基于PLC和物聯網感應的智能灌溉節水系統設計

韓貴黎，蔡宗慧

(1.河南信息工程學校，鄭州 450008；2.秦皇島職業技術學院，河北 秦皇島 066100)

基于PLC和物聯網感應的智能灌溉節水系統設計

韓貴黎1，蔡宗慧2

(1.河南信息工程學校，鄭州 450008；2.秦皇島職業技術學院，河北 秦皇島 066100)

為了減少水資源浪費，實現高精準農業灌溉，基于PLC和物聯網技術，結合ZigBee與GPRS通訊技術，研究并設計了一種智能灌溉節水系統。系統通過無線傳感器網絡節點采集土壤濕度信息，以濕度偏差及偏差變化率作為輸入量，建立模糊控制規則庫，搭建了實驗平臺。試驗結果表明：該智能灌溉節水系統具有設計合理、運行可靠、實用性強的優點，很好地滿足了無線灌溉控制的要求，解決了傳統灌溉水資源浪費大、穩定性差的問題，實現了節水灌溉的目的，在農業灌溉方面有很高的實際生產應用價值。

智能灌溉；PLC；物聯網；模糊控制；ZigBee；GPRS

0 引言

近年來，物聯網受到了人們的廣泛關注，被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業的第3次浪潮。物聯網是一個通過傳感器網絡、射頻識別系統、紅外感應器、激光掃描器、全球定位系統，并按照約定的通信方式，實時采集需要監控、連接、互動的物體，通過各種接入網、互聯網進行信息交換，將物與物、物與人之間連接起來，實現智能化識別、定位、跟蹤和監控的新型信息化網絡。物聯網的核心是：任何物件都擁有一個可以尋找到它的地址，任何物件都可以控制和通信，也就是全面感知和智能化處理與控制。物聯網可以分為感知層、網絡層和應用層3個技術體系。其中，感知層是物聯網的“眼睛”，其利用各類傳感器網絡進行數據的采集和感知；網絡層則負責利用通信技術和互聯網技術進行數據信息的可靠傳輸；應用層主要是進行信息的協同，為用戶提供服務。本文基于PLC模糊控制理論和物聯網技術對智能灌溉進行研究，該系統以PLC為下位機，以PC機為上位機，根據土壤濕度信息確定灌溉決策因子，在可控范圍內最大程度地減少灌溉用水的浪費，起到了高產、高效、優質、節水的作用。

1 智能灌溉節水系統架構

智能灌溉節水系統分為應用、網絡和業務3個平臺，其架構如圖1所示。

應用平臺由遠程監測中心構成，主要包括傳感器網絡、PLC控制系統、ZigBee傳輸網絡、執行設備及水泵供水設施等，該部分功能是根據田間溫和濕度信息實現蓄水池、執行設備、水泵等設施的實時控制。其中，傳感器網絡由水位、溫度、濕度、流量傳感器組成。應用平臺主要負責農業信息參數的采集，通過智能灌溉節水軟件控制系統決策，并實時掌握水泵等設備的運行情況，根據設定閥值控制電機電磁閾開關。網絡平臺主要是采用通信和互聯網技術將數據信息有效傳輸至服務器上，外部采用GPRS網絡，內部采用ZigBee通訊技術。業務平臺包括空間數據場、數據信息、故障報警和實時控制等。其中，空間數據場將采集的數據信息以直觀的形式展現出來，數據信息向工作人員提供一定時間段的數據展示。

2 智能灌溉節水系統整體設計

2.1 智能灌溉節水系統模糊控制系統設計

模糊控制器的實現一般采用以下兩種形式：①模糊邏輯芯片；②采用軟件編程的方式實現模糊控制算法。本系統采用一個典型的灌溉模糊控制器，如圖2所示。

圖2 智能灌溉節水系統模糊控制系統結構示意圖Fig.2 The schematic diagram of fuzzy control system for

intelligent irrigation and water saving system

在智能灌溉節水系統中，以作物土壤濕度判斷是否需要灌溉。設r為作物適宜濕度，x為實測濕度值，則偏差eH=r-x，eC為偏差變化值。為了計算方便，定義E和eC模糊量為EH和EC。EH和EC的基礎論域區間為[-15,+15]和[-5,+5]，模糊子集為{NB，NS，Z，PS，PB}。設置模糊控制系統的輸出時間為U，基本論域為[0，10]，模糊子集為{Z(0)，ST(短時)，DT(中時)，LT(長時)} 。智能灌溉節水系統模糊控制規則如表1所示。

表1 智能灌溉節水系統模糊控制規則表

2.2 智能灌溉節水系統硬件設計

2.2.1 智能灌溉節水系統總體電氣設計

根據智能灌溉節水系統的控制原理，確定其總體電氣框架如圖3所示。

圖3 智能灌溉節水系統結構框架圖Fig.3 The structure frame of intelligent irrigation water saving system

該系統主要由PLC、變頻器、上位機、人機界面和傳感器組成，該系統硬件可以劃分中控制部分、執行部分和檢測部分。其中，控制部分包括PLC、變頻器、A/D、和通訊模塊，執行部件為控制閥，檢測部件為傳感器網絡。

2.2.2 智能灌溉節水系統應用現場設計

智能灌溉節水系統應用現場負責整個環境的數據采集和執行機構的控制，系統根據順序編號，上位機和下位機在通訊過程中也需要按照順序進行編號。智能灌溉節水系統應用現場如圖4所示。

圖4 智能灌溉節水系統應用現場圖Fig.4 The application of intelligent irrigation and water saving system

系統控制對象是水泵組和電磁閥，每隔30min系統會采集一次數據，并將濕度值通過ZigBee無線通訊網絡傳送給PLC；PLC將信息和設定值作比較，經分析后做出處理命令，并送達至執行機構，以保證作物的水分環境。

2.2.3 智能灌溉節水系統GPRS 無線傳輸

無線數據信息傳輸使用 GPRS 網絡，隨著無線通信技術的發展，GPRS 逐步發展為目前最流行的移動數據業無線通訊技術，GPRS利用GSM中未使用的TDMA信道，提供速度較快的數據傳遞。GPRS沖破GSM網只能提供電路交換的局限性，通過增加一定功能實體和改造現有的基站系統來實現分組交換。GPRS通過 GSM 網實現PLC控制器與PC機的連接，其兩者可以完成實時信息的共享。GPRS無線傳輸流程圖如圖5所示。該部分首先初始化硬件模塊，對GPRS模塊軟件進行初始化；然后通過握手應答協議溝通是否開始傳遞數據信息并獲取傳輸數據的地址值；建立傳輸數據的關系后，開始傳輸數據，數據傳輸完成后終止操作并返回系統主程序。

2.3 智能灌溉節水系統軟件設計

系統綜合仿真和測試因素，根據灌溉后土壤濕度變化，將釆樣周期定為30min。在每次灌溉30min后 ，進行下次采樣，決定電磁閥動作。由于電磁閥的通斷時長會影響控制結果，避免電磁閥頻繁動作，灌溉量輸出時，停止采樣活動。智能灌溉節水系統程序流程圖如圖6所示。

圖5 GPRS無線傳輸流程圖Fig.5 The flow chart of GPRS wireless transmission

圖6 智能灌溉節水系統程序流程圖Fig.6 The flow chart of intelligent irrigation water saving system

智能灌溉節水系統具體流程為：傳感器網絡采集土壤濕度，并與設定下限值進行比較。如果小于下限值，則打開電磁閥進行灌水操作。由于土壤滲水較慢，為了避免誤判，一般需要停止灌水后才能采集土壤濕度值判斷輸出。接著，繼續采集土壤濕度值，再與下限值比較，如果還是比下限值小，則繼續進入下一輪循環。

3 PC上位機設計

PC上位機即智能灌溉節水系統管理軟件，可以直接發出操控整個系統的指令，軟件界面顯示濕度信號的變化及各個灌溉閥門執行按鈕，在本設計中是很重要的環節，擔任著灌溉部分對各濕度傳感器的遠程管理工作，可以說是整個灌溉系統的樞紐。智能灌溉節水系統上位機軟件是基于Delphi7和Access數據庫開發的，構造簡單，操作方便。該軟件工作界面如圖7所示。

圖7 智能灌溉節水系統上位機界面Fig.7 The interface of intelligent irrigation and water saving system

智能灌溉節水系統上位機軟件界面主要包括串口傳輸、接收信息、發送信息以及數據存儲模塊。監測人員通過上位機給系統發出控制指令，保證各模塊正常運行。

4 系統測試與分析

為了驗證本系統節點傳輸的可靠性和穩定性，將本系統應用于某農業觀光園的大棚溫室內，在不影響原先大棚作物生長的前提下對其進行測試。智能灌溉節水系統主要控制灌溉總體水量和灌溉閥門開關。在這整套節水灌溉系統測試中，采用2個終端節點和1個協調器節點構成，節點之前的距離為20m，在作物土壤表皮下面10cm安裝濕度傳感器探針。測試過程中，設定土壤含水率為35%，測試結果如表2所示。

從表2可以看出：測試中，系統運行穩定，在智能灌溉完成以后的30min，土壤含水率還會出現變化，兩個節點之間的誤差在2%左右，達到目標值。這表明，智能灌溉節水系統能夠根據PLC模糊控制規則有效地調節土壤的濕度，在可控范圍內最大程度地減少灌溉用水的浪費，很好地滿足了作物生長所需要的水分，起到了高產、高效、優質及節水的作用。

表2 濕度測試結果

5 結論

1)系統對灌溉決策因子進行了有效分析，綜合考慮精確性、實用性和可操作性要求，選用土壤濕度作為灌溉決策依據，并以濕度偏差及偏差變化率作為輸入量，建立模糊控制規則庫，搭建了實驗平臺，實現了農田灌溉的自動化。

2)基于PLC和物聯網技術，結合Zigbee與GPRS通訊技術，研究并設計了一種智能灌溉節水系統。該系統具有設計合理、運行可靠、實用性強的優點，能夠很好地滿足無線灌溉控制的要求，解決了傳統灌溉水資源浪費大、穩定性差的問題，實現了節水灌溉的目的，在農業灌溉方面有很高的實際生產應用價值。

[1] 朱海龍,吳開華,趙偉杰.模糊控制在太陽能自動灌溉系統中的應用[J].機電工程,2012,29(11):1310-1313.

[2] 馬懷志.物聯網技術在智能交通中的應用研究[J].佳木斯教育學院學報,2013(10)：449-468.

[3] 李曉帆,尹勝.基于DELPHI的智能灌溉系統上位機軟件的設計[J].懷化學院學報,2012,31(8):27-30.

[4] 景小軍.基于物聯網技術的煤礦庫存智能管理系統研究與設計[D].廈門：廈門大學,2014.

[5] 廖煥鶴,舒娟.基于LabView平臺的無線節水監控系統研究[J].自動化技術與應用,2015,34(4):7-10.

[6] 郭正琴,王一鳴,楊衛中,等.基于模糊控制的智能灌溉控制系統[J].農機化研究,2006(12):103-105.

[7] 張章.試論物聯網技術在樓宇智能化系統中的應用[J].電子技術與軟件工程,2016(11):24.

[8] 陳素芹.物聯網數據采集系統統計[D].南京：南京郵電大學,2011.

[9] 鄧衛紅,張空軍.物聯網技術在農業智能化系統中的應用初探[J].電腦知識與技術,2014(20):4931- 4933.

[10] 王芳琴.單片機模糊控制節水灌溉技術的研究[J].科技風,2012(11):99-100.

[11] 吳來杰.基于物聯網架構的濱海棉田鹽水分遠程實時監測系統的研究[D].上海：同濟大學,2010.

[12] 沈翠鳳.基于單片機和無線通訊的自動農田節水灌溉系統[J].工業控制計算機,2013,26(11):91-92.

[13] 秦雙龍,趙海峰.基于無線傳感器網絡的智能節水灌溉系統[J].電氣自動化,2012,34(3):18-21.

[14] 王智乾.基于PLC的溫室模糊灌溉控制系統研究[D].昆明：昆明理工大學,2012.

[15] 劉紅,楊蓮紅,王超.基于模糊控制的溫室溫度控制的研究[J].昌吉學院學報,2013(6):77-80.

[16] 周亮亮,柯建宏.基于模糊控制的溫室灌溉施肥控制系統[J].浙江農業科學,2012,1(12):1648-1652.

[17] 馮磊,王一鳴,楊衛中,等.基于工控機的日光溫室灌溉自動控制系統的開發[J].農機化研究,2006(5): 122-124.

[18] 崔天時,楊廣林,劉磊,等.基于模糊控制的溫室灌溉控制系統的研究[J].農機化研究,2010,32(3): 84-86.

[19] 黎啟江,王祥寧,張倩.遠程無線傳感器技術在智能灌溉監控中的應用[J].農機化研究,2010, 32(3):182-188.

[20] 岳學軍,王葉夫,劉永鑫,等.基于總線技術嵌入式輪灌控制系統的設計[J].農機化研究,2013,35(7):139-144.

[21] 李江全,鄭重,劉恩博.基于CAN總線的觸摸式滴灌控制軟件設計[J].農機化研究,2007(6):156-159.

[22] 方旭杰,周益明,程文亮,等.基于ZigBee技術的無線智能灌溉系統的研制[J].農機化研究,2009, 31(1):114-118.

[23] 沈杰輝.基于GIS的灌溉信息管理和控制決策系統研究[D].杭州：浙江大學,2006.

[24] 李勝多.基于組態技術和PLC的節水灌溉控制技術[J].農機化研究,2010,32(10):167-173.

[25] 官平,謝守勇,戴星,等.基于PLC的灌溉控制系統設計[J].節水灌溉,2006(6):68-69.

[26] 裘正軍,童曉星,沈杰輝,等.基于模糊控制與虛擬儀器的灌溉決策系統研究[J].農業工程學報,2007, 23(8):165-169.

[27] 戚艷艷,肖新棉.基于labview的溫室灌溉自動控制系統的研究[J].湖南農業科學,2010(11):153- 155.

[28] 高玉芹.基于ZigBee和模糊控制決策的自動灌溉系統的設計[J].節水灌溉,2010(8):52-55.

[29] 張杰.基于Zigbee和GPRS的果園智能灌溉控制系統設計[D].楊凌：西北農林科技大學,2014.

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

河南省教育廳重點項目(ZJA15134)

韓貴黎(1968-)，女，河南羅山人，高級講師。

蔡宗慧(1985-)，女，河北秦皇島人，講師，碩士，(E-mail)hanyuzihen@126.com。

S274.2

A

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