智能農田灌溉系統的設計

蔣 珂 ， 耿 淬

（常州劉國鈞高等職業技術學校，江蘇 常州 213025）

我國是一個農業大國，凡是農作物都需要灌溉，農業上的耗水量巨大，在一些雨水較少的地區，1畝水稻一年大約要澆灌2 000 m3以上的水，而1畝小麥需要1 200 m3的水。農作物澆水方法包括傳統的土面澆水和現代新型澆灌方法。傳統農業生產高度依賴于人工操作，往往具有人工成本高、生產數據采集滯后、生產效率低、依賴農民經驗操作、缺乏科學化數據支撐、生產險情發現延誤等缺點[1]。從原始的人畜耕作到機械耕種是農業發展的一大進步；而物聯網、農業大數據、邊緣計算等新技術的出現，則是助推現代農業實現本質化改變和飛躍式發展的重要動力[2]。為了讓我國的水資源能更好地被利用起來，大大緩解國家缺水地區的缺水現狀，將傳統農業灌溉體系更新為現代化的智能節水灌溉體系，實現技術上的轉型與升級已是當務之急。

1 課題背景及意義

1.1 國內外研究現狀

國外的灌溉系統技術和實踐經驗都比較豐富，智能節水灌溉系統在歐美等發達國家被廣泛實施[3]。

首先是美國。美國幅員遼闊，地廣人稀，他們通過嚴格的水資源管理及長期的節水農業，使其農業十分發達，尤其在節水農業方面。1）政府投入大量資金發展節水農業。美國政府為解決中西部干旱問題，長期采取優惠政策，優先安排節水灌溉工程[4]。對該體系中的基礎設施實行政府全額投資政策，逐年投建供水和輸水設施。2）根據各地區的實際情況更改政策，建立完備的節水灌溉體系。3）大力推廣多種節水灌溉的方式和方法。

其次是以色列，在節水灌溉方面非常有經驗。以色列是一個耕地少，嚴重缺水的沙漠國家，其國土面積的60%是沙漠。每年11月至次年3月為雨季，其余7個月為連續干旱季節。但是以色列在如此惡劣的自然條件下依靠節水技術，取得了驚人的農業成就。1）大力推廣節水灌溉，確保每個地區的節水灌溉體系完整。2）他們對于節水技術還在不停地創新和改進。大多數國家的農業用水效率都不高，但以色列的農業用水率高達90%，這是一個令人驚嘆的數字[5]。在灌溉體系中，以色列的滴灌技術占大多數，以色列在滴灌技術領域的成就走在了世界前列。

結合我國國情，參考這兩國的經驗，我國的灌溉模式應主要采用美國模式。首先我國地廣，水資源相較于以色列還比較豐富，如果照搬以色列的灌溉模式，成本太高。其次就是我國滴灌技術還不是太成熟，還有很多問題需要解決，因此我國目前還是采用以噴灌為主、其他灌溉方式并存的方法。

1.2 課題研究的內容及意義

本課題的主要研究對象是將世界先進的噴灌技術結合PLC技術，實現對農田的自動灌溉及檢測。其主要內容如下：首先，在農田中安裝多種傳感器，合理選用濕度傳感器、溫度傳感器及光敏傳感器，將這三種傳感器結合起來使用，設置某一臨界點為開關信號，傳輸至PLC控制系統中，然后通過內部信息處理控制噴灌系統的開關及變頻器，利用變頻器輸出信號控制噴灌系統中水泵的開關及運行速度，使其能夠隨時間、溫度、濕度的變化對農田進行精準灌溉。根據某些植物的特性還可以編寫一套特定的時間程序，對農田作物進行周期性灌溉，使灌溉更具準確性和周期性。其次，設置故障報警系統，當噴灌系統出現問題時，能夠自動報警并且停止系統運行[6]。通過對該系統的研究，可以更好地利用水資源，提升農業用水利用率。

本系統的主要優點：1）節水效果好。噴灌是優先將水噴至空中，而后比較均勻地落入土地中的方式，水量較小，不會形成地表徑流，也不會產生深層滲漏，提高了水資源的利用率[7]。2）灌水均勻。由于噴灑較均勻，灌溉也相對均勻，同時也可調節土壤周邊氣候，增加地面濕度。3）采用噴灌技術就可以摒棄原始的田間灌溉渠道，而且噴灌系統的輸水管道占地面積小，可以提高土地的利用率。4）節省勞動力。由于噴灌系統不需要修建灌溉渠道所以節省了勞動力，且該系統所設計的智能灌溉系統就無需人工，只需有一個監測控制人員就可以控制及監測大片土地，可以說是大大解放了勞動力[8]。由于噴灌一次性投入成本較高，其主要用于水資源緊缺的區域。

2 總體方案的設計

農作物灌溉的前提條件離不開光照、溫度和濕度，通過三者判斷農作物是否需要灌溉[9]。本方案總體設計思路是：通過三菱FX-3U系列PLC輔以各種傳感器，如圖1所示，其中光敏傳感器用來測試作物的光照程度，溫度傳感器用來檢測作物的溫度，濕度傳感器用來檢測作物周圍的空氣濕度。然后通過PLC控制變頻器，再由變頻器控制水泵的啟動和停止，從而達到對農作物進行噴灌的目的。

圖1 智能農田噴灌系統框圖

3 主要單元模塊設計

3.1 噴灌管道

對于噴灌管道的設計，是在單水泵的噴灌設計上，另外多加一個水泵。該噴灌管道設計有兩個水泵，其作用就是對噴灌頭進行水平加壓，使噴灌的半徑增大，通過變頻器對兩個水泵進行調速控制。當陽光充足，天氣溫和時，可以只開一個水泵，將水噴灑的距離減小，以降低噴灌量。當天氣干燥時，則需要加大噴灌量，同時打開兩個水泵，對噴灌裝置進行加壓，灌溉量也明顯增大。

3.2 電路模塊

電路設計中，將多個傳感器分布至農作物田地中，引出對應的導線連接A/D模塊。然后將A/D模塊引出端接入可編程控制器的輸入端X點，再從PLC的Y點輸出信號，Y0端接變頻器的STF端，Y1端接變頻器的STR端，COM端接變頻器SD端。同時Y4端接變頻器的RH端，Y5端接變頻器的RM端，Y6端接變頻器的RL端，此時變頻器的U、V、W連接電機的三個端口。該電路主要是將外部信號——光照、溫度、濕度等模擬量轉換為數字量輸入至可編程控制器。經過內部程序的控制，由PLC控制變頻器對電機進行高、中、低三檔調速以及實現正反轉的控制。在該電路設計中，大約需要使用到30個噴灌噴頭，將它們分為三組，每組10個，分別使用Y10、Y11、Y12進行連接。編寫程序控制Y10、Y11、Y12的輸出信號使噴灌噴頭的電磁閥動作，最終達到噴灑的目的。每個噴灌噴頭旁邊還會加裝一個壓力表，當水壓達到一定要求且控制信號送達時，電磁閥動作，噴灌噴頭進行噴灌。該電路分為兩種模式，一種是自動灌溉模式，另一種是手動灌溉模式。當需要進行手動灌溉時，按動按鈕，自動切換至手動灌溉模式，自動灌溉模式關閉。

3.3 感應模塊

感應模塊主要由溫度傳感器、濕度傳感器和光敏電阻組成，再配備A/D轉化模塊。將感應到的溫度、濕度和光照的模擬量，通過轉換模塊轉換為數字量輸入至可編程控制器中[10]。在控制器中設定三種范圍，一種是在一定范圍內，一種是達到既定范圍，還有一種是超出既定范圍。在該電路模塊中，使用的溫度傳感器型號是PT100，使用的濕度傳感器型號是

HTF3226LF。

3.4 控制模塊

控制模塊主要由可編程控制器控制變頻器，對水泵進行控制，以及PLC對噴灌噴頭電磁閥的控制所組成的。變頻器水泵控制的速度有三種，分別是高速、中速、低速，水泵的三種速度分別對應對噴灌口的加壓。當水閥后面的壓力表壓力數值達到后且控制信號輸入后打開電磁閥對農作物進行噴灌。在該

模塊中可以使用三菱FX-3U系列PLC，同時采用三菱系列的變頻器。

3.5 報警模塊

報警模塊就是當電路或水路管道中出現問題時，及時停止PLC的運行，將水泵停止，關閉電磁閥，等待維修人員進行維修。報警模塊會使用一個紅色的報警燈和一個警示器，當報警模塊運行時，紅色警示燈閃爍，報警器報警。系統出現灌溉裝置損壞的情況時，能實現自動暫停供電，自動警告和初步提示故障原因等功能。

4 系統軟件設計

4.1 PLC輸入/輸出分配表

PLC輸入/輸出端按系統要求進行分配，如表1所示。

表1 I/O分配表

4.2 系統總體程序設計

該系統設計分為兩個部分，一個是自動模式，一個是手動模式。系統程序流程如圖2所示，啟動自動模式時，先開始光照檢測、濕度檢測和溫度檢測，同時獲得三個數據進行對比，如果達到光照警戒線，濕度小于30% RH或溫度高于20 ℃時，水泵打開，打開電磁閥。然后繼續檢測，若數據未達到要求，則關閉水泵，關閉電磁閥。當處于手動模式時自動模式自動關閉，按下啟動按鈕，水泵自動打開，電磁閥自動打開。按下停止按鈕，水泵關閉，電磁閥關閉。

圖2 程序流程圖

4.3 系統程序調試

該系統啟動前有一個選擇按鈕，當按下X13時，則系統進入自動程序。按下啟動按鈕X0，當三個傳感器感應數據時，該傳感器閉合。當溫度傳感器、濕度傳感器、光敏電阻，其中任意一個閉合時，則水泵1啟動。當噴頭壓力足夠時，噴頭開始啟動，噴灑1小時后停止，繼續檢測。如若仍然沒有改變，則重復上述運行步驟。如若噴頭水壓不夠，則啟動水泵2，通過兩個水泵的運行，給噴頭加壓，當噴頭壓力達到噴灑要求時，則電磁閥打開。

當按下X15時，系統從自動模式更改為手動模式，該系統將噴頭分為三組，每組負責一塊田地的噴灌。通過操作人員的控制可以控制三組的灌溉時間，當操作人員覺得田地需要灌溉時，就可以按下啟動按鈕，水泵啟動，壓力表檢測壓力，當壓力足夠，則噴頭啟動。當田地無需灌溉時，操作人員就可以按下停止按鈕。

最后就是報警模塊的調試。當系統出現故障時，按下急停按鈕，所有程序停止運行。報警指示燈亮，報警蜂鳴器響，等待維修人員維修后進行重啟。

5 結束語

智能農田灌溉系統既可以提高灌溉管理水平，改變人為操作的隨意性，同時還可以減少灌溉用工，降低管理成本，利用變頻技術顯著提高效益。因此，推廣實施智能農田灌溉系統，改變目前普遍存在的粗放灌水方式，提高灌溉水利用率，是有效解決灌溉節水問題的必要措施之一。