新型農(nóng)田灌溉控制系統(tǒng)淺析

趙洪洋

(遼寧省鐵嶺市水利勘測設(shè)計(jì)院， 遼寧 鐵嶺　112008)

新型農(nóng)田灌溉控制系統(tǒng)淺析

趙洪洋

(遼寧省鐵嶺市水利勘測設(shè)計(jì)院， 遼寧 鐵嶺112008)

【摘要】本文主要針對幾種新型水利灌溉系統(tǒng)：基于可編程邏輯控制器(PLC)的智能系統(tǒng)、基于單片機(jī)的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)，以及手機(jī)短信(SMS)遠(yuǎn)程控制灌溉系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成、各自的優(yōu)缺點(diǎn)以及在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題，對多種節(jié)能節(jié)水型控制系統(tǒng)的控制策略進(jìn)行了總結(jié)。

【關(guān)鍵詞】農(nóng)田灌溉； PLC； 單片機(jī)； SMS； 控制策略

我國人均水資源短缺，尤其是農(nóng)業(yè)灌溉用水，地域性分布極其不均，大力發(fā)展農(nóng)田灌溉節(jié)能節(jié)水控制系統(tǒng)是目前我國農(nóng)業(yè)灌溉急需攻克的關(guān)鍵性課題。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)以及工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用在農(nóng)田灌溉方面。這些自動(dòng)化灌溉技術(shù)較多地應(yīng)用于農(nóng)田廣闊的地區(qū)，通常耕地分塊不一，或零散或集中，設(shè)備的工作條件、工作環(huán)境有較大波動(dòng)。當(dāng)前，我國應(yīng)用的農(nóng)業(yè)灌溉自動(dòng)化系統(tǒng)多為進(jìn)口，這些系統(tǒng)功能十分全面，適用性比較廣泛，但是價(jià)格太高，多數(shù)地區(qū)無力承擔(dān)，無法大范圍推廣。

針對我國農(nóng)業(yè)灌溉的國情，許多學(xué)者對開發(fā)適合我國應(yīng)用的農(nóng)田自動(dòng)灌溉系統(tǒng)這一課題表現(xiàn)出了濃厚的興趣，并取得了一系列成果。本文主要就目前研究較多的基于可編程邏輯控制器(PLC)的智能系統(tǒng)、基于單片機(jī)的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)，以及手機(jī)短信(SMS)遠(yuǎn)程控制灌溉系統(tǒng)的原理和硬件選擇進(jìn)行了討論。

1基于PLC的農(nóng)田智能灌溉系統(tǒng)

作為智能灌溉控制系統(tǒng)的三大類控制核心之一的PLC，與單片機(jī)和工控機(jī)相比具有其特殊優(yōu)勢。PLC較之單片機(jī)，具有穩(wěn)定性良好的特點(diǎn)，較之工控機(jī)又具有較高的普及性，同時(shí)還具有單片機(jī)低成本、高靈活性的特點(diǎn)，目前在智能灌溉系統(tǒng)中應(yīng)用較多。

1.1基于PLC的智能灌溉系統(tǒng)工作流程

該系統(tǒng)采用模糊控制的理論模型來實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制，該模型對于農(nóng)作物需水量的推理比較可信。硬件系統(tǒng)采用DCS系統(tǒng)，以日本某公司PLC產(chǎn)品作為下位機(jī)，輸入點(diǎn)與輸出點(diǎn)一一對應(yīng)，共計(jì)24對，采用24V直流電源供電，傳感器為國內(nèi)某公司S302H形濕度傳感器。系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理過程為：由鋪設(shè)在田間的多組傳感器采集濕度信號(hào)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換之后進(jìn)入PLC系統(tǒng)，并通過上位PC機(jī)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的批量處理、儲(chǔ)存以及模糊模型的模擬，進(jìn)而對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化處理和顯示工作等，最后將模擬結(jié)果作為控制指令通過下位機(jī)對灌溉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制。該控制主要利用光電效應(yīng)對灌溉硬件系統(tǒng)的電磁閥以及灌溉管道進(jìn)行管理。

1.2控制軟件的設(shè)計(jì)

對該DCS系統(tǒng)的控制由兩部分實(shí)現(xiàn)，第一部分是對上位機(jī)實(shí)現(xiàn)控制，采用VB語言設(shè)計(jì)，主要功能為實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的保存以及相應(yīng)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；第二部分為下位機(jī)控制軟件，由下位機(jī)生產(chǎn)公司提供的FXGP_WIN_C梯形圖編程語言完成軟件開發(fā)。上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信軟件采用VB語言開發(fā)。

1.3模糊控制模型特點(diǎn)

模糊控制模型主要以土壤相對濕度及含水率的變化作為控制系統(tǒng)的激勵(lì)信號(hào)，利用模糊控制原理建立灌水需求量的預(yù)測模型，并通過下位機(jī)實(shí)現(xiàn)對灌溉系統(tǒng)中電磁閥的遠(yuǎn)程控制。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)應(yīng)用模糊控制模型可實(shí)現(xiàn)快速計(jì)算作物需水量，并對多種作物建立需水量模型，有效實(shí)現(xiàn)不同環(huán)境下農(nóng)田灌溉的智能控制。

2基于單片機(jī)的智能控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)基于16位單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要對以下幾個(gè)方面進(jìn)行針對性改進(jìn)：?大功率電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)以及軟停止控制方式；?低壓條件下無功補(bǔ)償策略；?實(shí)現(xiàn)對多用戶灌溉系統(tǒng)的控制。

2.1創(chuàng)新設(shè)計(jì)說明

電動(dòng)機(jī)軟啟動(dòng)與軟停止可有效防止電機(jī)突停突起給電網(wǎng)帶來的沖擊，降低電網(wǎng)故障的可能性，保證農(nóng)田灌溉的順利進(jìn)行。該設(shè)計(jì)軟啟動(dòng)模塊設(shè)計(jì)中，在電源以及大功率電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子間加入調(diào)壓模塊，該模塊采用MJSY-QKJL(三相反并聯(lián)晶閘管)，可將檢測到的電壓信號(hào)與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，確定啟動(dòng)方式并調(diào)整晶閘管導(dǎo)通角進(jìn)行輸出電壓的控制，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸變化，以達(dá)到軟啟動(dòng)和軟停止的目的。

2.2實(shí)現(xiàn)策略

大功率電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)通常采用兩種方式，即限流啟動(dòng)與限壓啟動(dòng)。以限壓啟動(dòng)為例，限壓啟動(dòng)一般采用電壓負(fù)反饋閉環(huán)控制策略實(shí)現(xiàn)，調(diào)壓模塊中輸入電壓為直流電壓，與電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的交流電壓成復(fù)雜的非線性關(guān)系，需對其進(jìn)行分段分析，輸出兩者比值，直到達(dá)到額定電壓值。此時(shí)，三相開關(guān)旁路，電動(dòng)機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)限壓軟啟動(dòng)。

在電動(dòng)機(jī)負(fù)載不準(zhǔn)突降為零必須緩慢下降的工況中，電動(dòng)機(jī)應(yīng)當(dāng)采取軟停止。該策略的實(shí)現(xiàn)主要依靠三相晶閘管的導(dǎo)通角逐漸減小，使電動(dòng)機(jī)輸入電壓緩慢降低至零，在一段時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的軟停止，避免水擊。

無功補(bǔ)償設(shè)計(jì)主要依靠電能計(jì)量芯片，對無功功率、有功功率、三相電機(jī)無功電能完成測量并根據(jù)各自的功率因數(shù)，確定控制策略，完成相對應(yīng)電容的接入以及移除，實(shí)現(xiàn)末端的低壓段無功補(bǔ)償過程。

3手機(jī)短信(SMS)遠(yuǎn)程控制灌溉系統(tǒng)

該控制系統(tǒng)主要借助無線通信方式，采用短信對灌溉系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，基本模式為手機(jī)短信可實(shí)時(shí)查詢農(nóng)田濕度以及含水率等參數(shù)，并分析該參數(shù)是否滿足灌溉要求，通過手機(jī)短信完成指令發(fā)送，進(jìn)行農(nóng)田灌溉活動(dòng)。

手機(jī)短信遠(yuǎn)程控制灌溉系統(tǒng)構(gòu)成圖

3.1系統(tǒng)構(gòu)成

由下圖可知，該系統(tǒng)主要構(gòu)成為：在田間鋪設(shè)一定數(shù)量土壤溫度、濕度傳感器，空氣溫度、濕度傳感器在采集相關(guān)信息后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并通過下位單片機(jī)傳輸至上位服務(wù)器，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過上位服務(wù)器處理后，得出分析結(jié)果，用戶可通過手機(jī)、固話或個(gè)人PC進(jìn)行查詢，并通過無線數(shù)據(jù)傳輸模塊對服務(wù)器下達(dá)指令。單片機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控上位服務(wù)器的指令發(fā)送情況，以完成對電磁閥的控制，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田灌溉。

3.2系統(tǒng)主要技術(shù)

該系統(tǒng)可供農(nóng)民對農(nóng)田灌溉實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，主要包括的技術(shù)有遠(yuǎn)程短信控制客戶端，該客戶端主要用于將用戶命令以及用戶ID轉(zhuǎn)換為控制下位單片機(jī)的二進(jìn)制代碼以及將服務(wù)器傳來的信息轉(zhuǎn)換為PDU串，供用戶手機(jī)接收使用；無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)設(shè)計(jì)與短信文本算法設(shè)計(jì)，該技術(shù)基于GSM通信技術(shù)，利用PDU短信格式可發(fā)送中英雙語短信，便于用戶控制和使用；遠(yuǎn)程傳輸協(xié)議，該協(xié)議主要完成短信的接收和發(fā)送用戶控制指令、完成農(nóng)田數(shù)據(jù)信息的傳輸功能。

3.3系統(tǒng)特點(diǎn)

該系統(tǒng)利用短信進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，有效降低了現(xiàn)場管理的人員成本投入，同時(shí)優(yōu)秀的GSM系統(tǒng)可有效地防止信號(hào)干擾，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。另外，由于該系統(tǒng)客戶端基于Windows系統(tǒng)開發(fā)，因此可以在控制系統(tǒng)以及指令發(fā)送方面具備簡單易行的特點(diǎn)，用戶無需具備太多專業(yè)知識(shí)即可實(shí)現(xiàn)對該智能灌溉系統(tǒng)的控制。該控制系統(tǒng)具有足夠大的儲(chǔ)存空間，可常年運(yùn)行；可集成遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，監(jiān)測田間情況；還可構(gòu)建基于Internet的本地服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田灌溉的網(wǎng)絡(luò)管理。

4結(jié)語

本文主要介紹了我國學(xué)者在研究智能農(nóng)田灌溉控制系統(tǒng)這一課題過程中的三種成果，通過以上分析可知，三種方法各具特點(diǎn)，適用范圍不同，可在不同地區(qū)針對不同作物進(jìn)行推廣使用。大力發(fā)展智能控制灌溉系統(tǒng)不僅可以減少大量人力的投入，還可對農(nóng)田實(shí)現(xiàn)科學(xué)灌溉，實(shí)現(xiàn)節(jié)能節(jié)水的戰(zhàn)略目標(biāo)，對于保證我國農(nóng)田生產(chǎn)和優(yōu)化水利條件具有十分重要的作用。

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中圖分類號(hào)：TV93

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1005-4774(2015)02-0061-03

On Novel Farmland Irrigation Control System

ZHAO Hong-yang

(LiaoningTielingWaterConservancySurveyandDesignInstitute,Tieling112008,China)

Abstract：The paper mainly aims at several novel water conservancy irrigation systems: intelligent system based on programmable logic controller (PLC), intelligent water-saving irrigation system based on microcontroller and mobile phone SMS remote control irrigation system. Control strategies of many energy-saving and water-saving control systems are summarized aiming at system composition, respective strengths and weaknesses as well as problems in the practical application.

Keywords：farmland irrigation; PLC; microcontroller; SMS; control strategy