基于作物需水曲線的精準灌溉系統設計

王飛 簡菁涓

[摘 要]根據中國西南地區主要作物的需水曲線，設計一套能夠實現節水增產的精準灌溉系統，通過已有的貴州主要經濟作物的需水資料，繪制需水曲線圖，并實現按時按需灌溉。本系統的硬件核心控制器為三菱PLC，主要的傳感器為：溫度傳感器、濕度傳感器和水位傳感器，執行設備為電磁閥和水泵。控制系統的程序設計可以根據不同作物實現選擇性控制，現地控制單元具有HMI人機監控系統，上位機以Labwiew實現數據監控處理，并為后續的系統升級控制算法提供了良好的程序和軟件接口。本控制系統既能夠節能，也能使作物更好、更快地生長，實現增產創收的目的。

[關鍵詞]傳感器采集;PLC控制;上位機

對于貴州來說，發展節水灌溉是提高農業用水效率、緩解貴州省缺水的有效途徑。以作物的需水規律作為灌溉的控制依據，更加科學合理。發展高效節水農業，普及節水灌溉技術，開展高標準，精量化節水灌溉，擁有廣闊的應用前景和實用價值，本控制系統結構緊湊，可靠性高，易于升級擴展，特別適用于貴州地區的多種農作物灌溉。

一、作物需水曲線的獲取方法和需水規律

農作物精確的生長需水曲線圖是本系統的重要設計依據，目前本設計先以一個地區作物進行實驗。故本控制系統的作物需水數據的主要來源為在貴州省修文縣一處試驗站進行的調查研究，并采用試驗站的相關數據，本實驗站數據的獲取方法為利用作物系數法計算主要作物的需水量和凈灌溉需水量，并用灌溉試驗站的實測資料進行了檢驗。本地區為亞熱帶季風濕潤氣候，夏天涼爽多雨，實驗的農作物種植田土壤為當地分布最廣黃土。在此研究情況下，獲取作物的需水曲線，通過origin軟件擬合獲得作物一年的需水公式并根據當地的降水量和土壤濕度來控制灌溉用水量。

二、 灌溉控制系統的實現

（一）硬件系統的搭建

1. PLC控制器的選擇

系統采用FX3U系列三菱PLC為控制器，為三菱公司第三代微型可編程控制器，內置高達64KB大容量RAM存儲器，內置業界最高水平的高速處理0.065μs/基本指令，控制規模16-384（包括CC-link I/O）點，同時可外接相應擴展模塊，實現程序控制、數據通信以及后期拓展等，本控制器均能滿足系統的控制要求。

2.土壤濕度傳感器的選擇

本系統采用比較先進的FDR測量方式，利用頻域反射這種電磁脈沖技術來測量土壤濕度的，雖然成本較高，但是具有很高的精度。型號為JXBS-3001-TR，其中測量水分的量程為0～100%，精度為讀數的3%（0～53%時）和5%（53%～100%），響應時間小于1s，輸出型號的方式為RS485。具有簡便安全、快速準確、定點連續、自動化、寬量程、少標定等特點，采用此款土壤濕度傳感器可以較好地判斷當前作物的需水情況，抗干擾能力強，使用壽命長，本系統通過多個傳感器多點采樣實現精準化數據采集。

3.水位傳感器的選擇

本系統采用一體液位變送器，型號為AS-136，水位傳感器將感受到的水壓信號變為電信號，可通過電壓信號輸出和RS485接口輸出，控制器內的計算機將實測的水位信號與設定信號進行比較，得出偏差，然后根據偏差的性質向給水電動閥發出“開”“關”指令，保證容器達到設定水位，作為實驗用水池可以精確地測量已用的灌溉用水，實現目標灌溉量和實際灌溉量的對比反饋，修正程序，解決程序設計中的誤差。

4.模擬量輸入模塊的選擇

根據本系統對輸入量的點數和精度要求，采用EM231模擬量輸入模塊就能完成功能，將現場由傳感器測量得到的常規模擬量信號轉換成PLC控制器可識別處理數字量，其中本模塊為12位二進制數，信號主要有土壤濕度、水位以及后期升級需要添加的溫度、空氣濕度等數據。

5.其他控制硬件的選擇

下位機監控用的昆侖通態的TCP7062TX人機界面，以先進的Cortex-A8 CPU為核心的高性能嵌入式一體化觸摸屏。采用了7英寸高亮度TFT液晶顯示屏。同時還預裝了MCGS嵌入式組態軟件，具備強大的圖像顯示和數據處理功能，在本系統中可實現數據監控和自動手動控制切換，上位機采用NI公司的LabVIEW軟件，提供了圖形化編程方法，還有水泵等其他輔助設備。

本控制系統采用信息化監控手段，實現PLC與傳感器以及人機監控聯合控制，解決本地區水資源的利用不夠充分、供水自動化水平低的現狀。設計開發經濟可靠實用的精準灌溉控制系統具有很好的社會經濟效益。本套控制系統可以“無人值守”或“少人值守”，實現自動化和遠程控制，實現按時按需定量供水，控制灌溉用水量，使農作物更好的生長，實現增產增收的目的。

[作者單位]

貴州水利水電職業技術學院

（編輯：李博寧）