基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC控制的智能節(jié)水施灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉 陽，滿建舫，蘇 慧

(徐州市水利建筑設(shè)計(jì)研究院，江蘇 徐州 221000)

作為世界級(jí)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，我國(guó)的耕地面積廣、農(nóng)業(yè)自給率較高。在經(jīng)濟(jì)構(gòu)成上，農(nóng)業(yè)種植也成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成之一[1]。對(duì)部分水文基礎(chǔ)條件較差的地區(qū)而言，灌溉是農(nóng)業(yè)種植過程中極為重要的環(huán)節(jié)，對(duì)作物最終的產(chǎn)量發(fā)揮著決定作用[2]。但是這種大面積的灌溉，也直接增加了水資源需求量[3]。

以灌溉區(qū)的水資源有效利用情況為統(tǒng)計(jì)目標(biāo)，其利用系數(shù)僅為0.4。出現(xiàn)這種情況主要是因?yàn)檗r(nóng)業(yè)對(duì)于水資源的利用管理精細(xì)化程度不高，粗放低效使用現(xiàn)象普遍存在，而世界范圍內(nèi)水資源保護(hù)意識(shí)不斷提高，減少灌溉用水量成為十分必要的工作內(nèi)容之一[4]。

在農(nóng)業(yè)灌溉方面，無論是渠道防滲，還是施灌實(shí)施技術(shù)，都已經(jīng)取得了一定的成果[5-6]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模化發(fā)展趨勢(shì)也要求灌溉技術(shù)具有更高的靈活性、準(zhǔn)確性以及更高效的便捷性[7-8]。

基于此，本文設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC控制的智能節(jié)水施灌系統(tǒng)。該系統(tǒng)將現(xiàn)代信息技術(shù)、智能控制技術(shù)等融入到農(nóng)業(yè)施灌控制過程中，結(jié)合土壤的實(shí)時(shí)濕度信息，調(diào)節(jié)灌溉的強(qiáng)度，在減少水資源用量，滿足農(nóng)作物生長(zhǎng)需求的前提下達(dá)到智能化節(jié)水灌溉的目的。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 PLC控制器

本文設(shè)計(jì)的節(jié)水施灌系統(tǒng)主要通過實(shí)際土壤水含量對(duì)灌溉強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，為此，使用的PLC控制器要具備多元差異化調(diào)節(jié)能力。本文選擇NA400 PLC控制器作為系統(tǒng)的硬件。NA400 PLC控制器內(nèi)置10/100Mbps以太網(wǎng)、雙串口通訊接口，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)冗余和非冗余2類運(yùn)行狀態(tài)的支持。在內(nèi)部總線的連接下，與控制器中心相連。SOE事件順序記錄模塊的分辨率為1ms，可以記錄土壤實(shí)時(shí)含水情況數(shù)據(jù)事件[9]。普通I/O模塊與控制器的連接是通過高速內(nèi)部總線實(shí)現(xiàn)的，確保信息和控制指令的順利接收和發(fā)送。通訊處理模塊主要作用是增添PLC與其他設(shè)備的通訊方式。本文使用的NA400控制器支持RS232/RS485、DeviceNet、CANopen網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及第三方設(shè)備的通信請(qǐng)求。將其作為本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)施灌狀態(tài)的調(diào)節(jié)。

1.2 濕度傳感器

對(duì)施灌狀態(tài)的調(diào)節(jié)是在土壤含水量與農(nóng)作物實(shí)際需水量之間關(guān)系的基礎(chǔ)上完成的。因此，本文選用NJB4900濕度傳感器作為土壤含水量采集裝置?？梢栽谕瓿砂惭b后自主實(shí)現(xiàn)濕備功能，無需額外的參數(shù)配置，濕備速率可以達(dá)到100Mbps，完成一個(gè)采集周期僅需1s，并且在周期內(nèi)就可以實(shí)現(xiàn)全部數(shù)據(jù)的傳輸，不會(huì)造成數(shù)據(jù)堆積。這種高效的采集和傳輸能力，可以為系統(tǒng)提供及時(shí)可靠的數(shù)據(jù)信息，確保后續(xù)相關(guān)調(diào)節(jié)工作的及時(shí)性，不會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)與實(shí)際參數(shù)之間的差異化[10]。其中，NJB4900的主頻最高可達(dá)到266MHz，濕備切換時(shí)間不超過50ms，在2個(gè)CPU模塊配置下，即可實(shí)現(xiàn)冗余備用互換。以此為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸可以與數(shù)據(jù)采集同步進(jìn)行，數(shù)據(jù)傳送與PLC同步執(zhí)行大大縮短傳送時(shí)間。以此為基礎(chǔ)，為系統(tǒng)運(yùn)行提供可靠的數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

由于NJB4900采集到的數(shù)據(jù)無法直接在PLC中被應(yīng)用[11]。因此，首先需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。假設(shè)NJB4900采集到的土壤含水量信息為ai，那么轉(zhuǎn)化公式可以表示為：

(1)

式中，Ai—轉(zhuǎn)換后的土壤含水量；λ—介電常數(shù)。ci—土壤體積含水量的經(jīng)驗(yàn)值，該值是以物聯(lián)網(wǎng)中的大數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)得出的，其計(jì)算公式為：

(2)

土壤含水量數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系系數(shù)計(jì)算公式為：

(3)

式中，P—轉(zhuǎn)換關(guān)系系數(shù)。

通過上述過程可以將采集的土壤含水量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可利用的形式。

2.2 施灌控制

在得到土壤含水量數(shù)據(jù)之后，即可按照實(shí)際情況對(duì)施灌強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

利用物聯(lián)網(wǎng)獲取施灌區(qū)域的環(huán)境信息，假設(shè)該值為D，土壤含水量數(shù)據(jù)Ai，在未來t時(shí)間內(nèi)，其含水量的變化范圍Ai(t)可以表示為：

(4)

根據(jù)作物實(shí)際生長(zhǎng)需水量，系統(tǒng)的施灌強(qiáng)度可以表示為：

(5)

式中，w—作物實(shí)際生長(zhǎng)需水量；W—單位時(shí)間施灌量。

通過上述過程滿足作物實(shí)際生長(zhǎng)需水量的同時(shí)，減少用水量。

3 應(yīng)用測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC控制的智能節(jié)水施灌系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中的可靠性和穩(wěn)定性，在某農(nóng)業(yè)溫室大棚中進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試目標(biāo)是觀察系統(tǒng)是否能夠在確保土壤含水量滿足大棚作物生長(zhǎng)的前提下減少水資源的使用量。

3.1 測(cè)試環(huán)境

考慮到實(shí)驗(yàn)大棚的實(shí)際面積，通過對(duì)灌溉閥門開關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉總體水量的控制。在對(duì)應(yīng)的節(jié)水施灌系統(tǒng)中，共搭建了12個(gè)終端灌溉出水口以及12個(gè)閥門協(xié)調(diào)裝置，每個(gè)灌溉節(jié)點(diǎn)之間的間距為3.0m。結(jié)合作物生根深度，將濕度傳感器安裝在土壤表皮下15.00cm的位置。已知實(shí)驗(yàn)溫室大棚內(nèi)作物生長(zhǎng)要求最佳土壤含水量為20%～30%。利用本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行施灌管理，并以傳統(tǒng)施灌方法對(duì)相同規(guī)格的另一溫室大棚進(jìn)行灌溉處理。

3.2 測(cè)試結(jié)果

2種系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)對(duì)比見表1。

表1 測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì) 單位：%

由表1可以看出，傳統(tǒng)澆灌方法土壤含水量的波動(dòng)較為明顯，相比之下，應(yīng)用本文系統(tǒng)后，土壤的含水量基本穩(wěn)定在23%～25%之間，始終在作物最佳生長(zhǎng)條件范圍內(nèi)。

2種系統(tǒng)的用水量對(duì)比見表2。

表2 施灌用水量統(tǒng)計(jì) 單位:m3

由表2可以看出，本文系統(tǒng)總用水量?jī)H為47.98m3，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，用水減少了33.85m3，同比減少41.37%。表明本文系統(tǒng)可以達(dá)到節(jié)水施灌的目的。

4 結(jié)語

目前，水資源緊缺已經(jīng)成為全球性的問題。農(nóng)業(yè)灌溉的用水量較大，而傳統(tǒng)的施灌系統(tǒng)對(duì)施灌過程中的用水量缺乏有效管理，增大了施灌過程的耗水量。為有效解決該問題，本研究基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC控制技術(shù)設(shè)計(jì)了一種新的智能節(jié)水施灌系統(tǒng)。該系統(tǒng)從節(jié)水的角度，對(duì)農(nóng)作物施灌問題展開研究，以土壤的實(shí)際含水量和生長(zhǎng)作物的實(shí)際需求為基礎(chǔ)，利用物聯(lián)網(wǎng)和PLC實(shí)現(xiàn)了節(jié)水施灌。

測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠有效實(shí)現(xiàn)節(jié)水施灌。希望本文的研究可以為灌區(qū)農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供有價(jià)值的參考。在接下來的研究中，將從提高控制指令傳輸耗時(shí)的角度進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)展開優(yōu)化。