基于物聯網和PLC 的農田智能節水灌溉系統設計

周艷梅

（菏澤市東明縣水務局，山東 菏澤 274500）

0 引言

農業領域一直是我國用水大戶，其耗水量占全國總耗水量80%以上。我國農業灌溉用水利用率一直低于50%，在發達國家，農業灌溉用水利用率已達到70%～80%，提升灌溉用水的利用率是一個重要問題。此外，提高灌溉用水的利用率可以有效緩解水資源緊缺，是節約用水的重要環節。

影響提升農業灌溉用水利用率的主要問題集中在我國的農田類型眾多，分布范圍廣泛，作物的用水量也不同，傳統的灌溉方式造成水資源浪費。劉紅霞[1]提出基于農業物聯網農田環境的監測系統，可以實現對農田的實時監測，以此為依據制定灌溉計劃，進而提升水利用率，但此方式耗費人工，監測成本巨大。胡長增等[2]提出了基于物聯網技術與模糊PID 技術結合的智能化灌溉系統，配備無線傳感器，利用手機APP 來實時監測土壤數據和環境信息，針對不同的情況選擇不同的灌溉方案，以此實現水資源的節約，但此方式只能針對一種作物，若改變農作物種類，需要添加新的灌溉方案，流程煩瑣。

以可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）為代表的物聯網技術和自動化控制技術取得了飛速的進步，使農業自動化生產可以順利實施。綜上所述，為解決以上問題，本文提出基于物聯網和PLC 的農田智能節水灌溉系統設計方案。

1 硬件設計

基于物聯網和PLC 的農田智能節水施灌系統硬件由中央處理器、PLC 模塊、射頻信號傳感器、土壤傳感器、溫度傳感器組成?；谖锫摼W和PLC 的農田智能節水施灌系統硬件結構如圖1 所示。

圖1 系統硬件結構Fig.1 Structure of system hardware

系統硬件中，PLC 模塊負責控制節水灌溉，采用物聯網進行數據傳輸。中央處理器的芯片電路全部選用了STC89C52RC 型單片機，將PLC 模塊設計為智能節水灌溉系統的控制中心[3-5]。中央處理器和PLC 模塊都是智能節水施灌系統的控制核心單元，能夠有效地提高系統運行效率，降低功耗[6]。

1.1 PLC 模塊

PLC 控制模塊為具有通信功能的RS-8328PLC 模塊，輸入電流10 mA，輸出電流20 mA。采集完成后，由中央處理器將數據傳輸至PLC 模塊，而PLC 模塊在接收數據后就會產生控制指令，完成對農作物的自動灌溉。

1.2 射頻信號傳感器

采用CC2591 型射頻信號傳感器，其示意圖與電路圖分別如圖2、圖3 所示。

圖2 射頻信號傳感器示意Fig.2 Schematic diagram of RF signal sensor

圖3 射頻信號傳感器電路Fig.3 RF signal sensor circuit

相比于傳統傳感器，該傳感器的輸出功率與靈敏度上有極大提升，更適合在大面積的農田進行模塊信號的傳輸。單片機中央處理器系統通過射頻信號傳感器與物聯網結合，實現對農作物溫度、濕度及水量的精準識別[7-9]。后臺工作人員也可借助此系統進行控制。

1.3 土壤傳感器

選擇HL-TTN1 型土壤傳感器檢測土壤的含水量，該裝置具有高抗腐蝕性、體積小、壽命長的特點，通過監測土壤中的介電常數來判斷土壤中的實際含水量。土壤含水量是智能節水的重要指標，高精度的土壤傳感器可以更精準地測量土壤含水量，為中央處理器與PLC 模塊提供精確度更高的數據信息[10-12]。

1.4 溫度傳感器

選用PT100 型溫度傳感器，其耐腐蝕，適合長時間使用；具有兩個主線接口，可以實現數據信息的發送與接收；溫度的測量范圍在-50～60 °C。

2 軟件設計

利用物聯網把需要灌溉的土地網格化，然后根據傳感器測試土壤含水量、空氣溫度等環境參數，設置節水灌溉程序[13-14]。

2.1 GPRS 物聯網格坐標定位

通過GPRS 物聯網進行網格坐標定位，利用PLC控制器為軟件提供強大的支撐平臺，擴充系統內存，通過自主支持產權監理TCP/IP 協議，GPRS 物聯網格坐標定位流程如圖4 所示。

圖4 GPRS 物聯網格坐標定位流程Fig.4 GPRS internet of things grid coordinate positioning flow

在智能節水灌溉系統中，子程序圍繞主程序運行。通過GPRS 與Zigbee 結合進行無線傳輸，展示GPRS物聯網格坐標定位結果。通過各類傳感器收集土壤及環境信息，根據數值來判斷土壤和農作物需求，進而制定灌溉方案。

采用GPRS 與Zigbee 軟件系統結合的模式，通過物聯網保證灌溉數據的穩定傳輸。GPRS 利用GSM 中未被使用的信號通道，提供快速數據傳輸。GPRS 通過GSM 網鏈接中央控制器，分析數據關系，運行主程序。

通過GPRS 進行無線通信數據采集，這種方式非常適用于農田間的信息傳輸，與RTU 控制單元混合使用，實現水泵與閥門的遠程精準控制，并可采集濕度、溫度、蓄水池水位、電壓電流等數據，同時確保GPRS 物聯網格坐標定位的精準性。

2.2 基于Zigbee 協同開關的節水灌溉程序

物聯網研發環境平臺為IAR 平臺，通過PC 上位機的農田智能節水灌溉系統管理軟件設置Zigbee 協同開關。中央處理器芯片的研發環境為KeliviV3，將收集到的信號以脈沖形式傳給中央處理器，中央處理器將信號轉化后再傳遞給PLC 模塊。以田間的土地水分數據信息為例說明程序運行過程，設x是轉化后的數據。

工作人員可以通過上位機發出控制指令，保證系統平穩運行。

利用GPRS 網絡對信息進行數據分析，通過基站進行數據分組和信息交換，將控制器和PC 機連接到一起，采集各項信息，完成數據傳輸，進行系統決策，實現節水灌溉[15]。

3 試驗研究

為驗證基于物聯網和PLC 的農田智能節水灌溉系統的實際應用效果，進行了性能測試。選用2 000 m×2 000 m 的農田作為研究對象，研究周期設定為12 個月，分別檢測土壤含水量計算和遠程網格節水控制準確度，如圖5 所示。

圖5 試驗示意Fig.5 Schematic diagram of experiment

3.1 土壤含水量

在不影響農作物正常生長的前提下進行試驗，試驗條件：2 個終端節點和1 個協調器節點，不同節點之間距離為30 m；將溫度傳感器安裝在農作物土壤表皮下，試驗檢測時間為30 min；土壤含水量的標準值設定為40%。兩個不同節點土壤含水量的變化值如表1 所示。

表1 土壤含水量測試結果Tab.1 Test results of soil moisture

當系統運行30 min 后，節點1 的含水量為38.7%，節點2 的含水量為39.6%，與設定的標準值40%相對比，節點的計算誤差在2%以內，能夠很好地達到目標值。由此可見，設計的智能節水灌溉系統能夠很好地利用物聯網和PLC 對土壤濕度進行調節，從而有效減少灌溉過程的水分浪費，確保農作物在生長過程中得到所需用水。

3.2 遠程網格節水控制準確度

分析系統在運行過程中的遠程網格節水控制準確度，進而判定系統應用效果。

設定樣本點有15 個，理論值和誤差值之間的差異如表2 所示。

表2 遠程網格節水控制準確度試驗結果Tab.2 Experimental results of remote grid water-saving control accuracy

由表2 可知，通過對15 個不同的樣本點檢測進行分析后，可以確定所有誤差值＜2%，不同灌溉量，誤差值依舊很低?？梢?，設計的農田智能節水灌溉系統控制準確度能夠達到98%以上，具有較好的控制準確性。

3.3 網格定位精準度

選用本文設計的智能節水灌溉系統與傳統的基于物聯網的農田環境監測系統、基于物聯網的溫室智能化灌溉系統進行對比，分析3 種系統的網格定位精準度，試驗結果如圖6 所示。

圖6 網格定位精準度Fig.6 Grid positioning accuracy

與傳統的基于物聯網的農田環境監測系統、基于物聯網的溫室智能化灌溉系統相比，本文設計的農田智能節水灌溉系統網格擬合程度更好，能夠精準地實現網格定位，具有更強的灌溉能力。

本文設計的系統能夠很好地融合物聯網和PLC 技術，通過農田定點采集、農田信息分析、數據傳輸等功能完成遠程控制?？刂葡到y能夠很好地降低通信能耗，節省工作過程消耗的能源，將土壤因子結合起來，分析環境參數，按需供水實現控制，在解決環境復雜因素后，進行信息控制，從而提高數據傳輸的可靠性，系統內部的抗干擾技術能夠很好地保證系統順利傳輸信號，提高控制精準度。與傳統的灌溉系統相比，本文設計的灌溉系統技術更加先進、灌溉能力更強，能夠很好地保證農作物在生長過程中得到足夠的營養，對于農作物生產有很大的幫助。

4 結束語

基于物聯網和PLC 的農田智能節水灌溉系統解決了傳統灌溉方式煩瑣、速度慢、系統反應不及時等問題。

（1）硬件部分由含有STC89C52RC 型單片機芯片的中央處理器、RS-8328 型PLC 模塊、CC2591 型射頻信號傳感器、HL-TTN1 土壤針傳感器、PT100 型溫度傳感器組成，能夠有效提升硬件運行速度，流暢完成系統任務。

（2）軟件部分由GPRS 與Zigbee 通信技術結合的方式完成數據的傳輸與監測，通過結合物聯網開發IAR 平臺來構成操作系統，通過系統仿真與測試完成數據計算與判斷。設計PC 上位機構成農田智能節水灌溉系統管理軟件。

相比于傳統方式，農田智能節水灌溉系統運行速度更快，運行效率更高，水的利用率更高，有效解決了傳統灌溉方式的不足。