區(qū)域農(nóng)田墑情監(jiān)測和抗旱系統(tǒng)設(shè)計

龐黨鋒+盧勝利+楊偉龍

摘要：為了提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)灌溉自動化程度和節(jié)約水資源，結(jié)合干旱半干旱地區(qū)土壤的特點(diǎn)，設(shè)計了基于PLC和GPRS的農(nóng)田墑情監(jiān)測和抗旱系統(tǒng)。系統(tǒng)由上位機(jī)WinCC組態(tài)軟件通過GPRS無線網(wǎng)絡(luò)和PLC通信，對土壤墑情和灌溉水泵進(jìn)行遠(yuǎn)端監(jiān)控，組成了區(qū)域農(nóng)田墑情的監(jiān)測和抗旱SCADA系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，通信速度快、運(yùn)行穩(wěn)定，具有一定實(shí)用性和推廣價值。

關(guān)鍵詞：農(nóng)田墑情;GPRS;抗旱;SCADA

中圖分類號：S162.4 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2014）12-2918-05

Design of Soil Moisture Monitoring and Drought System of Farmland

PANG Dang-feng1a，LU Sheng-li1b，2，YANG Wei-long3

（1a.Engineering Training Center; 1b.School of Mechatronics Engineering， Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China;2.Tianjin Engineering Center for Field Bus Control Technology，Tianjin 300222，China;

3.School of Engineering ，China Agricultural University， Beijing 100083，China）

Abstract： In order to improve the automation of agricultural irrigation and save water resources， combining with the characteristics of soil in arid and semi-arid areas， this paper designed a soil moisture monitoring and farmland drought system based on PLC and GPRS technology. The system can achieve remote monitoring of the soil moisture and irrigation pumps by WinCC configuration software with the help of GPRS wireless network and PLC communication， and can form a farmland soil moisture monitoring and drought-resistant SCADA system in an area. The system has a simple structure， fast communication， runs stably， has certain practicability and commercial worth.

Key words： farmland soil moisture content; GPRS; combat drought; SCADA

干旱半干旱地區(qū)是中國旱作農(nóng)業(yè)的主產(chǎn)區(qū)，地理位置為經(jīng)度73°E-123°E，緯度32°N-50°N，包括內(nèi)蒙古自治區(qū)、新疆維吾爾自治區(qū)、寧夏回族自治區(qū)和甘肅省北部等，年降水量不到300 mm，年蒸發(fā)量超過年降水量約1 000 mm以上。干旱半干旱區(qū)域是旱作農(nóng)產(chǎn)品小麥、玉米、高粱的主產(chǎn)區(qū)，為中國糧食安全提供了有力的保障，但水資源缺失已成為制約該區(qū)域農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要因素。

基于可編程邏輯控制器PLC和通用分組無線服務(wù)技術(shù)GPRS設(shè)計了農(nóng)田墑情監(jiān)測和抗旱系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對區(qū)域農(nóng)田墑情數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)端實(shí)時監(jiān)測和分析，為水資源管理、節(jié)水灌溉提供了準(zhǔn)確信息;同時遠(yuǎn)端控制器PLC可以快速響應(yīng)監(jiān)控中心PC發(fā)出的執(zhí)行命令，調(diào)節(jié)水泵進(jìn)行灌溉，對水資源的節(jié)約和主動抗旱都具有重要意義。

1 ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計

1.1 ?系統(tǒng)控制特征和要求

區(qū)域農(nóng)田墑情監(jiān)測系統(tǒng)通過中央控制計算機(jī)和GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了中央控制PC端與遠(yuǎn)端土壤墑情采集器和抗旱執(zhí)行器的通訊。整個監(jiān)控系統(tǒng)由中央數(shù)據(jù)管理中心和監(jiān)測終端兩大部分組成。該系統(tǒng)的最大特點(diǎn)就是遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)采集和控制設(shè)備數(shù)量多而且分布比較廣泛，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比較繁多，對數(shù)據(jù)通信的安全性和可靠性要求較高。監(jiān)測系統(tǒng)需要將土壤墑情數(shù)據(jù)一并采集，然后通過無線GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送給中央控制計算機(jī)，中央控制統(tǒng)一管理遠(yuǎn)端PLC，調(diào)控水泵運(yùn)行。整個監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)清晰、信息交互流暢，數(shù)據(jù)管理方便，系統(tǒng)硬件穩(wěn)定性和可靠性高，可長時間無故障運(yùn)行。

1.2 ?系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

根據(jù)農(nóng)田墑情的監(jiān)測要求和儀器設(shè)備物理分布情況，系統(tǒng)主要由中央控制站和遠(yuǎn)端監(jiān)控站組成。系統(tǒng)以上位機(jī)PC和可編程控制器PLC為核心，綜合GPRS通用無線分布網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，遠(yuǎn)端監(jiān)測設(shè)備將檢測到土壤墑情信息傳送給各站點(diǎn)控制器PLC，再通過GPRS/GSM調(diào)制解調(diào)器SINAUT MD720-3發(fā)送到通用無線GPRS網(wǎng)絡(luò)上[1]。墑情信號經(jīng)過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到以太網(wǎng)Internet上，以太網(wǎng)Internet通過防火墻的設(shè)備連接到中央控制指揮中心的工業(yè)以太局域網(wǎng)，這時監(jiān)控中心站的PC機(jī)端通過SINAUT MICRO SC和WinCC管理軟件就可以監(jiān)測到遠(yuǎn)端的實(shí)時數(shù)據(jù)，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的墑情正常參數(shù)閾值自動啟動遠(yuǎn)端水泵進(jìn)行灌溉。系統(tǒng)集合了數(shù)據(jù)自動采集、遠(yuǎn)端控制、無線網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)存儲與集中處理等先進(jìn)技術(shù)，為農(nóng)田墑情的監(jiān)測和主動抗旱控制提供了一個自動化、可視化的技術(shù)支持，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。endprint

1.3 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)遠(yuǎn)端控制器是西門子S7-200 PLC，型號為CPU226CN，控制器PLC 有2個RS485通信接口，2個接口都具有自由方式通信、MPI通信和PPI通信協(xié)議的能力。在系統(tǒng)設(shè)計中PLC PORT0端口連接遠(yuǎn)端傳感器和抗旱執(zhí)行器，PORT1連接GPRS通信模塊SINAUT MD720-3。調(diào)制解調(diào)器MD720-3與S7-200PLC采用RS485總線進(jìn)行通信，配置專用的天線組成。SINAUT MD720-3里插入已經(jīng)開通GPRS服務(wù)功能的SIM卡，且必須知道SIM卡的PIN碼，連接PLC與調(diào)制解調(diào)器的PC/PPI通訊電纜的撥碼開關(guān)設(shè)置為11100110，即撥碼開關(guān)1、2、3、6、7撥到ON位置，4、5、8撥到OFF位置，調(diào)制解調(diào)器MD720-3工作模式選擇OPC模式，通過配置S7-200PLC的程序模塊，完成OPC服務(wù)器SINAUT MICRO SC與S7-200PLC之間自動連接[2，3]。

2 ?通信網(wǎng)絡(luò)和軟件設(shè)計

區(qū)域農(nóng)田墑情監(jiān)測和抗旱SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送的路徑為土壤濕度傳感器將采集的數(shù)據(jù)傳送給S7-200PLC處理，通過調(diào)制解調(diào)器SINAUT MD720-3發(fā)送給GPRS網(wǎng)絡(luò)，GPRS DTU的配置只需預(yù)先完成設(shè)定監(jiān)控中心的IP地址或域名、通信端口等必要參數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)上電后調(diào)制解調(diào)器就能自動連接GPRS網(wǎng)絡(luò)，建立數(shù)據(jù)通信鏈路。接收數(shù)據(jù)的上位機(jī)PC需要安裝SIMATIC STEP 7 Micro/WIN SP7編程軟件、WinCC7.0組態(tài)軟件和SINAUT MICRO SC。連接PC到Internet，本系統(tǒng)通過ADSL撥號上網(wǎng)獲得一個公網(wǎng)的固定IP地址，撥號成功后會在電腦右下角添加一個網(wǎng)絡(luò)連接圖標(biāo)，雙擊此圖標(biāo)可以看到連接到公網(wǎng)的固定IP信息，這個IP地址需要在S7-200PLC編程時使用，作為工程系統(tǒng)來用，一般申請為固定IP地址，這樣PLC下載程序的地址就不需重復(fù)設(shè)定[4，5]。轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，并且將數(shù)據(jù)采集點(diǎn)反饋回的數(shù)據(jù)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)上，然后再通過公用Internet傳送給中央監(jiān)控中心，監(jiān)控中心根據(jù)預(yù)設(shè)的時間間隔向GPRS DTU發(fā)送數(shù)據(jù)讀取命令和實(shí)時發(fā)送控制命令。

2.1 ?通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置

系統(tǒng)監(jiān)控中心的終端控制器S7-200PLC的編程采用結(jié)構(gòu)化編程的思想，各功能模塊程序劃分為獨(dú)立的子程序，結(jié)構(gòu)化編程和子程序的應(yīng)用使整個系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)清晰，程序可讀性與可移植性增強(qiáng)，也為系統(tǒng)的升級提供方便。系統(tǒng)程序主要分為數(shù)據(jù)采集、濾波處理、數(shù)據(jù)分析、通信、控制命令等程序模塊。

2.2 ?軟件程序設(shè)計

編寫S7-200PLC程序時，需要在SIMATIC STEP 7 Micro/WIN SP7編程軟件中添加文件名為“sinautmicrosc.mwl”的GPRS通信庫程序。庫存儲區(qū)所用的地址為VB0-VB656，在程序編寫時應(yīng)避開此存儲區(qū)間，應(yīng)用GPRS的通訊，WDC_INIT、WDC_SEND、WDC_RECEIVE、WDC_CONTROL這4個功能塊必須在主程序中調(diào)用，且使能條件為每個掃描周期都調(diào)用，使用SM0.0指令調(diào)用塊函數(shù)[6，7]。編寫完程序并下載到PLC后重啟PLC，此時控制器西門子S7-200PLC的程序會對MD720-3的Modem進(jìn)行初始化，驗(yàn)證傳送到Modem上的SIM卡參數(shù)，最后完成Modem與GSM網(wǎng)絡(luò)的連接，終端主程序流程如圖2。

2.3 ?采集數(shù)據(jù)處理原則

理論上隨機(jī)干擾而引起的測量誤差應(yīng)遵循正態(tài)分布的規(guī)律，絕大部分的采樣值應(yīng)分布在正態(tài)曲線最高點(diǎn)的兩側(cè)，即數(shù)學(xué)期望值μ的兩側(cè)，σ為正態(tài)分布的標(biāo)準(zhǔn)差。系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集根據(jù)“3σ準(zhǔn)側(cè)”，落在（μ-3σ，μ+3σ）區(qū)間的數(shù)據(jù)概率約為0.997 4，處在該區(qū)間之外的數(shù)據(jù)可以認(rèn)為是異常干擾值，應(yīng)舍去。再求余下數(shù)據(jù)的均值，結(jié)果將更接近于真實(shí)值。

消峰均值濾波法基于“3σ準(zhǔn)則”而衍生，將落在（μ-3σ，μ+3σ）區(qū)間之外的數(shù)值作為異常值予以舍去，余下的采樣值進(jìn)行算術(shù)平均運(yùn)算，其結(jié)果就作為此次采樣的濾波值。單個傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)定的采樣時間間隔依據(jù)采樣精度而確定，為了提高數(shù)據(jù)的及時更新速度，本系統(tǒng)采樣刷新的時間間隔為10 min，每采樣一次，都要取n個采樣值（1個當(dāng)前值，n-1個歷史值）來計算濾波值，每采樣一次，采樣值就向前平移一次，為下次求濾波值準(zhǔn)備。根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計原理，若設(shè)采樣值為R，則采樣值的數(shù)學(xué)期望μ和均方差σ利用公式（1）、公式（2）、公式（3）進(jìn)行計算。

μ=■（R1+R2+…+Rn）=■■Ri ? ? ? ? ?（1）

σ2 =■[（R1-μ）2]+（R2-μ）2+…+（Rn-μ）2 ? （2）

由公式（1）、（2）得到公式（3），即為農(nóng)田墑情監(jiān)測和抗旱系統(tǒng)的采樣區(qū)間。

（μ-3σ，μ+3σ）=

（■■Ri-3■，■■Ri+

3■） ? ? （3）

2.4 ?土壤濕度數(shù)據(jù)的采集

準(zhǔn)確地對監(jiān)測區(qū)域農(nóng)田土壤濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理是農(nóng)田墑情監(jiān)測和抗旱系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，對干旱預(yù)測和抗旱反應(yīng)都具有重要意義。由于土壤的水分含量具有十分明顯的空間和時間的變異性，且模擬數(shù)據(jù)采集過程中，會因?yàn)樗矔r波動而產(chǎn)生較大干擾，若某一瞬時受到強(qiáng)烈的干擾，就會出現(xiàn)一個尖峰異常信號，如果僅用瞬時采樣值進(jìn)行控制計算，其結(jié)果會使采集到的數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大偏差，這樣的數(shù)據(jù)采集不科學(xué)。為了得到精確的土壤濕度參數(shù)，該系統(tǒng)采用了區(qū)域多節(jié)點(diǎn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)的處理過程中采用消峰均值濾波法，兼顧了同一傳感器不同時刻數(shù)據(jù)的變異和同一區(qū)域不同傳感器數(shù)據(jù)的差異。該系統(tǒng)在每10 000 m2采用10個無線網(wǎng)絡(luò)化傳感器節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)每隔10 min刷新1次。圖3為傳感器S5某一時間段的數(shù)據(jù)曲線，圖4為某時刻傳感器S1～S10的數(shù)據(jù)。endprint

圖3是隨機(jī)選取傳感器節(jié)點(diǎn)S5進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控而得到的數(shù)據(jù)，縱坐標(biāo)為土壤濕度R，橫坐標(biāo)為時間tn，且tn-tn-1=10 min， 在連續(xù)100 min中采集到的數(shù)據(jù)如表1所示，根據(jù)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)則，容易的得出t4和t8時刻傳感器S5采集的數(shù)據(jù)R4=0.621和R8=0.375數(shù)據(jù)為異常值，可編程控制器PLC在數(shù)據(jù)處理過程中應(yīng)將其作為干擾值舍去。

表2是同一時刻對10個傳感器節(jié)點(diǎn)同時進(jìn)行采集，獲取得到的數(shù)據(jù)，同樣根據(jù)3σ數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)則，傳感器節(jié)點(diǎn)S5和S9采集到的數(shù)據(jù)R5=0.322和R9=0.712亦為異常數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理過程中應(yīng)當(dāng)將這兩個傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為干擾值濾掉。

3 ?上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 ?上位機(jī)組態(tài)設(shè)置

本系統(tǒng)中上位機(jī)使用西門子公司開發(fā)的SIMATIC WinCC組態(tài)軟件，該軟件由強(qiáng)大的工程瀏覽器、管理器和運(yùn)行系統(tǒng)組成，是一種應(yīng)用廣泛的工業(yè)監(jiān)控軟件。上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)通過串口技術(shù)實(shí)現(xiàn)了組態(tài)軟件與GPRS數(shù)據(jù)之間的網(wǎng)絡(luò)通信，通用無線分組GPRS技術(shù)具有較強(qiáng)的覆蓋領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)組態(tài)軟件與GPRS DTU產(chǎn)品在區(qū)域農(nóng)田墑情監(jiān)測和抗旱SCADA系統(tǒng)提供保障，實(shí)現(xiàn)了集散化的遠(yuǎn)程控制。

通過在SIMATIC WinCC組態(tài)軟件中添加OPC驅(qū)動程序，編輯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的OPC服務(wù)主機(jī)或者IP地址信息，包括了遠(yuǎn)程站名、地址類型、地址編號及長度信息等。在上位機(jī)安裝的SINAUT MICRO SC通信軟件進(jìn)入相應(yīng)OPC服務(wù)器項(xiàng)目下，實(shí)現(xiàn)組態(tài)軟件WinCC中的變量與PLC采集到的數(shù)據(jù)之間的連接[7-12]。

3.2 ?組態(tài)WinCC畫面設(shè)計

組態(tài)軟件是SIMATIC WinCC 7.0，SIMATIC WinCC是基于WINDOWS操作系統(tǒng)兼容以太網(wǎng)Internet的人機(jī)界面系統(tǒng)[13]，WinCC采用的是面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，提供多種畫面、具有豐富的元件庫和友好的交互界面，系統(tǒng)WinCC監(jiān)控畫面如圖5所示。

通信模塊通過OPC建立連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時收發(fā)，遠(yuǎn)程監(jiān)控終端將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過程序處理后經(jīng)過GPRS發(fā)送給系統(tǒng)控制中心并存儲入SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，數(shù)據(jù)庫功能實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的記錄、歸檔功能。在WinCC監(jiān)控畫面中可以顯示區(qū)域內(nèi)土壤墑情的數(shù)據(jù)曲線，以及水泵站點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)信息等[14，15]，圖5畫面中1#、3#和5#水泵為綠色，表示這些水泵處于灌溉運(yùn)行狀態(tài)，2#和4#水泵處于停止?fàn)顟B(tài)，同時也可在SIMATIC WinCC組態(tài)軟件上實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程終端的設(shè)備的手動模式操作控制，顯示操作日志和實(shí)現(xiàn)報表輸出等功能。

4 ?小結(jié)

設(shè)計了基于西門子S7-200 PLC和GPRS的農(nóng)田墑情監(jiān)測和抗旱系統(tǒng)，以SIMATIC WinCC組態(tài)軟件為上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，通過在中國楊凌農(nóng)業(yè)高新技術(shù)示范區(qū)10 000 m2的半干旱區(qū)域農(nóng)田試驗(yàn)應(yīng)用。結(jié)果表明，該系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了土壤墑情數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測，GPRS通訊可靠、運(yùn)行穩(wěn)定，同時實(shí)現(xiàn)了主動抗旱的快速響應(yīng)，節(jié)約水資源效果明顯，形成了在干旱半干旱區(qū)域農(nóng)田墑情監(jiān)測和抗旱的SCADA系統(tǒng)，該系統(tǒng)對農(nóng)田墑情數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測和主動抗旱具有較大的應(yīng)用價值和社會效益。

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[13] HOFFMANN W C， BAGLEY W E， FRITZ B K，et al. Effects of water hardness on spray droplet size under aerial application conditions[J].Applied Engineering in Agriculture， 2008，24（1）：11-14.endprint

圖3是隨機(jī)選取傳感器節(jié)點(diǎn)S5進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控而得到的數(shù)據(jù)，縱坐標(biāo)為土壤濕度R，橫坐標(biāo)為時間tn，且tn-tn-1=10 min， 在連續(xù)100 min中采集到的數(shù)據(jù)如表1所示，根據(jù)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)則，容易的得出t4和t8時刻傳感器S5采集的數(shù)據(jù)R4=0.621和R8=0.375數(shù)據(jù)為異常值，可編程控制器PLC在數(shù)據(jù)處理過程中應(yīng)將其作為干擾值舍去。

表2是同一時刻對10個傳感器節(jié)點(diǎn)同時進(jìn)行采集，獲取得到的數(shù)據(jù)，同樣根據(jù)3σ數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)則，傳感器節(jié)點(diǎn)S5和S9采集到的數(shù)據(jù)R5=0.322和R9=0.712亦為異常數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理過程中應(yīng)當(dāng)將這兩個傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為干擾值濾掉。

3 ?上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 ?上位機(jī)組態(tài)設(shè)置

本系統(tǒng)中上位機(jī)使用西門子公司開發(fā)的SIMATIC WinCC組態(tài)軟件，該軟件由強(qiáng)大的工程瀏覽器、管理器和運(yùn)行系統(tǒng)組成，是一種應(yīng)用廣泛的工業(yè)監(jiān)控軟件。上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)通過串口技術(shù)實(shí)現(xiàn)了組態(tài)軟件與GPRS數(shù)據(jù)之間的網(wǎng)絡(luò)通信，通用無線分組GPRS技術(shù)具有較強(qiáng)的覆蓋領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)組態(tài)軟件與GPRS DTU產(chǎn)品在區(qū)域農(nóng)田墑情監(jiān)測和抗旱SCADA系統(tǒng)提供保障，實(shí)現(xiàn)了集散化的遠(yuǎn)程控制。

通過在SIMATIC WinCC組態(tài)軟件中添加OPC驅(qū)動程序，編輯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的OPC服務(wù)主機(jī)或者IP地址信息，包括了遠(yuǎn)程站名、地址類型、地址編號及長度信息等。在上位機(jī)安裝的SINAUT MICRO SC通信軟件進(jìn)入相應(yīng)OPC服務(wù)器項(xiàng)目下，實(shí)現(xiàn)組態(tài)軟件WinCC中的變量與PLC采集到的數(shù)據(jù)之間的連接[7-12]。

3.2 ?組態(tài)WinCC畫面設(shè)計

組態(tài)軟件是SIMATIC WinCC 7.0，SIMATIC WinCC是基于WINDOWS操作系統(tǒng)兼容以太網(wǎng)Internet的人機(jī)界面系統(tǒng)[13]，WinCC采用的是面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，提供多種畫面、具有豐富的元件庫和友好的交互界面，系統(tǒng)WinCC監(jiān)控畫面如圖5所示。

通信模塊通過OPC建立連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時收發(fā)，遠(yuǎn)程監(jiān)控終端將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過程序處理后經(jīng)過GPRS發(fā)送給系統(tǒng)控制中心并存儲入SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，數(shù)據(jù)庫功能實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的記錄、歸檔功能。在WinCC監(jiān)控畫面中可以顯示區(qū)域內(nèi)土壤墑情的數(shù)據(jù)曲線，以及水泵站點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)信息等[14，15]，圖5畫面中1#、3#和5#水泵為綠色，表示這些水泵處于灌溉運(yùn)行狀態(tài)，2#和4#水泵處于停止?fàn)顟B(tài)，同時也可在SIMATIC WinCC組態(tài)軟件上實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程終端的設(shè)備的手動模式操作控制，顯示操作日志和實(shí)現(xiàn)報表輸出等功能。

4 ?小結(jié)

設(shè)計了基于西門子S7-200 PLC和GPRS的農(nóng)田墑情監(jiān)測和抗旱系統(tǒng)，以SIMATIC WinCC組態(tài)軟件為上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，通過在中國楊凌農(nóng)業(yè)高新技術(shù)示范區(qū)10 000 m2的半干旱區(qū)域農(nóng)田試驗(yàn)應(yīng)用。結(jié)果表明，該系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了土壤墑情數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測，GPRS通訊可靠、運(yùn)行穩(wěn)定，同時實(shí)現(xiàn)了主動抗旱的快速響應(yīng)，節(jié)約水資源效果明顯，形成了在干旱半干旱區(qū)域農(nóng)田墑情監(jiān)測和抗旱的SCADA系統(tǒng)，該系統(tǒng)對農(nóng)田墑情數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測和主動抗旱具有較大的應(yīng)用價值和社會效益。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姚舟華，魏新華，左志宇，等.自動灌溉施肥機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2012，43（12）：44-47.

[2] 高丙朋，南新元，魏 ?霞.GPRS技術(shù)在節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].中國農(nóng)村水利水電，2012（2）：26-29.

[3] 韓安太，何 ?勇，陳志強(qiáng)，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的茶園分布式灌溉控制系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2011，42（9）：173-180.

[4] 田 ?海，李雅妮，肖 ?鵬.基于PLC和GPRS技術(shù)的交通信號燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].電氣傳動，2012（12）：61-65.

[5] 龐黨鋒，王東濤，閆虎民，等.基于單片機(jī)與PLC的農(nóng)業(yè)大棚溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，52（1）：448-450.

[6] 王善斌.組態(tài)軟件應(yīng)用指南—組態(tài)王Kingview和西門子WinCC[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011.

[7] 崔 ?堅(jiān).西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[8] 李江全.西門子S7-200PLC數(shù)據(jù)通信及測控應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[9] 廖常初.S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

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[11] LECINA S， MARTUBEA-COB A ，PEREZ P J， et al. Fixed versus variable bulk canopy resistance for reference evapotranspiration estimation using the Penman-Monteith equation under semi-arid condition[J]. Agricultural and Water Management，2003，60（3）：181-198.

[12] SALKINTZIS A K， NIE H， MATHIOPOULOS P T. ADC and DSP challenges in the development of software radio base stallions[J].IEEE Personal Communication，1999（4）：47-55.

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圖3是隨機(jī)選取傳感器節(jié)點(diǎn)S5進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控而得到的數(shù)據(jù)，縱坐標(biāo)為土壤濕度R，橫坐標(biāo)為時間tn，且tn-tn-1=10 min， 在連續(xù)100 min中采集到的數(shù)據(jù)如表1所示，根據(jù)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)則，容易的得出t4和t8時刻傳感器S5采集的數(shù)據(jù)R4=0.621和R8=0.375數(shù)據(jù)為異常值，可編程控制器PLC在數(shù)據(jù)處理過程中應(yīng)將其作為干擾值舍去。

表2是同一時刻對10個傳感器節(jié)點(diǎn)同時進(jìn)行采集，獲取得到的數(shù)據(jù)，同樣根據(jù)3σ數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)則，傳感器節(jié)點(diǎn)S5和S9采集到的數(shù)據(jù)R5=0.322和R9=0.712亦為異常數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理過程中應(yīng)當(dāng)將這兩個傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為干擾值濾掉。

3 ?上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

3.1 ?上位機(jī)組態(tài)設(shè)置

本系統(tǒng)中上位機(jī)使用西門子公司開發(fā)的SIMATIC WinCC組態(tài)軟件，該軟件由強(qiáng)大的工程瀏覽器、管理器和運(yùn)行系統(tǒng)組成，是一種應(yīng)用廣泛的工業(yè)監(jiān)控軟件。上位機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)通過串口技術(shù)實(shí)現(xiàn)了組態(tài)軟件與GPRS數(shù)據(jù)之間的網(wǎng)絡(luò)通信，通用無線分組GPRS技術(shù)具有較強(qiáng)的覆蓋領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)組態(tài)軟件與GPRS DTU產(chǎn)品在區(qū)域農(nóng)田墑情監(jiān)測和抗旱SCADA系統(tǒng)提供保障，實(shí)現(xiàn)了集散化的遠(yuǎn)程控制。

通過在SIMATIC WinCC組態(tài)軟件中添加OPC驅(qū)動程序，編輯網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的OPC服務(wù)主機(jī)或者IP地址信息，包括了遠(yuǎn)程站名、地址類型、地址編號及長度信息等。在上位機(jī)安裝的SINAUT MICRO SC通信軟件進(jìn)入相應(yīng)OPC服務(wù)器項(xiàng)目下，實(shí)現(xiàn)組態(tài)軟件WinCC中的變量與PLC采集到的數(shù)據(jù)之間的連接[7-12]。

3.2 ?組態(tài)WinCC畫面設(shè)計

組態(tài)軟件是SIMATIC WinCC 7.0，SIMATIC WinCC是基于WINDOWS操作系統(tǒng)兼容以太網(wǎng)Internet的人機(jī)界面系統(tǒng)[13]，WinCC采用的是面向?qū)ο缶幊碳夹g(shù)，提供多種畫面、具有豐富的元件庫和友好的交互界面，系統(tǒng)WinCC監(jiān)控畫面如圖5所示。

通信模塊通過OPC建立連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時收發(fā)，遠(yuǎn)程監(jiān)控終端將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過程序處理后經(jīng)過GPRS發(fā)送給系統(tǒng)控制中心并存儲入SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中，數(shù)據(jù)庫功能實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的記錄、歸檔功能。在WinCC監(jiān)控畫面中可以顯示區(qū)域內(nèi)土壤墑情的數(shù)據(jù)曲線，以及水泵站點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)信息等[14，15]，圖5畫面中1#、3#和5#水泵為綠色，表示這些水泵處于灌溉運(yùn)行狀態(tài)，2#和4#水泵處于停止?fàn)顟B(tài)，同時也可在SIMATIC WinCC組態(tài)軟件上實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程終端的設(shè)備的手動模式操作控制，顯示操作日志和實(shí)現(xiàn)報表輸出等功能。

4 ?小結(jié)

設(shè)計了基于西門子S7-200 PLC和GPRS的農(nóng)田墑情監(jiān)測和抗旱系統(tǒng)，以SIMATIC WinCC組態(tài)軟件為上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，通過在中國楊凌農(nóng)業(yè)高新技術(shù)示范區(qū)10 000 m2的半干旱區(qū)域農(nóng)田試驗(yàn)應(yīng)用。結(jié)果表明，該系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了土壤墑情數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測，GPRS通訊可靠、運(yùn)行穩(wěn)定，同時實(shí)現(xiàn)了主動抗旱的快速響應(yīng)，節(jié)約水資源效果明顯，形成了在干旱半干旱區(qū)域農(nóng)田墑情監(jiān)測和抗旱的SCADA系統(tǒng)，該系統(tǒng)對農(nóng)田墑情數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測和主動抗旱具有較大的應(yīng)用價值和社會效益。

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[4] 田 ?海，李雅妮，肖 ?鵬.基于PLC和GPRS技術(shù)的交通信號燈遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].電氣傳動，2012（12）：61-65.

[5] 龐黨鋒，王東濤，閆虎民，等.基于單片機(jī)與PLC的農(nóng)業(yè)大棚溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，52（1）：448-450.

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[7] 崔 ?堅(jiān).西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通訊指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[8] 李江全.西門子S7-200PLC數(shù)據(jù)通信及測控應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[9] 廖常初.S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[10] GIELING T H， JANSSEN ?H J J， SUURMOND M， et al. Identification and simulated control of greenhouse closed water supply systems[J].Computers and Electronics in Agriculture， 2000，26（3）：361-374.

[11] LECINA S， MARTUBEA-COB A ，PEREZ P J， et al. Fixed versus variable bulk canopy resistance for reference evapotranspiration estimation using the Penman-Monteith equation under semi-arid condition[J]. Agricultural and Water Management，2003，60（3）：181-198.

[12] SALKINTZIS A K， NIE H， MATHIOPOULOS P T. ADC and DSP challenges in the development of software radio base stallions[J].IEEE Personal Communication，1999（4）：47-55.

[13] HOFFMANN W C， BAGLEY W E， FRITZ B K，et al. Effects of water hardness on spray droplet size under aerial application conditions[J].Applied Engineering in Agriculture， 2008，24（1）：11-14.endprint