基于PLC和物聯(lián)網(wǎng)感應(yīng)的智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓貴黎，蔡宗慧

(1.河南信息工程學(xué)校，鄭州 450008；2.秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 秦皇島 066100)

基于PLC和物聯(lián)網(wǎng)感應(yīng)的智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

韓貴黎1，蔡宗慧2

(1.河南信息工程學(xué)校，鄭州 450008；2.秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 秦皇島 066100)

為了減少水資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)高精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)灌溉，基于PLC和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合ZigBee與GPRS通訊技術(shù)，研究并設(shè)計(jì)了一種智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)。系統(tǒng)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集土壤濕度信息，以濕度偏差及偏差變化率作為輸入量，建立模糊控制規(guī)則庫，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺。試驗(yàn)結(jié)果表明：該智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行可靠、實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，很好地滿足了無線灌溉控制的要求，解決了傳統(tǒng)灌溉水資源浪費(fèi)大、穩(wěn)定性差的問題，實(shí)現(xiàn)了節(jié)水灌溉的目的，在農(nóng)業(yè)灌溉方面有很高的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值。

智能灌溉；PLC；物聯(lián)網(wǎng)；模糊控制；ZigBee；GPRS

0 引言

近年來，物聯(lián)網(wǎng)受到了人們的廣泛關(guān)注，被稱為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)的第3次浪潮。物聯(lián)網(wǎng)是一個通過傳感器網(wǎng)絡(luò)、射頻識別系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器、激光掃描器、全球定位系統(tǒng)，并按照約定的通信方式，實(shí)時采集需要監(jiān)控、連接、互動的物體，通過各種接入網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行信息交換，將物與物、物與人之間連接起來，實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤和監(jiān)控的新型信息化網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的核心是：任何物件都擁有一個可以尋找到它的地址，任何物件都可以控制和通信，也就是全面感知和智能化處理與控制。物聯(lián)網(wǎng)可以分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層3個技術(shù)體系。其中，感知層是物聯(lián)網(wǎng)的“眼睛”，其利用各類傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和感知；網(wǎng)絡(luò)層則負(fù)責(zé)利用通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的可靠傳輸；應(yīng)用層主要是進(jìn)行信息的協(xié)同，為用戶提供服務(wù)。本文基于PLC模糊控制理論和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對智能灌溉進(jìn)行研究，該系統(tǒng)以PLC為下位機(jī)，以PC機(jī)為上位機(jī)，根據(jù)土壤濕度信息確定灌溉決策因子，在可控范圍內(nèi)最大程度地減少灌溉用水的浪費(fèi)，起到了高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)、節(jié)水的作用。

1 智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)架構(gòu)

智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)分為應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)3個平臺，其架構(gòu)如圖1所示。

應(yīng)用平臺由遠(yuǎn)程監(jiān)測中心構(gòu)成，主要包括傳感器網(wǎng)絡(luò)、PLC控制系統(tǒng)、ZigBee傳輸網(wǎng)絡(luò)、執(zhí)行設(shè)備及水泵供水設(shè)施等，該部分功能是根據(jù)田間溫和濕度信息實(shí)現(xiàn)蓄水池、執(zhí)行設(shè)備、水泵等設(shè)施的實(shí)時控制。其中，傳感器網(wǎng)絡(luò)由水位、溫度、濕度、流量傳感器組成。應(yīng)用平臺主要負(fù)責(zé)農(nóng)業(yè)信息參數(shù)的采集，通過智能灌溉節(jié)水軟件控制系統(tǒng)決策，并實(shí)時掌握水泵等設(shè)備的運(yùn)行情況，根據(jù)設(shè)定閥值控制電機(jī)電磁閾開關(guān)。網(wǎng)絡(luò)平臺主要是采用通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將數(shù)據(jù)信息有效傳輸至服務(wù)器上，外部采用GPRS網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)部采用ZigBee通訊技術(shù)。業(yè)務(wù)平臺包括空間數(shù)據(jù)場、數(shù)據(jù)信息、故障報(bào)警和實(shí)時控制等。其中，空間數(shù)據(jù)場將采集的數(shù)據(jù)信息以直觀的形式展現(xiàn)出來，數(shù)據(jù)信息向工作人員提供一定時間段的數(shù)據(jù)展示。

2 智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

2.1 智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

模糊控制器的實(shí)現(xiàn)一般采用以下兩種形式：①模糊邏輯芯片；②采用軟件編程的方式實(shí)現(xiàn)模糊控制算法。本系統(tǒng)采用一個典型的灌溉模糊控制器，如圖2所示。

圖2 智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 The schematic diagram of fuzzy control system for

intelligent irrigation and water saving system

在智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)中，以作物土壤濕度判斷是否需要灌溉。設(shè)r為作物適宜濕度，x為實(shí)測濕度值，則偏差eH=r-x，eC為偏差變化值。為了計(jì)算方便，定義E和eC模糊量為EH和EC。EH和EC的基礎(chǔ)論域區(qū)間為[-15,+15]和[-5,+5]，模糊子集為{NB，NS，Z，PS，PB}。設(shè)置模糊控制系統(tǒng)的輸出時間為U，基本論域?yàn)閇0，10]，模糊子集為{Z(0)，ST(短時)，DT(中時)，LT(長時)} 。智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)模糊控制規(guī)則如表1所示。

表1 智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)模糊控制規(guī)則表

2.2 智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)總體電氣設(shè)計(jì)

根據(jù)智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)的控制原理，確定其總體電氣框架如圖3所示。

圖3 智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架圖Fig.3 The structure frame of intelligent irrigation water saving system

該系統(tǒng)主要由PLC、變頻器、上位機(jī)、人機(jī)界面和傳感器組成，該系統(tǒng)硬件可以劃分中控制部分、執(zhí)行部分和檢測部分。其中，控制部分包括PLC、變頻器、A/D、和通訊模塊，執(zhí)行部件為控制閥，檢測部件為傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2.2.2 智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場設(shè)計(jì)

智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場負(fù)責(zé)整個環(huán)境的數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制，系統(tǒng)根據(jù)順序編號，上位機(jī)和下位機(jī)在通訊過程中也需要按照順序進(jìn)行編號。智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)場圖Fig.4 The application of intelligent irrigation and water saving system

系統(tǒng)控制對象是水泵組和電磁閥，每隔30min系統(tǒng)會采集一次數(shù)據(jù)，并將濕度值通過ZigBee無線通訊網(wǎng)絡(luò)傳送給PLC；PLC將信息和設(shè)定值作比較，經(jīng)分析后做出處理命令，并送達(dá)至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以保證作物的水分環(huán)境。

2.2.3 智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)GPRS 無線傳輸

無線數(shù)據(jù)信息傳輸使用 GPRS 網(wǎng)絡(luò)，隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，GPRS 逐步發(fā)展為目前最流行的移動數(shù)據(jù)業(yè)無線通訊技術(shù)，GPRS利用GSM中未使用的TDMA信道，提供速度較快的數(shù)據(jù)傳遞。GPRS沖破GSM網(wǎng)只能提供電路交換的局限性，通過增加一定功能實(shí)體和改造現(xiàn)有的基站系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)分組交換。GPRS通過 GSM 網(wǎng)實(shí)現(xiàn)PLC控制器與PC機(jī)的連接，其兩者可以完成實(shí)時信息的共享。GPRS無線傳輸流程圖如圖5所示。該部分首先初始化硬件模塊，對GPRS模塊軟件進(jìn)行初始化；然后通過握手應(yīng)答協(xié)議溝通是否開始傳遞數(shù)據(jù)信息并獲取傳輸數(shù)據(jù)的地址值；建立傳輸數(shù)據(jù)的關(guān)系后，開始傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸完成后終止操作并返回系統(tǒng)主程序。

2.3 智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)綜合仿真和測試因素，根據(jù)灌溉后土壤濕度變化，將釆樣周期定為30min。在每次灌溉30min后 ，進(jìn)行下次采樣，決定電磁閥動作。由于電磁閥的通斷時長會影響控制結(jié)果，避免電磁閥頻繁動作，灌溉量輸出時，停止采樣活動。智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)程序流程圖如圖6所示。

圖5 GPRS無線傳輸流程圖Fig.5 The flow chart of GPRS wireless transmission

圖6 智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)程序流程圖Fig.6 The flow chart of intelligent irrigation water saving system

智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)具體流程為：傳感器網(wǎng)絡(luò)采集土壤濕度，并與設(shè)定下限值進(jìn)行比較。如果小于下限值，則打開電磁閥進(jìn)行灌水操作。由于土壤滲水較慢，為了避免誤判，一般需要停止灌水后才能采集土壤濕度值判斷輸出。接著，繼續(xù)采集土壤濕度值，再與下限值比較，如果還是比下限值小，則繼續(xù)進(jìn)入下一輪循環(huán)。

3 PC上位機(jī)設(shè)計(jì)

PC上位機(jī)即智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)管理軟件，可以直接發(fā)出操控整個系統(tǒng)的指令，軟件界面顯示濕度信號的變化及各個灌溉閥門執(zhí)行按鈕，在本設(shè)計(jì)中是很重要的環(huán)節(jié)，擔(dān)任著灌溉部分對各濕度傳感器的遠(yuǎn)程管理工作，可以說是整個灌溉系統(tǒng)的樞紐。智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)上位機(jī)軟件是基于Delphi7和Access數(shù)據(jù)庫開發(fā)的，構(gòu)造簡單，操作方便。該軟件工作界面如圖7所示。

圖7 智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)上位機(jī)界面Fig.7 The interface of intelligent irrigation and water saving system

智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)上位機(jī)軟件界面主要包括串口傳輸、接收信息、發(fā)送信息以及數(shù)據(jù)存儲模塊。監(jiān)測人員通過上位機(jī)給系統(tǒng)發(fā)出控制指令，保證各模塊正常運(yùn)行。

4 系統(tǒng)測試與分析

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性，將本系統(tǒng)應(yīng)用于某農(nóng)業(yè)觀光園的大棚溫室內(nèi)，在不影響原先大棚作物生長的前提下對其進(jìn)行測試。智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)主要控制灌溉總體水量和灌溉閥門開關(guān)。在這整套節(jié)水灌溉系統(tǒng)測試中，采用2個終端節(jié)點(diǎn)和1個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，節(jié)點(diǎn)之前的距離為20m，在作物土壤表皮下面10cm安裝濕度傳感器探針。測試過程中，設(shè)定土壤含水率為35%，測試結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出：測試中，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，在智能灌溉完成以后的30min，土壤含水率還會出現(xiàn)變化，兩個節(jié)點(diǎn)之間的誤差在2%左右，達(dá)到目標(biāo)值。這表明，智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)能夠根據(jù)PLC模糊控制規(guī)則有效地調(diào)節(jié)土壤的濕度，在可控范圍內(nèi)最大程度地減少灌溉用水的浪費(fèi)，很好地滿足了作物生長所需要的水分，起到了高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)及節(jié)水的作用。

表2 濕度測試結(jié)果

5 結(jié)論

1)系統(tǒng)對灌溉決策因子進(jìn)行了有效分析，綜合考慮精確性、實(shí)用性和可操作性要求，選用土壤濕度作為灌溉決策依據(jù)，并以濕度偏差及偏差變化率作為輸入量，建立模糊控制規(guī)則庫，搭建了實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田灌溉的自動化。

2)基于PLC和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合Zigbee與GPRS通訊技術(shù)，研究并設(shè)計(jì)了一種智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)合理、運(yùn)行可靠、實(shí)用性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，能夠很好地滿足無線灌溉控制的要求，解決了傳統(tǒng)灌溉水資源浪費(fèi)大、穩(wěn)定性差的問題，實(shí)現(xiàn)了節(jié)水灌溉的目的，在農(nóng)業(yè)灌溉方面有很高的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值。

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Abstract ID:1003-188X(2017)12-0215-EA

Design of Intelligent Irrigation Water Saving System Based on PLC and Internet of Things

Han Guili1,Cai Zonghui2

(1.Henan information engineering school, Zhengzhou 450008, China; 2.Qinhuangdao Institute of Technology, Qinhuangdao 066100, China)

In order to reduce the waste of water resources, to achieve high precision agriculture irrigation, combined with Zigbee and GPRS communication technology,it researched and designed of an intelligent irrigation and water saving system based on PLC and Internet of things technology. The system is collected the information of soil moisture, humidity deviation and deviation change rate as input based on wireless sensor network nodes. It established the fuzzy control rule and set up the experimental platform. Test results showed that the intelligent water saving irrigation system has reasonable design, reliable operation, practical strong advantages, good to meet the requirements of wireless irrigation control, excellent solves the traditional irrigation water resource waste, poor stability, to achieve the purpose of water saving irrigation, which has very high practical value in production and application in agriculture irrigation.

intelligent irrigation; PLC; Internet of Things; fuzzy control； Zigbee; GPRS

2016-08-11

河南省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目(ZJA15134)

韓貴黎(1968-)，女，河南羅山人，高級講師。

蔡宗慧(1985-)，女，河北秦皇島人，講師，碩士，(E-mail)hanyuzihen@126.com。

S274.2

A

1003-188X(2017)12-0215-04