基于物联网和PLC 的农田智能节水灌溉系统设计

2023-05-10周艳梅

农业工程 2023年1期

周艳梅

（菏泽市东明县水务局，山东菏泽 274500）

0 引言

农业领域一直是我国用水大户，其耗水量占全国总耗水量80%以上。我国农业灌溉用水利用率一直低于50%，在发达国家，农业灌溉用水利用率已达到70%～80%，提升灌溉用水的利用率是一个重要问题。此外，提高灌溉用水的利用率可以有效缓解水资源紧缺，是节约用水的重要环节。

影响提升农业灌溉用水利用率的主要问题集中在我国的农田类型众多，分布范围广泛，作物的用水量也不同，传统的灌溉方式造成水资源浪费。刘红霞[1]提出基于农业物联网农田环境的监测系统，可以实现对农田的实时监测，以此为依据制定灌溉计划，进而提升水利用率，但此方式耗费人工，监测成本巨大。胡长增等[2]提出了基于物联网技术与模糊PID 技术结合的智能化灌溉系统，配备无线传感器，利用手机APP 来实时监测土壤数据和环境信息，针对不同的情况选择不同的灌溉方案，以此实现水资源的节约，但此方式只能针对一种作物，若改变农作物种类，需要添加新的灌溉方案，流程烦琐。

以可编程逻辑控制器（programmable logic controller，PLC）为代表的物联网技术和自动化控制技术取得了飞速的进步，使农业自动化生产可以顺利实施。综上所述，为解决以上问题，本文提出基于物联网和PLC 的农田智能节水灌溉系统设计方案。

1 硬件设计

基于物联网和PLC 的农田智能节水施灌系统硬件由中央处理器、PLC 模块、射频信号传感器、土壤传感器、温度传感器组成。基于物联网和PLC 的农田智能节水施灌系统硬件结构如图1 所示。

图1 系统硬件结构Fig.1 Structure of system hardware

系统硬件中，PLC 模块负责控制节水灌溉，采用物联网进行数据传输。中央处理器的芯片电路全部选用了STC89C52RC 型单片机，将PLC 模块设计为智能节水灌溉系统的控制中心[3-5]。中央处理器和PLC 模块都是智能节水施灌系统的控制核心单元，能够有效地提高系统运行效率，降低功耗[6]。

1.1 PLC 模块

PLC 控制模块为具有通信功能的RS-8328PLC 模块，输入电流10 mA，输出电流20 mA。采集完成后，由中央处理器将数据传输至PLC 模块，而PLC 模块在接收数据后就会产生控制指令，完成对农作物的自动灌溉。

1.2 射频信号传感器

采用CC2591 型射频信号传感器，其示意图与电路图分别如图2、图3 所示。

图2 射频信号传感器示意Fig.2 Schematic diagram of RF signal sensor

图3 射频信号传感器电路Fig.3 RF signal sensor circuit

相比于传统传感器，该传感器的输出功率与灵敏度上有极大提升，更适合在大面积的农田进行模块信号的传输。单片机中央处理器系统通过射频信号传感器与物联网结合，实现对农作物温度、湿度及水量的精准识别[7-9]。后台工作人员也可借助此系统进行控制。

1.3 土壤传感器

选择HL-TTN1 型土壤传感器检测土壤的含水量，该装置具有高抗腐蚀性、体积小、寿命长的特点，通过监测土壤中的介电常数来判断土壤中的实际含水量。土壤含水量是智能节水的重要指标，高精度的土壤传感器可以更精准地测量土壤含水量，为中央处理器与PLC 模块提供精确度更高的数据信息[10-12]。

1.4 温度传感器

选用PT100 型温度传感器，其耐腐蚀，适合长时间使用；具有两个主线接口，可以实现数据信息的发送与接收；温度的测量范围在-50～60 °C。

2 软件设计

利用物联网把需要灌溉的土地网格化，然后根据传感器测试土壤含水量、空气温度等环境参数，设置节水灌溉程序[13-14]。

2.1 GPRS 物联网格坐标定位

通过GPRS 物联网进行网格坐标定位，利用PLC控制器为软件提供强大的支撑平台，扩充系统内存，通过自主支持产权监理TCP/IP 协议，GPRS 物联网格坐标定位流程如图4 所示。

图4 GPRS 物联网格坐标定位流程Fig.4 GPRS internet of things grid coordinate positioning flow

在智能节水灌溉系统中，子程序围绕主程序运行。通过GPRS 与Zigbee 结合进行无线传输，展示GPRS物联网格坐标定位结果。通过各类传感器收集土壤及环境信息，根据数值来判断土壤和农作物需求，进而制定灌溉方案。

采用GPRS 与Zigbee 软件系统结合的模式，通过物联网保证灌溉数据的稳定传输。GPRS 利用GSM 中未被使用的信号通道，提供快速数据传输。GPRS 通过GSM 网链接中央控制器，分析数据关系，运行主程序。

通过GPRS 进行无线通信数据采集，这种方式非常适用于农田间的信息传输，与RTU 控制单元混合使用，实现水泵与阀门的远程精准控制，并可采集湿度、温度、蓄水池水位、电压电流等数据，同时确保GPRS 物联网格坐标定位的精准性。

2.2 基于Zigbee 协同开关的节水灌溉程序

物联网研发环境平台为IAR 平台，通过PC 上位机的农田智能节水灌溉系统管理软件设置Zigbee 协同开关。中央处理器芯片的研发环境为KeliviV3，将收集到的信号以脉冲形式传给中央处理器，中央处理器将信号转化后再传递给PLC 模块。以田间的土地水分数据信息为例说明程序运行过程，设x是转化后的数据。

工作人员可以通过上位机发出控制指令，保证系统平稳运行。

利用GPRS 网络对信息进行数据分析，通过基站进行数据分组和信息交换，将控制器和PC 机连接到一起，采集各项信息，完成数据传输，进行系统决策，实现节水灌溉[15]。

3 试验研究

为验证基于物联网和PLC 的农田智能节水灌溉系统的实际应用效果，进行了性能测试。选用2 000 m×2 000 m 的农田作为研究对象，研究周期设定为12 个月，分别检测土壤含水量计算和远程网格节水控制准确度，如图5 所示。

图5 试验示意Fig.5 Schematic diagram of experiment

3.1 土壤含水量

在不影响农作物正常生长的前提下进行试验，试验条件：2 个终端节点和1 个协调器节点，不同节点之间距离为30 m；将温度传感器安装在农作物土壤表皮下，试验检测时间为30 min；土壤含水量的标准值设定为40%。两个不同节点土壤含水量的变化值如表1 所示。

表1 土壤含水量测试结果Tab.1 Test results of soil moisture

当系统运行30 min 后，节点1 的含水量为38.7%，节点2 的含水量为39.6%，与设定的标准值40%相对比，节点的计算误差在2%以内，能够很好地达到目标值。由此可见，设计的智能节水灌溉系统能够很好地利用物联网和PLC 对土壤湿度进行调节，从而有效减少灌溉过程的水分浪费，确保农作物在生长过程中得到所需用水。

3.2 远程网格节水控制准确度

分析系统在运行过程中的远程网格节水控制准确度，进而判定系统应用效果。

设定样本点有15 个，理论值和误差值之间的差异如表2 所示。

表2 远程网格节水控制准确度试验结果Tab.2 Experimental results of remote grid water-saving control accuracy

由表2 可知，通过对15 个不同的样本点检测进行分析后，可以确定所有误差值＜2%，不同灌溉量，误差值依旧很低。可见，设计的农田智能节水灌溉系统控制准确度能够达到98%以上，具有较好的控制准确性。

3.3 网格定位精准度

选用本文设计的智能节水灌溉系统与传统的基于物联网的农田环境监测系统、基于物联网的温室智能化灌溉系统进行对比，分析3 种系统的网格定位精准度，试验结果如图6 所示。

图6 网格定位精准度Fig.6 Grid positioning accuracy

与传统的基于物联网的农田环境监测系统、基于物联网的温室智能化灌溉系统相比，本文设计的农田智能节水灌溉系统网格拟合程度更好，能够精准地实现网格定位，具有更强的灌溉能力。

本文设计的系统能够很好地融合物联网和PLC 技术，通过农田定点采集、农田信息分析、数据传输等功能完成远程控制。控制系统能够很好地降低通信能耗，节省工作过程消耗的能源，将土壤因子结合起来，分析环境参数，按需供水实现控制，在解决环境复杂因素后，进行信息控制，从而提高数据传输的可靠性，系统内部的抗干扰技术能够很好地保证系统顺利传输信号，提高控制精准度。与传统的灌溉系统相比，本文设计的灌溉系统技术更加先进、灌溉能力更强，能够很好地保证农作物在生长过程中得到足够的营养，对于农作物生产有很大的帮助。