智能農(nóng)田灌溉系統(tǒng)的設(shè)計

蔣 珂 ， 耿 淬

（常州劉國鈞高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 常州 213025）

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，凡是農(nóng)作物都需要灌溉，農(nóng)業(yè)上的耗水量巨大，在一些雨水較少的地區(qū)，1畝水稻一年大約要澆灌2 000 m3以上的水，而1畝小麥需要1 200 m3的水。農(nóng)作物澆水方法包括傳統(tǒng)的土面澆水和現(xiàn)代新型澆灌方法。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高度依賴于人工操作，往往具有人工成本高、生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集滯后、生產(chǎn)效率低、依賴農(nóng)民經(jīng)驗操作、缺乏科學(xué)化數(shù)據(jù)支撐、生產(chǎn)險情發(fā)現(xiàn)延誤等缺點[1]。從原始的人畜耕作到機械耕種是農(nóng)業(yè)發(fā)展的一大進步；而物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)、邊緣計算等新技術(shù)的出現(xiàn)，則是助推現(xiàn)代農(nóng)業(yè)實現(xiàn)本質(zhì)化改變和飛躍式發(fā)展的重要動力[2]。為了讓我國的水資源能更好地被利用起來，大大緩解國家缺水地區(qū)的缺水現(xiàn)狀，將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉體系更新為現(xiàn)代化的智能節(jié)水灌溉體系，實現(xiàn)技術(shù)上的轉(zhuǎn)型與升級已是當(dāng)務(wù)之急。

1 課題背景及意義

1.1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國外的灌溉系統(tǒng)技術(shù)和實踐經(jīng)驗都比較豐富，智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)在歐美等發(fā)達國家被廣泛實施[3]。

首先是美國。美國幅員遼闊，地廣人稀，他們通過嚴格的水資源管理及長期的節(jié)水農(nóng)業(yè)，使其農(nóng)業(yè)十分發(fā)達，尤其在節(jié)水農(nóng)業(yè)方面。1）政府投入大量資金發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)。美國政府為解決中西部干旱問題，長期采取優(yōu)惠政策，優(yōu)先安排節(jié)水灌溉工程[4]。對該體系中的基礎(chǔ)設(shè)施實行政府全額投資政策，逐年投建供水和輸水設(shè)施。2）根據(jù)各地區(qū)的實際情況更改政策，建立完備的節(jié)水灌溉體系。3）大力推廣多種節(jié)水灌溉的方式和方法。

其次是以色列，在節(jié)水灌溉方面非常有經(jīng)驗。以色列是一個耕地少，嚴重缺水的沙漠國家，其國土面積的60%是沙漠。每年11月至次年3月為雨季，其余7個月為連續(xù)干旱季節(jié)。但是以色列在如此惡劣的自然條件下依靠節(jié)水技術(shù)，取得了驚人的農(nóng)業(yè)成就。1）大力推廣節(jié)水灌溉，確保每個地區(qū)的節(jié)水灌溉體系完整。2）他們對于節(jié)水技術(shù)還在不停地創(chuàng)新和改進。大多數(shù)國家的農(nóng)業(yè)用水效率都不高，但以色列的農(nóng)業(yè)用水率高達90%，這是一個令人驚嘆的數(shù)字[5]。在灌溉體系中，以色列的滴灌技術(shù)占大多數(shù)，以色列在滴灌技術(shù)領(lǐng)域的成就走在了世界前列。

結(jié)合我國國情，參考這兩國的經(jīng)驗，我國的灌溉模式應(yīng)主要采用美國模式。首先我國地廣，水資源相較于以色列還比較豐富，如果照搬以色列的灌溉模式，成本太高。其次就是我國滴灌技術(shù)還不是太成熟，還有很多問題需要解決，因此我國目前還是采用以噴灌為主、其他灌溉方式并存的方法。

1.2 課題研究的內(nèi)容及意義

本課題的主要研究對象是將世界先進的噴灌技術(shù)結(jié)合PLC技術(shù)，實現(xiàn)對農(nóng)田的自動灌溉及檢測。其主要內(nèi)容如下：首先，在農(nóng)田中安裝多種傳感器，合理選用濕度傳感器、溫度傳感器及光敏傳感器，將這三種傳感器結(jié)合起來使用，設(shè)置某一臨界點為開關(guān)信號，傳輸至PLC控制系統(tǒng)中，然后通過內(nèi)部信息處理控制噴灌系統(tǒng)的開關(guān)及變頻器，利用變頻器輸出信號控制噴灌系統(tǒng)中水泵的開關(guān)及運行速度，使其能夠隨時間、溫度、濕度的變化對農(nóng)田進行精準(zhǔn)灌溉。根據(jù)某些植物的特性還可以編寫一套特定的時間程序，對農(nóng)田作物進行周期性灌溉，使灌溉更具準(zhǔn)確性和周期性。其次，設(shè)置故障報警系統(tǒng)，當(dāng)噴灌系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，能夠自動報警并且停止系統(tǒng)運行[6]。通過對該系統(tǒng)的研究，可以更好地利用水資源，提升農(nóng)業(yè)用水利用率。

本系統(tǒng)的主要優(yōu)點：1）節(jié)水效果好。噴灌是優(yōu)先將水噴至空中，而后比較均勻地落入土地中的方式，水量較小，不會形成地表徑流，也不會產(chǎn)生深層滲漏，提高了水資源的利用率[7]。2）灌水均勻。由于噴灑較均勻，灌溉也相對均勻，同時也可調(diào)節(jié)土壤周邊氣候，增加地面濕度。3）采用噴灌技術(shù)就可以摒棄原始的田間灌溉渠道，而且噴灌系統(tǒng)的輸水管道占地面積小，可以提高土地的利用率。4）節(jié)省勞動力。由于噴灌系統(tǒng)不需要修建灌溉渠道所以節(jié)省了勞動力，且該系統(tǒng)所設(shè)計的智能灌溉系統(tǒng)就無需人工，只需有一個監(jiān)測控制人員就可以控制及監(jiān)測大片土地，可以說是大大解放了勞動力[8]。由于噴灌一次性投入成本較高，其主要用于水資源緊缺的區(qū)域。

2 總體方案的設(shè)計

農(nóng)作物灌溉的前提條件離不開光照、溫度和濕度，通過三者判斷農(nóng)作物是否需要灌溉[9]。本方案總體設(shè)計思路是：通過三菱FX-3U系列PLC輔以各種傳感器，如圖1所示，其中光敏傳感器用來測試作物的光照程度，溫度傳感器用來檢測作物的溫度，濕度傳感器用來檢測作物周圍的空氣濕度。然后通過PLC控制變頻器，再由變頻器控制水泵的啟動和停止，從而達到對農(nóng)作物進行噴灌的目的。

圖1 智能農(nóng)田噴灌系統(tǒng)框圖

3 主要單元模塊設(shè)計

3.1 噴灌管道

對于噴灌管道的設(shè)計，是在單水泵的噴灌設(shè)計上，另外多加一個水泵。該噴灌管道設(shè)計有兩個水泵，其作用就是對噴灌頭進行水平加壓，使噴灌的半徑增大，通過變頻器對兩個水泵進行調(diào)速控制。當(dāng)陽光充足，天氣溫和時，可以只開一個水泵，將水噴灑的距離減小，以降低噴灌量。當(dāng)天氣干燥時，則需要加大噴灌量，同時打開兩個水泵，對噴灌裝置進行加壓，灌溉量也明顯增大。

3.2 電路模塊

電路設(shè)計中，將多個傳感器分布至農(nóng)作物田地中，引出對應(yīng)的導(dǎo)線連接A/D模塊。然后將A/D模塊引出端接入可編程控制器的輸入端X點，再從PLC的Y點輸出信號，Y0端接變頻器的STF端，Y1端接變頻器的STR端，COM端接變頻器SD端。同時Y4端接變頻器的RH端，Y5端接變頻器的RM端，Y6端接變頻器的RL端，此時變頻器的U、V、W連接電機的三個端口。該電路主要是將外部信號——光照、溫度、濕度等模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入至可編程控制器。經(jīng)過內(nèi)部程序的控制，由PLC控制變頻器對電機進行高、中、低三檔調(diào)速以及實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的控制。在該電路設(shè)計中，大約需要使用到30個噴灌噴頭，將它們分為三組，每組10個，分別使用Y10、Y11、Y12進行連接。編寫程序控制Y10、Y11、Y12的輸出信號使噴灌噴頭的電磁閥動作，最終達到噴灑的目的。每個噴灌噴頭旁邊還會加裝一個壓力表，當(dāng)水壓達到一定要求且控制信號送達時，電磁閥動作，噴灌噴頭進行噴灌。該電路分為兩種模式，一種是自動灌溉模式，另一種是手動灌溉模式。當(dāng)需要進行手動灌溉時，按動按鈕，自動切換至手動灌溉模式，自動灌溉模式關(guān)閉。

3.3 感應(yīng)模塊

感應(yīng)模塊主要由溫度傳感器、濕度傳感器和光敏電阻組成，再配備A/D轉(zhuǎn)化模塊。將感應(yīng)到的溫度、濕度和光照的模擬量，通過轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入至可編程控制器中[10]。在控制器中設(shè)定三種范圍，一種是在一定范圍內(nèi)，一種是達到既定范圍，還有一種是超出既定范圍。在該電路模塊中，使用的溫度傳感器型號是PT100，使用的濕度傳感器型號是

HTF3226LF。

3.4 控制模塊

控制模塊主要由可編程控制器控制變頻器，對水泵進行控制，以及PLC對噴灌噴頭電磁閥的控制所組成的。變頻器水泵控制的速度有三種，分別是高速、中速、低速，水泵的三種速度分別對應(yīng)對噴灌口的加壓。當(dāng)水閥后面的壓力表壓力數(shù)值達到后且控制信號輸入后打開電磁閥對農(nóng)作物進行噴灌。在該

模塊中可以使用三菱FX-3U系列PLC，同時采用三菱系列的變頻器。

3.5 報警模塊

報警模塊就是當(dāng)電路或水路管道中出現(xiàn)問題時，及時停止PLC的運行，將水泵停止，關(guān)閉電磁閥，等待維修人員進行維修。報警模塊會使用一個紅色的報警燈和一個警示器，當(dāng)報警模塊運行時，紅色警示燈閃爍，報警器報警。系統(tǒng)出現(xiàn)灌溉裝置損壞的情況時，能實現(xiàn)自動暫停供電，自動警告和初步提示故障原因等功能。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 PLC輸入/輸出分配表

PLC輸入/輸出端按系統(tǒng)要求進行分配，如表1所示。

表1 I/O分配表

4.2 系統(tǒng)總體程序設(shè)計

該系統(tǒng)設(shè)計分為兩個部分，一個是自動模式，一個是手動模式。系統(tǒng)程序流程如圖2所示，啟動自動模式時，先開始光照檢測、濕度檢測和溫度檢測，同時獲得三個數(shù)據(jù)進行對比，如果達到光照警戒線，濕度小于30% RH或溫度高于20 ℃時，水泵打開，打開電磁閥。然后繼續(xù)檢測，若數(shù)據(jù)未達到要求，則關(guān)閉水泵，關(guān)閉電磁閥。當(dāng)處于手動模式時自動模式自動關(guān)閉，按下啟動按鈕，水泵自動打開，電磁閥自動打開。按下停止按鈕，水泵關(guān)閉，電磁閥關(guān)閉。

圖2 程序流程圖

4.3 系統(tǒng)程序調(diào)試

該系統(tǒng)啟動前有一個選擇按鈕，當(dāng)按下X13時，則系統(tǒng)進入自動程序。按下啟動按鈕X0，當(dāng)三個傳感器感應(yīng)數(shù)據(jù)時，該傳感器閉合。當(dāng)溫度傳感器、濕度傳感器、光敏電阻，其中任意一個閉合時，則水泵1啟動。當(dāng)噴頭壓力足夠時，噴頭開始啟動，噴灑1小時后停止，繼續(xù)檢測。如若仍然沒有改變，則重復(fù)上述運行步驟。如若噴頭水壓不夠，則啟動水泵2，通過兩個水泵的運行，給噴頭加壓，當(dāng)噴頭壓力達到噴灑要求時，則電磁閥打開。

當(dāng)按下X15時，系統(tǒng)從自動模式更改為手動模式，該系統(tǒng)將噴頭分為三組，每組負責(zé)一塊田地的噴灌。通過操作人員的控制可以控制三組的灌溉時間，當(dāng)操作人員覺得田地需要灌溉時，就可以按下啟動按鈕，水泵啟動，壓力表檢測壓力，當(dāng)壓力足夠，則噴頭啟動。當(dāng)田地?zé)o需灌溉時，操作人員就可以按下停止按鈕。

最后就是報警模塊的調(diào)試。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，按下急停按鈕，所有程序停止運行。報警指示燈亮，報警蜂鳴器響，等待維修人員維修后進行重啟。

5 結(jié)束語

智能農(nóng)田灌溉系統(tǒng)既可以提高灌溉管理水平，改變?nèi)藶椴僮鞯碾S意性，同時還可以減少灌溉用工，降低管理成本，利用變頻技術(shù)顯著提高效益。因此，推廣實施智能農(nóng)田灌溉系統(tǒng)，改變目前普遍存在的粗放灌水方式，提高灌溉水利用率，是有效解決灌溉節(jié)水問題的必要措施之一。