基于物聯網和PLC控制的智能節水施灌系統設計

劉 陽，滿建舫，蘇 慧

(徐州市水利建筑設計研究院，江蘇 徐州 221000)

作為世界級的農業大國，我國的耕地面積廣、農業自給率較高。在經濟構成上，農業種植也成為國民經濟的重要組成之一[1]。對部分水文基礎條件較差的地區而言，灌溉是農業種植過程中極為重要的環節，對作物最終的產量發揮著決定作用[2]。但是這種大面積的灌溉，也直接增加了水資源需求量[3]。

以灌溉區的水資源有效利用情況為統計目標，其利用系數僅為0.4。出現這種情況主要是因為農業對于水資源的利用管理精細化程度不高，粗放低效使用現象普遍存在，而世界范圍內水資源保護意識不斷提高，減少灌溉用水量成為十分必要的工作內容之一[4]。

在農業灌溉方面，無論是渠道防滲，還是施灌實施技術，都已經取得了一定的成果[5-6]。農業生產規模化發展趨勢也要求灌溉技術具有更高的靈活性、準確性以及更高效的便捷性[7-8]。

基于此，本文設計了基于物聯網和PLC控制的智能節水施灌系統。該系統將現代信息技術、智能控制技術等融入到農業施灌控制過程中，結合土壤的實時濕度信息，調節灌溉的強度，在減少水資源用量，滿足農作物生長需求的前提下達到智能化節水灌溉的目的。

1 系統硬件設計

1.1 PLC控制器

本文設計的節水施灌系統主要通過實際土壤水含量對灌溉強度進行調節，為此，使用的PLC控制器要具備多元差異化調節能力。本文選擇NA400 PLC控制器作為系統的硬件。NA400 PLC控制器內置10/100Mbps以太網、雙串口通訊接口，可以實現對冗余和非冗余2類運行狀態的支持。在內部總線的連接下，與控制器中心相連。SOE事件順序記錄模塊的分辨率為1ms，可以記錄土壤實時含水情況數據事件[9]。普通I/O模塊與控制器的連接是通過高速內部總線實現的，確保信息和控制指令的順利接收和發送。通訊處理模塊主要作用是增添PLC與其他設備的通訊方式。本文使用的NA400控制器支持RS232/RS485、DeviceNet、CANopen網絡協議以及第三方設備的通信請求。將其作為本文設計系統的控制裝置，實現對施灌狀態的調節。

1.2 濕度傳感器

對施灌狀態的調節是在土壤含水量與農作物實際需水量之間關系的基礎上完成的。因此，本文選用NJB4900濕度傳感器作為土壤含水量采集裝置?？梢栽谕瓿砂惭b后自主實現濕備功能，無需額外的參數配置，濕備速率可以達到100Mbps，完成一個采集周期僅需1s，并且在周期內就可以實現全部數據的傳輸，不會造成數據堆積。這種高效的采集和傳輸能力，可以為系統提供及時可靠的數據信息，確保后續相關調節工作的及時性，不會出現系統參數與實際參數之間的差異化[10]。其中，NJB4900的主頻最高可達到266MHz，濕備切換時間不超過50ms，在2個CPU模塊配置下，即可實現冗余備用互換。以此為基礎的數據傳輸可以與數據采集同步進行，數據傳送與PLC同步執行大大縮短傳送時間。以此為基礎，為系統運行提供可靠的數據。

2 系統軟件設計

2.1 數據轉換

由于NJB4900采集到的數據無法直接在PLC中被應用[11]。因此，首先需要進行轉換。假設NJB4900采集到的土壤含水量信息為ai，那么轉化公式可以表示為：

(1)

式中，Ai—轉換后的土壤含水量；λ—介電常數。ci—土壤體積含水量的經驗值，該值是以物聯網中的大數據變化趨勢得出的，其計算公式為：

(2)

土壤含水量數據和環境數據之間的轉換關系系數計算公式為：

(3)

式中，P—轉換關系系數。

通過上述過程可以將采集的土壤含水量數據轉化為系統可利用的形式。

2.2 施灌控制

在得到土壤含水量數據之后，即可按照實際情況對施灌強度進行調節。

利用物聯網獲取施灌區域的環境信息，假設該值為D，土壤含水量數據Ai，在未來t時間內，其含水量的變化范圍Ai(t)可以表示為：

(4)

根據作物實際生長需水量，系統的施灌強度可以表示為：

(5)

式中，w—作物實際生長需水量；W—單位時間施灌量。

通過上述過程滿足作物實際生長需水量的同時，減少用水量。

3 應用測試與分析

為了驗證本文設計的基于物聯網和PLC控制的智能節水施灌系統在實際應用過程中的可靠性和穩定性，在某農業溫室大棚中進行試驗測試。測試目標是觀察系統是否能夠在確保土壤含水量滿足大棚作物生長的前提下減少水資源的使用量。

3.1 測試環境

考慮到實驗大棚的實際面積，通過對灌溉閥門開關進行調節實現對灌溉總體水量的控制。在對應的節水施灌系統中，共搭建了12個終端灌溉出水口以及12個閥門協調裝置，每個灌溉節點之間的間距為3.0m。結合作物生根深度，將濕度傳感器安裝在土壤表皮下15.00cm的位置。已知實驗溫室大棚內作物生長要求最佳土壤含水量為20%～30%。利用本文設計系統進行施灌管理，并以傳統施灌方法對相同規格的另一溫室大棚進行灌溉處理。

3.2 測試結果

2種系統測試結果統計對比見表1。

表1 測試結果統計 單位：%

由表1可以看出，傳統澆灌方法土壤含水量的波動較為明顯，相比之下，應用本文系統后，土壤的含水量基本穩定在23%～25%之間，始終在作物最佳生長條件范圍內。

2種系統的用水量對比見表2。

表2 施灌用水量統計 單位:m3

由表2可以看出，本文系統總用水量僅為47.98m3，與傳統系統相比，用水減少了33.85m3，同比減少41.37%。表明本文系統可以達到節水施灌的目的。

4 結語

目前，水資源緊缺已經成為全球性的問題。農業灌溉的用水量較大，而傳統的施灌系統對施灌過程中的用水量缺乏有效管理，增大了施灌過程的耗水量。為有效解決該問題，本研究基于物聯網和PLC控制技術設計了一種新的智能節水施灌系統。該系統從節水的角度，對農作物施灌問題展開研究，以土壤的實際含水量和生長作物的實際需求為基礎，利用物聯網和PLC實現了節水施灌。

測試結果表明該系統能夠有效實現節水施灌。希望本文的研究可以為灌區農業的發展提供有價值的參考。在接下來的研究中，將從提高控制指令傳輸耗時的角度進一步對系統展開優化。