基于物联网和PLC控制的智能节水施灌系统设计

刘 阳，满建舫，苏 慧

(徐州市水利建筑设计研究院，江苏 徐州 221000)

作为世界级的农业大国，我国的耕地面积广、农业自给率较高。在经济构成上，农业种植也成为国民经济的重要组成之一[1]。对部分水文基础条件较差的地区而言，灌溉是农业种植过程中极为重要的环节，对作物最终的产量发挥着决定作用[2]。但是这种大面积的灌溉，也直接增加了水资源需求量[3]。

以灌溉区的水资源有效利用情况为统计目标，其利用系数仅为0.4。出现这种情况主要是因为农业对于水资源的利用管理精细化程度不高，粗放低效使用现象普遍存在，而世界范围内水资源保护意识不断提高，减少灌溉用水量成为十分必要的工作内容之一[4]。

在农业灌溉方面，无论是渠道防渗，还是施灌实施技术，都已经取得了一定的成果[5-6]。农业生产规模化发展趋势也要求灌溉技术具有更高的灵活性、准确性以及更高效的便捷性[7-8]。

基于此，本文设计了基于物联网和PLC控制的智能节水施灌系统。该系统将现代信息技术、智能控制技术等融入到农业施灌控制过程中，结合土壤的实时湿度信息，调节灌溉的强度，在减少水资源用量，满足农作物生长需求的前提下达到智能化节水灌溉的目的。

1 系统硬件设计

1.1 PLC控制器

本文设计的节水施灌系统主要通过实际土壤水含量对灌溉强度进行调节，为此，使用的PLC控制器要具备多元差异化调节能力。本文选择NA400 PLC控制器作为系统的硬件。NA400 PLC控制器内置10/100Mbps以太网、双串口通讯接口，可以实现对冗余和非冗余2类运行状态的支持。在内部总线的连接下，与控制器中心相连。SOE事件顺序记录模块的分辨率为1ms，可以记录土壤实时含水情况数据事件[9]。普通I/O模块与控制器的连接是通过高速内部总线实现的，确保信息和控制指令的顺利接收和发送。通讯处理模块主要作用是增添PLC与其他设备的通讯方式。本文使用的NA400控制器支持RS232/RS485、DeviceNet、CANopen网络协议以及第三方设备的通信请求。将其作为本文设计系统的控制装置，实现对施灌状态的调节。

1.2 湿度传感器

对施灌状态的调节是在土壤含水量与农作物实际需水量之间关系的基础上完成的。因此，本文选用NJB4900湿度传感器作为土壤含水量采集装置。可以在完成安装后自主实现湿备功能，无需额外的参数配置，湿备速率可以达到100Mbps，完成一个采集周期仅需1s，并且在周期内就可以实现全部数据的传输，不会造成数据堆积。这种高效的采集和传输能力，可以为系统提供及时可靠的数据信息，确保后续相关调节工作的及时性，不会出现系统参数与实际参数之间的差异化[10]。其中，NJB4900的主频最高可达到266MHz，湿备切换时间不超过50ms，在2个CPU模块配置下，即可实现冗余备用互换。以此为基础的数据传输可以与数据采集同步进行，数据传送与PLC同步执行大大缩短传送时间。以此为基础，为系统运行提供可靠的数据。

2 系统软件设计

2.1 数据转换

由于NJB4900采集到的数据无法直接在PLC中被应用[11]。因此，首先需要进行转换。假设NJB4900采集到的土壤含水量信息为ai，那么转化公式可以表示为：

(1)

式中，Ai—转换后的土壤含水量；λ—介电常数。ci—土壤体积含水量的经验值，该值是以物联网中的大数据变化趋势得出的，其计算公式为：

(2)

土壤含水量数据和环境数据之间的转换关系系数计算公式为：

(3)

式中，P—转换关系系数。

通过上述过程可以将采集的土壤含水量数据转化为系统可利用的形式。

2.2 施灌控制

在得到土壤含水量数据之后，即可按照实际情况对施灌强度进行调节。

利用物联网获取施灌区域的环境信息，假设该值为D，土壤含水量数据Ai，在未来t时间内，其含水量的变化范围Ai(t)可以表示为：

(4)

根据作物实际生长需水量，系统的施灌强度可以表示为：

(5)

式中，w—作物实际生长需水量；W—单位时间施灌量。

通过上述过程满足作物实际生长需水量的同时，减少用水量。

3 应用测试与分析

为了验证本文设计的基于物联网和PLC控制的智能节水施灌系统在实际应用过程中的可靠性和稳定性，在某农业温室大棚中进行试验测试。测试目标是观察系统是否能够在确保土壤含水量满足大棚作物生长的前提下减少水资源的使用量。

3.1 测试环境

考虑到实验大棚的实际面积，通过对灌溉阀门开关进行调节实现对灌溉总体水量的控制。在对应的节水施灌系统中，共搭建了12个终端灌溉出水口以及12个阀门协调装置，每个灌溉节点之间的间距为3.0m。结合作物生根深度，将湿度传感器安装在土壤表皮下15.00cm的位置。已知实验温室大棚内作物生长要求最佳土壤含水量为20%～30%。利用本文设计系统进行施灌管理，并以传统施灌方法对相同规格的另一温室大棚进行灌溉处理。

3.2 测试结果

2种系统测试结果统计对比见表1。

表1 测试结果统计 单位：%

由表1可以看出，传统浇灌方法土壤含水量的波动较为明显，相比之下，应用本文系统后，土壤的含水量基本稳定在23%～25%之间，始终在作物最佳生长条件范围内。

2种系统的用水量对比见表2。

表2 施灌用水量统计 单位:m3

由表2可以看出，本文系统总用水量仅为47.98m3，与传统系统相比，用水减少了33.85m3，同比减少41.37%。表明本文系统可以达到节水施灌的目的。

4 结语

目前，水资源紧缺已经成为全球性的问题。农业灌溉的用水量较大，而传统的施灌系统对施灌过程中的用水量缺乏有效管理，增大了施灌过程的耗水量。为有效解决该问题，本研究基于物联网和PLC控制技术设计了一种新的智能节水施灌系统。该系统从节水的角度，对农作物施灌问题展开研究，以土壤的实际含水量和生长作物的实际需求为基础，利用物联网和PLC实现了节水施灌。

测试结果表明该系统能够有效实现节水施灌。希望本文的研究可以为灌区农业的发展提供有价值的参考。在接下来的研究中，将从提高控制指令传输耗时的角度进一步对系统展开优化。