基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC控制的智能節(jié)水施灌系統(tǒng)設計

劉 陽，滿建舫，蘇 慧

(徐州市水利建筑設計研究院，江蘇 徐州 221000)

作為世界級的農(nóng)業(yè)大國，我國的耕地面積廣、農(nóng)業(yè)自給率較高。在經(jīng)濟構(gòu)成上，農(nóng)業(yè)種植也成為國民經(jīng)濟的重要組成之一[1]。對部分水文基礎條件較差的地區(qū)而言，灌溉是農(nóng)業(yè)種植過程中極為重要的環(huán)節(jié)，對作物最終的產(chǎn)量發(fā)揮著決定作用[2]。但是這種大面積的灌溉，也直接增加了水資源需求量[3]。

以灌溉區(qū)的水資源有效利用情況為統(tǒng)計目標，其利用系數(shù)僅為0.4。出現(xiàn)這種情況主要是因為農(nóng)業(yè)對于水資源的利用管理精細化程度不高，粗放低效使用現(xiàn)象普遍存在，而世界范圍內(nèi)水資源保護意識不斷提高，減少灌溉用水量成為十分必要的工作內(nèi)容之一[4]。

在農(nóng)業(yè)灌溉方面，無論是渠道防滲，還是施灌實施技術(shù)，都已經(jīng)取得了一定的成果[5-6]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模化發(fā)展趨勢也要求灌溉技術(shù)具有更高的靈活性、準確性以及更高效的便捷性[7-8]。

基于此，本文設計了基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC控制的智能節(jié)水施灌系統(tǒng)。該系統(tǒng)將現(xiàn)代信息技術(shù)、智能控制技術(shù)等融入到農(nóng)業(yè)施灌控制過程中，結(jié)合土壤的實時濕度信息，調(diào)節(jié)灌溉的強度，在減少水資源用量，滿足農(nóng)作物生長需求的前提下達到智能化節(jié)水灌溉的目的。

1 系統(tǒng)硬件設計

1.1 PLC控制器

本文設計的節(jié)水施灌系統(tǒng)主要通過實際土壤水含量對灌溉強度進行調(diào)節(jié)，為此，使用的PLC控制器要具備多元差異化調(diào)節(jié)能力。本文選擇NA400 PLC控制器作為系統(tǒng)的硬件。NA400 PLC控制器內(nèi)置10/100Mbps以太網(wǎng)、雙串口通訊接口，可以實現(xiàn)對冗余和非冗余2類運行狀態(tài)的支持。在內(nèi)部總線的連接下，與控制器中心相連。SOE事件順序記錄模塊的分辨率為1ms，可以記錄土壤實時含水情況數(shù)據(jù)事件[9]。普通I/O模塊與控制器的連接是通過高速內(nèi)部總線實現(xiàn)的，確保信息和控制指令的順利接收和發(fā)送。通訊處理模塊主要作用是增添PLC與其他設備的通訊方式。本文使用的NA400控制器支持RS232/RS485、DeviceNet、CANopen網(wǎng)絡協(xié)議以及第三方設備的通信請求。將其作為本文設計系統(tǒng)的控制裝置，實現(xiàn)對施灌狀態(tài)的調(diào)節(jié)。

1.2 濕度傳感器

對施灌狀態(tài)的調(diào)節(jié)是在土壤含水量與農(nóng)作物實際需水量之間關系的基礎上完成的。因此，本文選用NJB4900濕度傳感器作為土壤含水量采集裝置。可以在完成安裝后自主實現(xiàn)濕備功能，無需額外的參數(shù)配置，濕備速率可以達到100Mbps，完成一個采集周期僅需1s，并且在周期內(nèi)就可以實現(xiàn)全部數(shù)據(jù)的傳輸，不會造成數(shù)據(jù)堆積。這種高效的采集和傳輸能力，可以為系統(tǒng)提供及時可靠的數(shù)據(jù)信息，確保后續(xù)相關調(diào)節(jié)工作的及時性，不會出現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)與實際參數(shù)之間的差異化[10]。其中，NJB4900的主頻最高可達到266MHz，濕備切換時間不超過50ms，在2個CPU模塊配置下，即可實現(xiàn)冗余備用互換。以此為基礎的數(shù)據(jù)傳輸可以與數(shù)據(jù)采集同步進行，數(shù)據(jù)傳送與PLC同步執(zhí)行大大縮短傳送時間。以此為基礎，為系統(tǒng)運行提供可靠的數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

由于NJB4900采集到的數(shù)據(jù)無法直接在PLC中被應用[11]。因此，首先需要進行轉(zhuǎn)換。假設NJB4900采集到的土壤含水量信息為ai，那么轉(zhuǎn)化公式可以表示為：

(1)

式中，Ai—轉(zhuǎn)換后的土壤含水量；λ—介電常數(shù)。ci—土壤體積含水量的經(jīng)驗值，該值是以物聯(lián)網(wǎng)中的大數(shù)據(jù)變化趨勢得出的，其計算公式為：

(2)

土壤含水量數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換關系系數(shù)計算公式為：

(3)

式中，P—轉(zhuǎn)換關系系數(shù)。

通過上述過程可以將采集的土壤含水量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可利用的形式。

2.2 施灌控制

在得到土壤含水量數(shù)據(jù)之后，即可按照實際情況對施灌強度進行調(diào)節(jié)。

利用物聯(lián)網(wǎng)獲取施灌區(qū)域的環(huán)境信息，假設該值為D，土壤含水量數(shù)據(jù)Ai，在未來t時間內(nèi)，其含水量的變化范圍Ai(t)可以表示為：

(4)

根據(jù)作物實際生長需水量，系統(tǒng)的施灌強度可以表示為：

(5)

式中，w—作物實際生長需水量；W—單位時間施灌量。

通過上述過程滿足作物實際生長需水量的同時，減少用水量。

3 應用測試與分析

為了驗證本文設計的基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC控制的智能節(jié)水施灌系統(tǒng)在實際應用過程中的可靠性和穩(wěn)定性，在某農(nóng)業(yè)溫室大棚中進行試驗測試。測試目標是觀察系統(tǒng)是否能夠在確保土壤含水量滿足大棚作物生長的前提下減少水資源的使用量。

3.1 測試環(huán)境

考慮到實驗大棚的實際面積，通過對灌溉閥門開關進行調(diào)節(jié)實現(xiàn)對灌溉總體水量的控制。在對應的節(jié)水施灌系統(tǒng)中，共搭建了12個終端灌溉出水口以及12個閥門協(xié)調(diào)裝置，每個灌溉節(jié)點之間的間距為3.0m。結(jié)合作物生根深度，將濕度傳感器安裝在土壤表皮下15.00cm的位置。已知實驗溫室大棚內(nèi)作物生長要求最佳土壤含水量為20%～30%。利用本文設計系統(tǒng)進行施灌管理，并以傳統(tǒng)施灌方法對相同規(guī)格的另一溫室大棚進行灌溉處理。

3.2 測試結(jié)果

2種系統(tǒng)測試結(jié)果統(tǒng)計對比見表1。

表1 測試結(jié)果統(tǒng)計 單位：%

由表1可以看出，傳統(tǒng)澆灌方法土壤含水量的波動較為明顯，相比之下，應用本文系統(tǒng)后，土壤的含水量基本穩(wěn)定在23%～25%之間，始終在作物最佳生長條件范圍內(nèi)。

2種系統(tǒng)的用水量對比見表2。

表2 施灌用水量統(tǒng)計 單位:m3

由表2可以看出，本文系統(tǒng)總用水量僅為47.98m3，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，用水減少了33.85m3，同比減少41.37%。表明本文系統(tǒng)可以達到節(jié)水施灌的目的。

4 結(jié)語

目前，水資源緊缺已經(jīng)成為全球性的問題。農(nóng)業(yè)灌溉的用水量較大，而傳統(tǒng)的施灌系統(tǒng)對施灌過程中的用水量缺乏有效管理，增大了施灌過程的耗水量。為有效解決該問題，本研究基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC控制技術(shù)設計了一種新的智能節(jié)水施灌系統(tǒng)。該系統(tǒng)從節(jié)水的角度，對農(nóng)作物施灌問題展開研究，以土壤的實際含水量和生長作物的實際需求為基礎，利用物聯(lián)網(wǎng)和PLC實現(xiàn)了節(jié)水施灌。

測試結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠有效實現(xiàn)節(jié)水施灌。希望本文的研究可以為灌區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供有價值的參考。在接下來的研究中，將從提高控制指令傳輸耗時的角度進一步對系統(tǒng)展開優(yōu)化。