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1、PLC与物联网技术基础上的自动节水灌溉系统设计研究农业是我国国民经济稳定发展的基石，在人均水资源严重匮乏的大背景下，全面推广节水型灌溉农业具有重要的现实意义。从现有的农业灌溉系统作业方式来看，仍旧以人工测量和手动阀门控制出水量为主1,2，这种粗放型的农业灌溉系统多采用大灌大排的工作方式3，不仅造成水资源的严重浪费，增加农业生产成本，还不利于土壤墒情的保持4,5。以PLC为代表的自动化控制技术及物联网技术的发展和进步6,7,8，使农业生产自动化成为现实。以节省水资源和科学灌溉为目的，本文提出并设计一种基于PLC和物联网技术的自动节水灌溉系统。利用安装于农作物现场的终端传感器采集土壤墒情和农作物生
2、长实时状态信息，并通过物联网将终端节点传感器采集到的相关信息传递到上位机中枢控制系统，基于实时数据分析给出具体切实可行的灌溉方案，防止农田出现过旱或过涝的情况，既满足农作物的灌溉要求，还节省水资源和农业生产过程中耗费的人力、物力资源。1、系统设计要求与总体结构设计的农业自动化节水灌溉系统总体结构，包括以PLC模块和51单片机为核心的上位机控制系统9,10、网关协调模块、和均匀布置在农作物检测区域的传感器节点，各模块之间通过GPRS网络和局域网连接，总体结构如图1所示。图1系统总体层次结构2、系统硬件配置与选型硬件电路选型以STC89C52RC型单片机作为中央处理器芯片11,12,13，并以PL
3、C模块作为自动节水灌溉系统的控制框架，系统硬件构成框图如图2所示。图2系统硬件构成框图STC89C52RC型芯片和PLC控制模块是系统的核心单元，各种终端节点采集到的信息在微处理器处都转化为计算机可识别的脉冲电信号14,15,16，经过计算机的高精度运算得出最合适的控制水量和控制时间，再向PLC模块传递控制指令，实现对农作物监控区域的自动化灌溉控制。STC89C52RC型芯片电压宽、稳定性好、运行速度快，具有4个高速异步串行通信接口，可实现8路高速数模转换，该芯片内部集成有高精度时钟功能，功耗更低、安全性更高，芯片电路系统图3所示。图3STC型芯片电路引脚选择的PLC控制模块自带RS-845通
4、信功能端口，可自由扩展模拟量，PLC控制模块的输入端电流范围为1220mA，输出端电流范围为520mA。变频器选择西门子MM3254型设备，包括两个模拟输出端和4个模拟输入端，具有良好过压保护和稳压功能。压力传感器可将压力值转换为脉冲信号输入PLC系统。由于射频通信模块信号的有效传输距离有限，还需要选用CC2591型射频信号扩展器，提升信号的输出功率和灵敏度。单片机系统通过通信射频读写模块和物联网，与温度节点、湿度节点及水量节点之间实现通信，后台管理人员也可借助系统实现远端控制。对于土壤含水量的测量选择HL-TTN1型探针传感器，具有高耐腐蚀性，该传感器的工作原理是通过测量土壤中的介电常数判断
5、出土壤的实际含水量。温度传感器选用PT100系列传感器，该传感器的体积小、耐腐蚀且寿命长17。PT100传感器具有特定的双主线接口，实现信息发送和指令接收等双重功能，温度的测量区间在-50到+60之间。湿度传感器选用HRMIREL公司的HTS2230SMD设备，传感器响应时长小于30ms，测量精度更高。3、系统软件设计在基于PLC和物联网技术设计的自动化灌溉控制系统中，所有的系统运行子程序都是基于主程序设计完成的，全部子程序都在系统主程序的框架内完成，系统主程序设计如图4所示。图4基于PLC的节水控制主程序当主程序开始运行时，先将系统初始化并调整单片机和PLC控制模块的各项指令参数，按照农作物
6、的生长阶段和当地土壤墒情、温度和湿度调整控制系统的基本参数阈值范围，可以根据灌溉需求和实际情况调整选择手动模式和自动模式。观测蓄水池的水位情况，当低于警戒水位时系统自动预警，并开启电动蝶阀蓄水。布置在灌溉监控区域的水量检测传感器、温度传感器和湿度传感器将实时的环境情况和土壤墒情，通过物联网传递给PLC控制模块，最终形成准确的喷灌水量、喷水时间等灌溉控制决策指令，当灌溉结束后系统自动停止运行。系统软件程序在组网方面采用GPRS和Zigbee相结合的方式，借助物联网为灌溉系统数据传输提供稳定的支持。物联网开发环境采用IAR平台，适用于小型化嵌入式的计算机系统，IAR平台操作具有强大的代码移植功能，
7、可靠性更高。在通信协议方面选用通用性Zigbee2017协议，协议的体系分层架构和协议代码文件如表1所示。STC89C52RC型芯片的开发环境为KeiluV3，支持C+和JAVA语言。基于PLC的数据分析模块是系统的核心控制和处理单元。终端节点采集到的信息以电磁波的形式传递值PLC模块和微处理芯片后数据转换。以土壤含水量信息的采集为例，设i为数模转换后的第i个数值：表1物联网协议的体系分层架构对应表其中ai表示土壤含水量介电常数的墒情数据，bi表示土壤体积含水量的经验值。PLC控制系统采用基于数据流和状态帧的监控方式，将采集的土壤含水量数据、温度数据、湿度数据都统一地转换为电磁波数据。由于数据
8、采集和传输设备不同，土壤墒情数据和环境数据也存在差异，产生的数据包大小不同，各种墒情数据ki之间的自相关函数P(ki)表示为：4、系统性能测试为检测基于PLC和物联网技术的自动节水灌溉系统的实际应用性能，以1000m1500m矩形棉花种植基地为研究对象，总体的观测周期为12个月，各种传感器布置情况如图5所示。图5研究区域传感器分布4.1系统测试结果分析1）系统硬件测试项目具体包括系统单片机、PLC模块、电源管理模块及终端信息采集节点的功能是否正常，电源和电路系统是否存在短路的情况，系统故障灯是否常亮，电气元件的电路连接是否正确，水泵系统的功能是否正常，及电压是否存在异常。如果各个模块均通过测试
9、，证明系统进入待命状态。系统软件测试主要包括检测主控程序的工作流程和逻辑功能，各子程序的执行有效性。2）网络测试项目包括网络连接是否正常，网络协议的适用性及最优通信距离的选择是否合理。由于CC2591型芯片的有效传输距离是200600m，检测各距离区间段的数据收发情况，如表2所示。表2节水系统有效通信距离通信距离测试结果表明，CC2591型芯片在有效的通信距离内可以可实现100%成功率的信号发送和接收，因此系统测试的最大通信距离设计为600m。3）自动节水灌溉系统软硬件测试和有效通信距离测试完成后，选择10个时间点测试样本区域的土壤含水量、区域温度和湿度指标，并检验系统能否正常工作，系统的运行
10、测试情况如下（测试结果与真实结果差值小于1%视为正常）：表3自动灌溉系统运行结果分析正常异常经过对全部样本点数据的汇总观察，10个样本点的检测数据均通过测试。4.2系统功能测试基于PLC和物联网技术的自动节水系统功能测试，从系统响应时间、灌溉水量控制误差两个方面展开。首先对比不同有效通信距离条件下系统的响应时间与理论时间比较，对比结果如图6所示。图6系统响应时间比较在6个有效的距离测试点，基于PLC和物联网技术的自动节水系统响应时间都与理论时间相近，表明测试系统在响应时长方面表现良好。以表3中选定的10个样本点为例，分析在PLC控制系统下灌溉水量控制喷灌量与理论值之间的差异，结果如下。表4自动
11、灌溉系统控制误差结果分析如表4所示，10个样本点误差值均被控制在1%以内，表明基于PLC与物联网技术的控制系统具有良好的控制准确性。5、结束语由于水资源的短缺，节水性能已经成为评价农业灌溉系统优劣的重要标准之一。本文利用物联网技术和PLC自动控制模块，设计一种农作物自动化灌溉系统。通过系统性能测试实验结果可知，提出的自动化节水灌溉系统具有较强的实用性和节水性能，可以在水资源短缺和用水量较大的农作物种植地区陆续推广使用。参考文献：1巩师洋,王福平.基于STM32的农田节水灌溉系统的设计J.北方园艺,2017(1):200-203.2宋晓丹,周义仁.基于LoRa的智能灌溉监控系统在灌区中的应用J.
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