基于PLC和物联网感应的智能灌溉节水系统设计

韩贵黎，蔡宗慧

(1.河南信息工程学校，郑州 450008；2.秦皇岛职业技术学院，河北 秦皇岛 066100)

基于PLC和物联网感应的智能灌溉节水系统设计

韩贵黎1，蔡宗慧2

(1.河南信息工程学校，郑州 450008；2.秦皇岛职业技术学院，河北 秦皇岛 066100)

为了减少水资源浪费，实现高精准农业灌溉，基于PLC和物联网技术，结合ZigBee与GPRS通讯技术，研究并设计了一种智能灌溉节水系统。系统通过无线传感器网络节点采集土壤湿度信息，以湿度偏差及偏差变化率作为输入量，建立模糊控制规则库，搭建了实验平台。试验结果表明：该智能灌溉节水系统具有设计合理、运行可靠、实用性强的优点，很好地满足了无线灌溉控制的要求，解决了传统灌溉水资源浪费大、稳定性差的问题，实现了节水灌溉的目的，在农业灌溉方面有很高的实际生产应用价值。

智能灌溉；PLC；物联网；模糊控制；ZigBee；GPRS

0 引言

近年来，物联网受到了人们的广泛关注，被称为继计算机、互联网之后世界信息产业的第3次浪潮。物联网是一个通过传感器网络、射频识别系统、红外感应器、激光扫描器、全球定位系统，并按照约定的通信方式，实时采集需要监控、连接、互动的物体，通过各种接入网、互联网进行信息交换，将物与物、物与人之间连接起来，实现智能化识别、定位、跟踪和监控的新型信息化网络。物联网的核心是：任何物件都拥有一个可以寻找到它的地址，任何物件都可以控制和通信，也就是全面感知和智能化处理与控制。物联网可以分为感知层、网络层和应用层3个技术体系。其中，感知层是物联网的“眼睛”，其利用各类传感器网络进行数据的采集和感知；网络层则负责利用通信技术和互联网技术进行数据信息的可靠传输；应用层主要是进行信息的协同，为用户提供服务。本文基于PLC模糊控制理论和物联网技术对智能灌溉进行研究，该系统以PLC为下位机，以PC机为上位机，根据土壤湿度信息确定灌溉决策因子，在可控范围内最大程度地减少灌溉用水的浪费，起到了高产、高效、优质、节水的作用。

1 智能灌溉节水系统架构

智能灌溉节水系统分为应用、网络和业务3个平台，其架构如图1所示。

应用平台由远程监测中心构成，主要包括传感器网络、PLC控制系统、ZigBee传输网络、执行设备及水泵供水设施等，该部分功能是根据田间温和湿度信息实现蓄水池、执行设备、水泵等设施的实时控制。其中，传感器网络由水位、温度、湿度、流量传感器组成。应用平台主要负责农业信息参数的采集，通过智能灌溉节水软件控制系统决策，并实时掌握水泵等设备的运行情况，根据设定阀值控制电机电磁阈开关。网络平台主要是采用通信和互联网技术将数据信息有效传输至服务器上，外部采用GPRS网络，内部采用ZigBee通讯技术。业务平台包括空间数据场、数据信息、故障报警和实时控制等。其中，空间数据场将采集的数据信息以直观的形式展现出来，数据信息向工作人员提供一定时间段的数据展示。

2 智能灌溉节水系统整体设计

2.1 智能灌溉节水系统模糊控制系统设计

模糊控制器的实现一般采用以下两种形式：①模糊逻辑芯片；②采用软件编程的方式实现模糊控制算法。本系统采用一个典型的灌溉模糊控制器，如图2所示。

图2 智能灌溉节水系统模糊控制系统结构示意图Fig.2 The schematic diagram of fuzzy control system for

intelligent irrigation and water saving system

在智能灌溉节水系统中，以作物土壤湿度判断是否需要灌溉。设r为作物适宜湿度，x为实测湿度值，则偏差eH=r-x，eC为偏差变化值。为了计算方便，定义E和eC模糊量为EH和EC。EH和EC的基础论域区间为[-15,+15]和[-5,+5]，模糊子集为{NB，NS，Z，PS，PB}。设置模糊控制系统的输出时间为U，基本论域为[0，10]，模糊子集为{Z(0)，ST(短时)，DT(中时)，LT(长时)} 。智能灌溉节水系统模糊控制规则如表1所示。

表1 智能灌溉节水系统模糊控制规则表

2.2 智能灌溉节水系统硬件设计

2.2.1 智能灌溉节水系统总体电气设计

根据智能灌溉节水系统的控制原理，确定其总体电气框架如图3所示。

图3 智能灌溉节水系统结构框架图Fig.3 The structure frame of intelligent irrigation water saving system

该系统主要由PLC、变频器、上位机、人机界面和传感器组成，该系统硬件可以划分中控制部分、执行部分和检测部分。其中，控制部分包括PLC、变频器、A/D、和通讯模块，执行部件为控制阀，检测部件为传感器网络。

2.2.2 智能灌溉节水系统应用现场设计

智能灌溉节水系统应用现场负责整个环境的数据采集和执行机构的控制，系统根据顺序编号，上位机和下位机在通讯过程中也需要按照顺序进行编号。智能灌溉节水系统应用现场如图4所示。

图4 智能灌溉节水系统应用现场图Fig.4 The application of intelligent irrigation and water saving system

系统控制对象是水泵组和电磁阀，每隔30min系统会采集一次数据，并将湿度值通过ZigBee无线通讯网络传送给PLC；PLC将信息和设定值作比较，经分析后做出处理命令，并送达至执行机构，以保证作物的水分环境。

2.2.3 智能灌溉节水系统GPRS 无线传输

无线数据信息传输使用 GPRS 网络，随着无线通信技术的发展，GPRS 逐步发展为目前最流行的移动数据业无线通讯技术，GPRS利用GSM中未使用的TDMA信道，提供速度较快的数据传递。GPRS冲破GSM网只能提供电路交换的局限性，通过增加一定功能实体和改造现有的基站系统来实现分组交换。GPRS通过 GSM 网实现PLC控制器与PC机的连接，其两者可以完成实时信息的共享。GPRS无线传输流程图如图5所示。该部分首先初始化硬件模块，对GPRS模块软件进行初始化；然后通过握手应答协议沟通是否开始传递数据信息并获取传输数据的地址值；建立传输数据的关系后，开始传输数据，数据传输完成后终止操作并返回系统主程序。

2.3 智能灌溉节水系统软件设计

系统综合仿真和测试因素，根据灌溉后土壤湿度变化，将釆样周期定为30min。在每次灌溉30min后 ，进行下次采样，决定电磁阀动作。由于电磁阀的通断时长会影响控制结果，避免电磁阀频繁动作，灌溉量输出时，停止采样活动。智能灌溉节水系统程序流程图如图6所示。

图5 GPRS无线传输流程图Fig.5 The flow chart of GPRS wireless transmission

图6 智能灌溉节水系统程序流程图Fig.6 The flow chart of intelligent irrigation water saving system

智能灌溉节水系统具体流程为：传感器网络采集土壤湿度，并与设定下限值进行比较。如果小于下限值，则打开电磁阀进行灌水操作。由于土壤渗水较慢，为了避免误判，一般需要停止灌水后才能采集土壤湿度值判断输出。接着，继续采集土壤湿度值，再与下限值比较，如果还是比下限值小，则继续进入下一轮循环。

3 PC上位机设计

PC上位机即智能灌溉节水系统管理软件，可以直接发出操控整个系统的指令，软件界面显示湿度信号的变化及各个灌溉阀门执行按钮，在本设计中是很重要的环节，担任着灌溉部分对各湿度传感器的远程管理工作，可以说是整个灌溉系统的枢纽。智能灌溉节水系统上位机软件是基于Delphi7和Access数据库开发的，构造简单，操作方便。该软件工作界面如图7所示。

图7 智能灌溉节水系统上位机界面Fig.7 The interface of intelligent irrigation and water saving system

智能灌溉节水系统上位机软件界面主要包括串口传输、接收信息、发送信息以及数据存储模块。监测人员通过上位机给系统发出控制指令，保证各模块正常运行。

4 系统测试与分析

为了验证本系统节点传输的可靠性和稳定性，将本系统应用于某农业观光园的大棚温室内，在不影响原先大棚作物生长的前提下对其进行测试。智能灌溉节水系统主要控制灌溉总体水量和灌溉阀门开关。在这整套节水灌溉系统测试中，采用2个终端节点和1个协调器节点构成，节点之前的距离为20m，在作物土壤表皮下面10cm安装湿度传感器探针。测试过程中，设定土壤含水率为35%，测试结果如表2所示。

从表2可以看出：测试中，系统运行稳定，在智能灌溉完成以后的30min，土壤含水率还会出现变化，两个节点之间的误差在2%左右，达到目标值。这表明，智能灌溉节水系统能够根据PLC模糊控制规则有效地调节土壤的湿度，在可控范围内最大程度地减少灌溉用水的浪费，很好地满足了作物生长所需要的水分，起到了高产、高效、优质及节水的作用。

表2 湿度测试结果

5 结论

1)系统对灌溉决策因子进行了有效分析，综合考虑精确性、实用性和可操作性要求，选用土壤湿度作为灌溉决策依据，并以湿度偏差及偏差变化率作为输入量，建立模糊控制规则库，搭建了实验平台，实现了农田灌溉的自动化。

2)基于PLC和物联网技术，结合Zigbee与GPRS通讯技术，研究并设计了一种智能灌溉节水系统。该系统具有设计合理、运行可靠、实用性强的优点，能够很好地满足无线灌溉控制的要求，解决了传统灌溉水资源浪费大、稳定性差的问题，实现了节水灌溉的目的，在农业灌溉方面有很高的实际生产应用价值。

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Abstract ID:1003-188X(2017)12-0215-EA

Design of Intelligent Irrigation Water Saving System Based on PLC and Internet of Things

Han Guili1,Cai Zonghui2

(1.Henan information engineering school, Zhengzhou 450008, China; 2.Qinhuangdao Institute of Technology, Qinhuangdao 066100, China)

In order to reduce the waste of water resources, to achieve high precision agriculture irrigation, combined with Zigbee and GPRS communication technology,it researched and designed of an intelligent irrigation and water saving system based on PLC and Internet of things technology. The system is collected the information of soil moisture, humidity deviation and deviation change rate as input based on wireless sensor network nodes. It established the fuzzy control rule and set up the experimental platform. Test results showed that the intelligent water saving irrigation system has reasonable design, reliable operation, practical strong advantages, good to meet the requirements of wireless irrigation control, excellent solves the traditional irrigation water resource waste, poor stability, to achieve the purpose of water saving irrigation, which has very high practical value in production and application in agriculture irrigation.

intelligent irrigation; PLC; Internet of Things; fuzzy control； Zigbee; GPRS

2016-08-11

河南省教育厅重点项目(ZJA15134)

韩贵黎(1968-)，女，河南罗山人，高级讲师。

蔡宗慧(1985-)，女，河北秦皇岛人，讲师，硕士，(E-mail)hanyuzihen@126.com。

S274.2

A

1003-188X(2017)12-0215-04