌溉系统技术和实践经验都比较丰富，智能节水灌溉系统在欧美等发达国家被广泛实施[3]。

首先是美国。美国幅员辽阔，地广人稀，他们通过严格的水资源管理及长期的节水农业，使其农业十分发达，尤其在节水农业方面。1）政府投入大量资金发展节水农业。美国政府为解决中西部干旱问题，长期采取优惠政策，优先安排节水灌溉工程[4]。对该体系中的基础设施实行政府全额投资政策，逐年投建供水和输水设施。2）根据各地区的实际情况更改政策，建立完备的节水灌溉体系。3）大力推广多种节水灌溉的方式和方法。

其次是以色列，在节水灌溉方面非常有经验。以色列是一个耕地少，严重缺水的沙漠国家，其国土面积的60%是沙漠。每年11月至次年3月为雨季，其余7个月为连续干旱季节。但是以色列在如此恶劣的自然条件下依靠节水技术，取得了惊人的农业成就。1）大力推广节水灌溉，确保每个地区的节水灌溉体系完整。2）他们对于节水技术还在不停地创新和改进。大多数国家的农业用水效率都不高，但以色列的农业用水率高达90%，这是一个令人惊叹的数字[5]。在灌溉体系中，以色列的滴灌技术占大多数，以色列在滴灌技术领域的成就走在了世界前列。

结合我国国情，参考这两国的经验，我国的灌溉模式应主要采用美国模式。首先我国地广，水资源相较于以色列还比较丰富，如果照搬以色列的灌溉模式，成本太高。其次就是我国滴灌技术还不是太成熟，还有很多问题需要解决，因此我国目前还是采用以喷灌为主、其他灌溉方式并存的方法。

1.2 课题研究的内容及意义

本课题的主要研究对象是将世界先进的喷灌技术结合PLC技术，实现对农田的自动灌溉及检测。其主要内容如下：首先，在农田中安装多种传感器，合理选用湿度传感器、温度传感器及光敏传感器，将这三种传感器结合起来使用，设置某一临界点为开关信号，传输至PLC控制系统中，然后通过内部信息处理控制喷灌系统的开关及变频器，利用变频器输出信号控制喷灌系统中水泵的开关及运行速度，使其能够随时间、温度、湿度的变化对农田进行精准灌溉。根据某些植物的特性还可以编写一套特定的时间程序，对农田作物进行周期性灌溉，使灌溉更具准确性和周期性。其次，设置故障报警系统，当喷灌系统出现问题时，能够自动报警并且停止系统运行[6]。通过对该系统的研究，可以更好地利用水资源，提升农业用水利用率。

本系统的主要优点：1）节水效果好。喷灌是优先将水喷至空中，而后比较均匀地落入土地中的方式，水量较小，不会形成地表径流，也不会产生深层渗漏，提高了水资源的利用率[7]。2）灌水均匀。由于喷洒较均匀，灌溉也相对均匀，同时也可调节土壤周边气候，增加地面湿度。3）采用喷灌技术就可以摒弃原始的田间灌溉渠道，而且喷灌系统的输水管道占地面积小，可以提高土地的利用率。4）节省劳动力。由于喷灌系统不需要修建灌溉渠道所以节省了劳动力，且该系统所设计的智能灌溉系统就无需人工，只需有一个监测控制人员就可以控制及监测大片土地，可以说是大大解放了劳动力[8]。由于喷灌一次性投入成本较高，其主要用于水资源紧缺的区域。

2 总体方案的设计

农作物灌溉的前提条件离不开光照、温度和湿度，通过三者判断农作物是否需要灌溉[9]。本方案总体设计思路是：通过三菱FX-3U系列PLC辅以各种传感器，如图1所示，其中光敏传感器用来测试作物的光照程度，温度传感器用来检测作物的温度，湿度传感器用来检测作物周围的空气湿度。然后通过PLC控制变频器，再由变频器控制水泵的启动和停止，从而达到对农作物进行喷灌的目的。

图1 智能农田喷灌系统框图

3 主要单元模块设计

3.1 喷灌管道

对于喷灌管道的设计，是在单水泵的喷灌设计上，另外多加一个水泵。该喷灌管道设计有两个水泵，其作用就是对喷灌头进行水平加压，使喷灌的半径增大，通过变频器对两个水泵进行调速控制。当阳光充足，天气温和时，可以只开一个水泵，将水喷洒的距离减小，以降低喷灌量。当天气干燥时，则需要加大喷灌量，同时打开两个水泵，对喷灌装置进行加压，灌溉量也明显增大。

3.2 电路模块

电路设计中，将多个传感器分布至农作物田地中，引出对应的导线连接A/D模块。然后将A/D模块引出端接入可编程控制器的输入端X点，再从PLC的Y点输出信号，Y0端接变频器的STF端，Y1端接变频器的STR端，COM端接变频器SD端。同时Y4端接变频器的RH端，Y5端接变频器的RM端，Y6端接变频器的RL端，此时变频器的U、V、W连接电机的三个端口。该电路主要是将外部信号——光照、温度、湿度等模拟量转换为数字量输入至可编程控制器。经过内部程序的控制，由PLC控制变频器对电机进行高、中、低三档调速以及实现正反转的控制。在该电路设计中，大约需要使用到30个喷灌喷头，将它们分为三组，每组10个，分别使用Y10、Y11、Y12进行连接。编写程序控制Y10、Y11、Y12的输出信号使喷灌喷头的电磁阀动作，最终达到喷洒的目的。每个喷灌喷头旁边还会加装一个压力表，当水压达到一定要求且控制信号送达时，电磁阀动作，喷灌喷头进行喷灌。该电路分为两种模式，一种是自动灌溉模式，另一种是手动灌溉模式。当需要进行手动灌溉时，按动按钮，自动切换至手动灌溉模式，自动灌溉模式关闭。

3.3 感应模块

感应模块主要由温度传感器、湿度传感器和光敏电阻组成，再配备A/D转化模块。将感应到的温度、湿度和光照的模拟量，通过转换模块转换为数字量输入至可编程控制器中[10]。在控制器中设定三种范围，一种是在一定范围内，一种是达到既定范围，还有一种是超出既定范围。在该电路模块中，使用的温度传感器型号是PT100，使用的湿度传感器型号是

HTF3226LF。

3.4 控制模块

控制模块主要由可编程控制器控制变频器，对水泵进行控制，以及PLC对喷灌喷头电磁阀的控制所组成的。变频器水泵控制的速度有三种，分别是高速、中速、低速，水泵的三种速度分别对应对喷灌口的加压。当水阀后面的压力表压力数值达到后且控制信号输入后打开电磁阀对农作物进行喷灌。在该

模块中可以使用三菱FX-3U系列PLC，同时采用三菱系列的变频器。

3.5 报警模块

报警模块就是当电路或水路管道中出现问题时，及时停止PLC的运行，将水泵停止，关闭电磁阀，等待维修人员进行维修。报警模块会使用一个红色的报警灯和一个警示器，当报警模块运行时，红色警示灯闪烁，报警器报警。系统出现灌溉装置损坏的情况时，能实现自动暂停供电，自动警告和初步提示故障原因等功能。

4 系统软件设计

4.1 PLC输入/输出分配表

PLC输入/输出端按系统要求进行分配，如表1所示。

表1 I/O分配表

4.2 系统总体程序设计

该系统设计分为两个部分，一个是自动模式，一个是手动模式。系统程序流程如图2所示，启动自动模式时，先开始光照检测、湿度检测和温度检测，同时获得三个数据进行对比，如果达到光照警戒线，湿度小于30% RH或温度高于20 ℃时，水泵打开，打开电磁阀。然后继续检测，若数据未达到要求，则关闭水泵，关闭电磁阀。当处于手动模式时自动模式自动关闭，按下启动按钮，水泵自动打开，电磁阀自动打开。按下停止按钮，水泵关闭，电磁阀关闭。

图2 程序流程图

4.3 系统程序调试

该系统启动前有一个选择按钮，当按下X13时，则系统进入自动程序。按下启动按钮X0，当三个传感器感应数据时，该传感器闭合。当温度传感器、湿度传感器、光敏电阻，其中任意一个闭合时，则水泵1启动。当喷头压力足够时，喷头开始启动，喷洒1小时后停止，继续检测。如若仍然没有改变，则重复上述运行步骤。如若喷头水压不够，则启动水泵2，通过两个水泵的运行，给喷头加压，当喷头压力达到喷洒要求时，则电磁阀打开。

当按下X15时，系统从自动模式更改为手动模式，该系统将喷头分为三组，每组负责一块田地的喷灌。通过操作人员的控制可以控制三组的灌溉时间，当操作人员觉得田地需要灌溉时，就可以按下启动按钮，水泵启动，压力表检测压力，当压力足够，则喷头启动。当田地无需灌溉时，操作人员就可以按下停止按钮。

最后就是报警模块的调试。当系统出现故障时，按下急停按钮，所有程序停止运行。报警指示灯亮，报警蜂鸣器响，等待维修人员维修后进行重启。

5 结束语

智能农田灌溉系统既可以提高灌溉管理水平，改变人为操作的随意性，同时还可以减少灌溉用工，降低管理成本，利用变频技术显著提高效益。因此，推广实施智能农田灌溉系统，改变目前普遍存在的粗放灌水方式，提高灌溉水利用率，是有效解决灌溉节水问题的必要措施之一。