基于計(jì)算機(jī)輔助控制與PLC技術(shù)的農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)研究

劉鑄德

摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，必須重視引入高效的農(nóng)業(yè)智能灌溉技術(shù)?；诖耍ㄟ^技術(shù)研究，分析基于計(jì)算機(jī)輔助控制與PLC技術(shù)的農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)策略，不斷提高研究水平，從而為農(nóng)業(yè)智能化灌溉工作提供有效的技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞 計(jì)算機(jī)輔助控制;PLC技術(shù);農(nóng)業(yè);智能灌溉

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2020.26.082

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的不斷深入發(fā)展和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整，農(nóng)業(yè)智能化灌溉技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉中的應(yīng)用也進(jìn)一步普及，對(duì)技術(shù)的要求也越來越高。利用計(jì)算機(jī)輔助控制技術(shù)與PLC技術(shù)結(jié)合建立起的農(nóng)業(yè)智能化灌溉系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)灌溉技術(shù)中效率偏低、管理偏難等問題，進(jìn)一步提升了農(nóng)業(yè)智能化灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)（上位機(jī)）、PLC（下位機(jī)）、A/D轉(zhuǎn)換器（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）、土壤濕度感應(yīng)器、執(zhí)行控制模塊、灌溉設(shè)備和報(bào)警設(shè)備構(gòu)成。工作原理框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)工作時(shí)，先由土壤濕度傳感器取值，將土壤濕度值通過A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后傳輸給PLC，之后PLC將信號(hào)傳給計(jì)算機(jī)輔助控制設(shè)備，計(jì)算機(jī)輔助控制設(shè)備經(jīng)過自動(dòng)調(diào)節(jié)或者人工手動(dòng)控制后，將調(diào)整后的參數(shù)傳回給PLC，由PLC通過PID計(jì)算程序發(fā)出命令控制對(duì)應(yīng)的執(zhí)行控制模塊啟停灌溉設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉的智能運(yùn)作[1-3]。

本系統(tǒng)的核心設(shè)備為由上位機(jī)和下位機(jī)兩個(gè)部分組成。上位機(jī)主要采用計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)，設(shè)置對(duì)應(yīng)的操作控制界面，可對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，可實(shí)時(shí)監(jiān)控下位機(jī)，可對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢等;下位機(jī)主要采用PLC控制器，主要功能用于接收上位機(jī)的控制操作指令、接收土壤濕度傳感器模擬量輸入信號(hào)等，并根據(jù)系統(tǒng)的要求，計(jì)算、處理和輸出對(duì)應(yīng)的命令，驅(qū)動(dòng)外部相關(guān)控制設(shè)備。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)、PLC控制器、A/D轉(zhuǎn)換器、土壤濕度傳感器、執(zhí)行控制模塊、灌溉設(shè)備和報(bào)警設(shè)備構(gòu)成。

2.1 計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)（上位機(jī)）

作為系統(tǒng)核心的控制組件，計(jì)算機(jī)輔助控制系統(tǒng)在硬件上須具備穩(wěn)定的硬件工作環(huán)境，在控制軟件上能對(duì)灌溉系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié)和設(shè)定，需支持主流的連接協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的調(diào)控、監(jiān)視、數(shù)據(jù)采集、報(bào)表匯總等功能。

2.2 PLC控制器（下位機(jī)）

作為系統(tǒng)的核心執(zhí)行組件，PLC必須具備穩(wěn)定的工作狀態(tài)，多節(jié)點(diǎn)、多級(jí)數(shù)采集傳輸模式，支持主流的連接協(xié)議，配備足夠的輸入端子和輸出端子，同時(shí)可外接相應(yīng)擴(kuò)展模塊，盡可能多收集設(shè)備的輸入信號(hào)傳輸給上位機(jī)，滿足系統(tǒng)的調(diào)整和控制要求。

2.3 土壤濕度傳感器

新型的土壤濕度傳感器可利用電磁脈沖原理，根據(jù)電磁波在介質(zhì)中的傳播頻率來測(cè)量土壤的表觀介電常數(shù)，得到土壤容積含水量，具有簡(jiǎn)便安全、快速準(zhǔn)確、定點(diǎn)連續(xù)、自動(dòng)化、寬量程和少標(biāo)定等特點(diǎn)。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換器（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）

根據(jù)本系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)輸入/輸出信號(hào)的要求，需將現(xiàn)場(chǎng)由土壤濕度傳感器檢測(cè)產(chǎn)生的連續(xù)模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成PLC識(shí)別的可以接收的數(shù)字量信號(hào)。為確保轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確率，應(yīng)選取數(shù)字量位數(shù)多、分辨率高、功耗低的設(shè)備型號(hào)。

2.5 執(zhí)行控制模塊

執(zhí)行控制模塊，主要用于控制灌溉設(shè)備的啟停。目前常見的執(zhí)行控制設(shè)備一般為電磁閥，其所具備的高安全性、適用性和可靠性是控制模塊必備的工作特性。

2.6 灌溉設(shè)備

用于農(nóng)業(yè)的灌溉設(shè)備有很多類型，如水泵、滴灌管、微噴頭、微噴帶等，根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，應(yīng)按實(shí)際選擇不同的灌溉設(shè)備，以利于農(nóng)作物的灌溉作業(yè)。

在選擇灌溉設(shè)備時(shí)，要與執(zhí)行控制模塊所選擇的設(shè)備配合使用。

2.7 報(bào)警設(shè)備

報(bào)警設(shè)備接收上位機(jī)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，例如濕度過低、灌溉時(shí)間過長等，可以聲、光等形式發(fā)出報(bào)警信息，提醒管理人員及時(shí)處理。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)方面，由上位機(jī)計(jì)算機(jī)輔助控制軟件和下位機(jī)PLC執(zhí)行軟件構(gòu)成。程序的核心思想是由上位機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，下位機(jī)接收上位機(jī)的調(diào)節(jié)指令，通過PID算法輸出執(zhí)行參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉設(shè)備的控制。

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

智能灌溉系統(tǒng)的控制由上位機(jī)進(jìn)行。軟件系統(tǒng)采用圖形化的編程語言，如Microsoft Visual C++，能與硬件進(jìn)行直接通信，其圖形化的編程特點(diǎn)可建立虛擬化的儀器圖表，提取下位機(jī)的PID參數(shù)并可在圖形界面上顯示和調(diào)節(jié)。

軟件的設(shè)計(jì)思想是將下位機(jī)所獲取的土壤傳感器檢測(cè)土壤濕度含量，與程序設(shè)定土壤濕度信號(hào)最小值和最大值相比較，根據(jù)偏差量向灌溉設(shè)備發(fā)出“開”“關(guān)”指令，保證土壤濕度達(dá)到設(shè)定范圍，并且當(dāng)土壤含水量低于設(shè)定最小值或最大值時(shí)向報(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警指令，使報(bào)警裝置啟動(dòng)，及時(shí)進(jìn)行告警。

軟件在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中需要研討濕度比較的方案，在灌溉操作執(zhí)行過程中，由于土壤滲水較慢，土壤濕度具有慣性大、非線性等特征，為了避免誤判，一般需要對(duì)設(shè)定的單位時(shí)間內(nèi)兩次以上所采集土壤濕度值進(jìn)行比對(duì)判斷后，再輸出對(duì)應(yīng)操作。

3.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件為PLC執(zhí)行軟件。在軟件設(shè)計(jì)中可以在插入以太網(wǎng)初始化程序后進(jìn)行程序編寫，通過專有協(xié)議，經(jīng)過以太網(wǎng)模塊、交換機(jī)、雙絞線等方式連接到計(jì)算機(jī)輔助控制軟件，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通訊聯(lián)動(dòng)，對(duì)設(shè)備發(fā)出相應(yīng)指令。

下位機(jī)算法的基本思想：1）土壤濕度傳感器將通過A/D模塊將土壤濕度信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)傳送給PLC，PLC通過程序運(yùn)算將信號(hào)變成實(shí)際的濕度值;2）PLC將濕度取值傳送給上位機(jī)進(jìn)行比較設(shè)定，根據(jù)上位機(jī)給定的設(shè)定值經(jīng)過PID運(yùn)算處理后，通過脈沖輸出模塊，輸出對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)到執(zhí)行控制模塊，執(zhí)行控制模塊根據(jù)輸入值進(jìn)行對(duì)應(yīng)操作，完成一輪灌溉作業(yè)[4-5]。

3.3 智能灌溉節(jié)水系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)模式實(shí)踐

3.3.1 手動(dòng)灌溉模式

為了滿足特定環(huán)境下的灌溉需求，本系統(tǒng)具備手動(dòng)灌溉模式。手動(dòng)灌溉模式是指由人為調(diào)節(jié)執(zhí)行控制模塊的開啟和關(guān)閉，當(dāng)開啟指令發(fā)出后，后端灌溉設(shè)備開始工作;關(guān)閉指令發(fā)出后，后端灌溉設(shè)備停止工作。工作指令由上位機(jī)手動(dòng)設(shè)定發(fā)出，下位機(jī)接收并轉(zhuǎn)發(fā)給控制模塊執(zhí)行，具體流程圖如圖2所示。

3.3.2 自動(dòng)灌溉模式

自動(dòng)控制模式是指由系統(tǒng)自動(dòng)控制進(jìn)行灌溉操作。系統(tǒng)根據(jù)土壤濕度感應(yīng)器提取的當(dāng)前土壤含水率的數(shù)值，將數(shù)值與用戶設(shè)定的土壤含水率的數(shù)值相比較，根據(jù)PID算法對(duì)比計(jì)算出是否需要對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行灌溉操作。其運(yùn)行模式為：當(dāng)提取數(shù)值小于用戶設(shè)定下限值時(shí)，發(fā)出命令執(zhí)行灌溉;當(dāng)提取數(shù)值高于用戶設(shè)定上限值時(shí)，發(fā)出命令停止灌溉。土壤濕度具有慣性大、非線性等特征，因此自動(dòng)模式中對(duì)濕度的傳感器土壤濕度的取值應(yīng)在設(shè)定的單位時(shí)間內(nèi)取至少兩次土壤的濕度信息與用戶設(shè)定值進(jìn)行比較。當(dāng)兩次以上獲取到的濕度信息達(dá)到啟動(dòng)或者停止值時(shí)，才進(jìn)行啟停操作，具體流程圖如圖3所示。

3.3.3 定時(shí)灌溉設(shè)計(jì)

定時(shí)灌溉設(shè)計(jì)是指由管理人員設(shè)定好灌溉開始的時(shí)間和結(jié)束時(shí)間，當(dāng)?shù)竭_(dá)灌溉開始時(shí)間后，灌溉設(shè)備開始工作;當(dāng)?shù)竭_(dá)灌溉停止時(shí)間后，灌溉設(shè)備停止工作。具體流程圖如圖4所示。

4 結(jié)語

基于計(jì)算機(jī)輔助控制與PLC技術(shù)結(jié)合的農(nóng)業(yè)智能化灌溉系統(tǒng)，促進(jìn)了先進(jìn)科學(xué)技術(shù)和傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的結(jié)合，滿足了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化灌溉的需求。在未來的實(shí)踐探索過程中，還應(yīng)結(jié)合農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際，不斷提高計(jì)算機(jī)輔助控制與PLC控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)灌溉模式中的應(yīng)用水平，使這項(xiàng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮更大的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 崔天時(shí)，楊廣林，劉磊，等.基于模糊控制的溫室灌溉控制系統(tǒng)的研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010，32（3）：84-86.

[2] 王智乾，柯建宏.基于PLC模糊控制的溫室灌溉控制策略研究[J].浙江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011（6）：1428-1432.

[3] 趙德奇.基于PLC的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)溫室灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)使用與維修，2013（9）：17-18.

[4] 韓貴黎，蔡宗慧.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)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2017（12）：215-218，263.

[5] 靳瑞生，裴瑞婷.基于PLC的植物灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2019（1）：114.

（責(zé)任編輯：劉 昀）