基于計算機輔助控制與PLC技術的農業智能灌溉系統研究

劉鑄德

摘 要 隨著科學技術的發展，在農業灌溉系統設計過程中，必須重視引入高效的農業智能灌溉技術。基于此，通過技術研究，分析基于計算機輔助控制與PLC技術的農業智能灌溉系統的設計策略，不斷提高研究水平，從而為農業智能化灌溉工作提供有效的技術支持。

關鍵詞 計算機輔助控制;PLC技術;農業;智能灌溉

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.26.082

隨著農業生產技術的不斷深入發展和農業結構的不斷調整，農業智能化灌溉技術在農業灌溉中的應用也進一步普及，對技術的要求也越來越高。利用計算機輔助控制技術與PLC技術結合建立起的農業智能化灌溉系統，解決了傳統灌溉技術中效率偏低、管理偏難等問題，進一步提升了農業智能化灌溉系統的應用效率。

1 系統總體設計

農業智能灌溉系統主要由計算機輔助控制系統（上位機）、PLC（下位機）、A/D轉換器（模數轉換器）、土壤濕度感應器、執行控制模塊、灌溉設備和報警設備構成。工作原理框圖如圖1所示。

該系統工作時，先由土壤濕度傳感器取值，將土壤濕度值通過A/D轉換模塊將模擬信號轉換成數字信號后傳輸給PLC，之后PLC將信號傳給計算機輔助控制設備，計算機輔助控制設備經過自動調節或者人工手動控制后，將調整后的參數傳回給PLC，由PLC通過PID計算程序發出命令控制對應的執行控制模塊啟停灌溉設備，實現對灌溉的智能運作[1-3]。

本系統的核心設備為由上位機和下位機兩個部分組成。上位機主要采用計算機輔助控制系統，設置對應的操作控制界面，可對控制參數進行設置，可實時監控下位機，可對相關數據進行查詢等;下位機主要采用PLC控制器，主要功能用于接收上位機的控制操作指令、接收土壤濕度傳感器模擬量輸入信號等，并根據系統的要求，計算、處理和輸出對應的命令，驅動外部相關控制設備。

2 系統硬件設計

系統硬件主要由計算機輔助控制系統、PLC控制器、A/D轉換器、土壤濕度傳感器、執行控制模塊、灌溉設備和報警設備構成。

2.1 計算機輔助控制系統（上位機）

作為系統核心的控制組件，計算機輔助控制系統在硬件上須具備穩定的硬件工作環境，在控制軟件上能對灌溉系統各項指標進行調節和設定，需支持主流的連接協議，實現對設備的調控、監視、數據采集、報表匯總等功能。

2.2 PLC控制器（下位機）

作為系統的核心執行組件，PLC必須具備穩定的工作狀態，多節點、多級數采集傳輸模式，支持主流的連接協議，配備足夠的輸入端子和輸出端子，同時可外接相應擴展模塊，盡可能多收集設備的輸入信號傳輸給上位機，滿足系統的調整和控制要求。

2.3 土壤濕度傳感器

新型的土壤濕度傳感器可利用電磁脈沖原理，根據電磁波在介質中的傳播頻率來測量土壤的表觀介電常數，得到土壤容積含水量，具有簡便安全、快速準確、定點連續、自動化、寬量程和少標定等特點。

2.4 A/D轉換器（模數轉換器）

根據本系統對系統輸入/輸出信號的要求，需將現場由土壤濕度傳感器檢測產生的連續模擬量信號轉換成PLC識別的可以接收的數字量信號。為確保轉換的準確率，應選取數字量位數多、分辨率高、功耗低的設備型號。

2.5 執行控制模塊

執行控制模塊，主要用于控制灌溉設備的啟停。目前常見的執行控制設備一般為電磁閥，其所具備的高安全性、適用性和可靠性是控制模塊必備的工作特性。

2.6 灌溉設備

用于農業的灌溉設備有很多類型，如水泵、滴灌管、微噴頭、微噴帶等，根據不同的應用場景，應按實際選擇不同的灌溉設備，以利于農作物的灌溉作業。

在選擇灌溉設備時，要與執行控制模塊所選擇的設備配合使用。

2.7 報警設備

報警設備接收上位機發出報警信號，例如濕度過低、灌溉時間過長等，可以聲、光等形式發出報警信息，提醒管理人員及時處理。

3 系統軟件設計

軟件設計方面，由上位機計算機輔助控制軟件和下位機PLC執行軟件構成。程序的核心思想是由上位機負責對參數進行調節，下位機接收上位機的調節指令，通過PID算法輸出執行參數實現對灌溉設備的控制。

3.1 上位機軟件設計

智能灌溉系統的控制由上位機進行。軟件系統采用圖形化的編程語言，如Microsoft Visual C++，能與硬件進行直接通信，其圖形化的編程特點可建立虛擬化的儀器圖表，提取下位機的PID參數并可在圖形界面上顯示和調節。

軟件的設計思想是將下位機所獲取的土壤傳感器檢測土壤濕度含量，與程序設定土壤濕度信號最小值和最大值相比較，根據偏差量向灌溉設備發出“開”“關”指令，保證土壤濕度達到設定范圍，并且當土壤含水量低于設定最小值或最大值時向報警裝置發出報警指令，使報警裝置啟動，及時進行告警。

軟件在實際設計過程中需要研討濕度比較的方案，在灌溉操作執行過程中，由于土壤滲水較慢，土壤濕度具有慣性大、非線性等特征，為了避免誤判，一般需要對設定的單位時間內兩次以上所采集土壤濕度值進行比對判斷后，再輸出對應操作。

3.2 下位機軟件設計

下位機軟件為PLC執行軟件。在軟件設計中可以在插入以太網初始化程序后進行程序編寫，通過專有協議，經過以太網模塊、交換機、雙絞線等方式連接到計算機輔助控制軟件，實現上位機與下位機的通訊聯動，對設備發出相應指令。

下位機算法的基本思想：1）土壤濕度傳感器將通過A/D模塊將土壤濕度信號轉變成數字信號傳送給PLC，PLC通過程序運算將信號變成實際的濕度值;2）PLC將濕度取值傳送給上位機進行比較設定，根據上位機給定的設定值經過PID運算處理后，通過脈沖輸出模塊，輸出對應的脈沖信號到執行控制模塊，執行控制模塊根據輸入值進行對應操作，完成一輪灌溉作業[4-5]。

3.3 智能灌溉節水系統軟件設計模式實踐

3.3.1 手動灌溉模式

為了滿足特定環境下的灌溉需求，本系統具備手動灌溉模式。手動灌溉模式是指由人為調節執行控制模塊的開啟和關閉，當開啟指令發出后，后端灌溉設備開始工作;關閉指令發出后，后端灌溉設備停止工作。工作指令由上位機手動設定發出，下位機接收并轉發給控制模塊執行，具體流程圖如圖2所示。

3.3.2 自動灌溉模式

自動控制模式是指由系統自動控制進行灌溉操作。系統根據土壤濕度感應器提取的當前土壤含水率的數值，將數值與用戶設定的土壤含水率的數值相比較，根據PID算法對比計算出是否需要對農作物進行灌溉操作。其運行模式為：當提取數值小于用戶設定下限值時，發出命令執行灌溉;當提取數值高于用戶設定上限值時，發出命令停止灌溉。土壤濕度具有慣性大、非線性等特征，因此自動模式中對濕度的傳感器土壤濕度的取值應在設定的單位時間內取至少兩次土壤的濕度信息與用戶設定值進行比較。當兩次以上獲取到的濕度信息達到啟動或者停止值時，才進行啟停操作，具體流程圖如圖3所示。

3.3.3 定時灌溉設計

定時灌溉設計是指由管理人員設定好灌溉開始的時間和結束時間，當到達灌溉開始時間后，灌溉設備開始工作;當到達灌溉停止時間后，灌溉設備停止工作。具體流程圖如圖4所示。

4 結語

基于計算機輔助控制與PLC技術結合的農業智能化灌溉系統，促進了先進科學技術和傳統農業灌溉系統的結合，滿足了農業現代化灌溉的需求。在未來的實踐探索過程中，還應結合農業智能灌溉系統運行實際，不斷提高計算機輔助控制與PLC控制技術在農業灌溉模式中的應用水平，使這項技術在農業生產中發揮更大的應用價值。

參考文獻：

[1] 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.

[2] 王智乾，柯建宏.基于PLC模糊控制的溫室灌溉控制策略研究[J].浙江農業科學，2011（6）：1428-1432.

[3] 趙德奇.基于PLC的現代農業溫室灌溉系統設計[J].農機使用與維修，2013（9）：17-18.

[4] 韓貴黎，蔡宗慧.基于PLC和物聯網感應的智能灌溉節水系統設計[J].農機化研究，2017（12）：215-218，263.

[5] 靳瑞生，裴瑞婷.基于PLC的植物灌溉控制系統設計[J].電子技術與軟件工程，2019（1）：114.

（責任編輯：劉 昀）