基于作物需水曲线的精准灌溉系统设计

王飞 简菁涓

[摘 要]根据中国西南地区主要作物的需水曲线，设计一套能够实现节水增产的精准灌溉系统，通过已有的贵州主要经济作物的需水资料，绘制需水曲线图，并实现按时按需灌溉。本系统的硬件核心控制器为三菱PLC，主要的传感器为：温度传感器、湿度传感器和水位传感器，执行设备为电磁阀和水泵。控制系统的程序设计可以根据不同作物实现选择性控制，现地控制单元具有HMI人机监控系统，上位机以Labwiew实现数据监控处理，并为后续的系统升级控制算法提供了良好的程序和软件接口。本控制系统既能够节能，也能使作物更好、更快地生长，实现增产创收的目的。

[关键词]传感器采集;PLC控制;上位机

对于贵州来说，发展节水灌溉是提高农业用水效率、缓解贵州省缺水的有效途径。以作物的需水规律作为灌溉的控制依据，更加科学合理。发展高效节水农业，普及节水灌溉技术，开展高标准，精量化节水灌溉，拥有广阔的应用前景和实用价值，本控制系统结构紧凑，可靠性高，易于升级扩展，特别适用于贵州地区的多种农作物灌溉。

一、作物需水曲线的获取方法和需水规律

农作物精确的生长需水曲线图是本系统的重要设计依据，目前本设计先以一个地区作物进行实验。故本控制系统的作物需水数据的主要来源为在贵州省修文县一处试验站进行的调查研究，并采用试验站的相关数据，本实验站数据的获取方法为利用作物系数法计算主要作物的需水量和净灌溉需水量，并用灌溉试验站的实测资料进行了检验。本地区为亚热带季风湿润气候，夏天凉爽多雨，实验的农作物种植田土壤为当地分布最廣黄土。在此研究情况下，获取作物的需水曲线，通过origin软件拟合获得作物一年的需水公式并根据当地的降水量和土壤湿度来控制灌溉用水量。

二、 灌溉控制系统的实现

（一）硬件系统的搭建

1. PLC控制器的选择

系统采用FX3U系列三菱PLC为控制器，为三菱公司第三代微型可编程控制器，内置高达64KB大容量RAM存储器，内置业界最高水平的高速处理0.065μs/基本指令，控制规模16-384（包括CC-link I/O）点，同时可外接相应扩展模块，实现程序控制、数据通信以及后期拓展等，本控制器均能满足系统的控制要求。

2.土壤湿度传感器的选择

本系统采用比较先进的FDR测量方式，利用频域反射这种电磁脉冲技术来测量土壤湿度的，虽然成本较高，但是具有很高的精度。型号为JXBS-3001-TR，其中测量水分的量程为0～100%，精度为读数的3%（0～53%时）和5%（53%～100%），响应时间小于1s，输出型号的方式为RS485。具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程、少标定等特点，采用此款土壤湿度传感器可以较好地判断当前作物的需水情况，抗干扰能力强，使用寿命长，本系统通过多个传感器多点采样实现精准化数据采集。

3.水位传感器的选择

本系统采用一体液位变送器，型号为AS-136，水位传感器将感受到的水压信号变为电信号，可通过电压信号输出和RS485接口输出，控制器内的计算机将实测的水位信号与设定信号进行比较，得出偏差，然后根据偏差的性质向给水电动阀发出“开”“关”指令，保证容器达到设定水位，作为实验用水池可以精确地测量已用的灌溉用水，实现目标灌溉量和实际灌溉量的对比反馈，修正程序，解决程序设计中的误差。

4.模拟量输入模块的选择

根据本系统对输入量的点数和精度要求，采用EM231模拟量输入模块就能完成功能，将现场由传感器测量得到的常规模拟量信号转换成PLC控制器可识别处理数字量，其中本模块为12位二进制数，信号主要有土壤湿度、水位以及后期升级需要添加的温度、空气湿度等数据。

5.其他控制硬件的选择

下位机监控用的昆仑通态的TCP7062TX人机界面，以先进的Cortex-A8 CPU为核心的高性能嵌入式一体化触摸屏。采用了7英寸高亮度TFT液晶显示屏。同时还预装了MCGS嵌入式组态软件，具备强大的图像显示和数据处理功能，在本系统中可实现数据监控和自动手动控制切换，上位机采用NI公司的LabVIEW软件，提供了图形化编程方法，还有水泵等其他辅助设备。

本控制系统采用信息化监控手段，实现PLC与传感器以及人机监控联合控制，解决本地区水资源的利用不够充分、供水自动化水平低的现状。设计开发经济可靠实用的精准灌溉控制系统具有很好的社会经济效益。本套控制系统可以“无人值守”或“少人值守”，实现自动化和远程控制，实现按时按需定量供水，控制灌溉用水量，使农作物更好的生长，实现增产增收的目的。

[作者单位]

贵州水利水电职业技术学院

（编辑：李博宁）