周艷梅

（菏澤市東明縣水務(wù)局，山東 菏澤 274500）

0 引言

農(nóng)業(yè)領(lǐng)域一直是我國(guó)用水大戶(hù)，其耗水量占全國(guó)總耗水量80%以上。我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉用水利用率一直低于50%，在發(fā)達(dá)國(guó)家，農(nóng)業(yè)灌溉用水利用率已達(dá)到70%～80%，提升灌溉用水的利用率是一個(gè)重要問(wèn)題。此外，提高灌溉用水的利用率可以有效緩解水資源緊缺，是節(jié)約用水的重要環(huán)節(jié)。

影響提升農(nóng)業(yè)灌溉用水利用率的主要問(wèn)題集中在我國(guó)的農(nóng)田類(lèi)型眾多，分布范圍廣泛，作物的用水量也不同，傳統(tǒng)的灌溉方式造成水資源浪費(fèi)。劉紅霞[1]提出基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)田環(huán)境的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以此為依據(jù)制定灌溉計(jì)劃，進(jìn)而提升水利用率，但此方式耗費(fèi)人工，監(jiān)測(cè)成本巨大。胡長(zhǎng)增等[2]提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與模糊PID 技術(shù)結(jié)合的智能化灌溉系統(tǒng)，配備無(wú)線傳感器，利用手機(jī)APP 來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤數(shù)據(jù)和環(huán)境信息，針對(duì)不同的情況選擇不同的灌溉方案，以此實(shí)現(xiàn)水資源的節(jié)約，但此方式只能針對(duì)一種作物，若改變農(nóng)作物種類(lèi)，需要添加新的灌溉方案，流程煩瑣。

以可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）為代表的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和自動(dòng)化控制技術(shù)取得了飛速的進(jìn)步，使農(nóng)業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)可以順利實(shí)施。綜上所述，為解決以上問(wèn)題，本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC 的農(nóng)田智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 硬件設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC 的農(nóng)田智能節(jié)水施灌系統(tǒng)硬件由中央處理器、PLC 模塊、射頻信號(hào)傳感器、土壤傳感器、溫度傳感器組成?；谖锫?lián)網(wǎng)和PLC 的農(nóng)田智能節(jié)水施灌系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of system hardware

系統(tǒng)硬件中，PLC 模塊負(fù)責(zé)控制節(jié)水灌溉，采用物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。中央處理器的芯片電路全部選用了STC89C52RC 型單片機(jī)，將PLC 模塊設(shè)計(jì)為智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的控制中心[3-5]。中央處理器和PLC 模塊都是智能節(jié)水施灌系統(tǒng)的控制核心單元，能夠有效地提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，降低功耗[6]。

1.1 PLC 模塊

PLC 控制模塊為具有通信功能的RS-8328PLC 模塊，輸入電流10 mA，輸出電流20 mA。采集完成后，由中央處理器將數(shù)據(jù)傳輸至PLC 模塊，而PLC 模塊在接收數(shù)據(jù)后就會(huì)產(chǎn)生控制指令，完成對(duì)農(nóng)作物的自動(dòng)灌溉。

1.2 射頻信號(hào)傳感器

采用CC2591 型射頻信號(hào)傳感器，其示意圖與電路圖分別如圖2、圖3 所示。

圖2 射頻信號(hào)傳感器示意Fig.2 Schematic diagram of RF signal sensor

圖3 射頻信號(hào)傳感器電路Fig.3 RF signal sensor circuit

相比于傳統(tǒng)傳感器，該傳感器的輸出功率與靈敏度上有極大提升，更適合在大面積的農(nóng)田進(jìn)行模塊信號(hào)的傳輸。單片機(jī)中央處理器系統(tǒng)通過(guò)射頻信號(hào)傳感器與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物溫度、濕度及水量的精準(zhǔn)識(shí)別[7-9]。后臺(tái)工作人員也可借助此系統(tǒng)進(jìn)行控制。

1.3 土壤傳感器

選擇HL-TTN1 型土壤傳感器檢測(cè)土壤的含水量，該裝置具有高抗腐蝕性、體積小、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，通過(guò)監(jiān)測(cè)土壤中的介電常數(shù)來(lái)判斷土壤中的實(shí)際含水量。土壤含水量是智能節(jié)水的重要指標(biāo)，高精度的土壤傳感器可以更精準(zhǔn)地測(cè)量土壤含水量，為中央處理器與PLC 模塊提供精確度更高的數(shù)據(jù)信息[10-12]。

1.4 溫度傳感器

選用PT100 型溫度傳感器，其耐腐蝕，適合長(zhǎng)時(shí)間使用；具有兩個(gè)主線接口，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的發(fā)送與接收；溫度的測(cè)量范圍在-50～60 °C。

2 軟件設(shè)計(jì)

利用物聯(lián)網(wǎng)把需要灌溉的土地網(wǎng)格化，然后根據(jù)傳感器測(cè)試土壤含水量、空氣溫度等環(huán)境參數(shù)，設(shè)置節(jié)水灌溉程序[13-14]。

2.1 GPRS 物聯(lián)網(wǎng)格坐標(biāo)定位

通過(guò)GPRS 物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)格坐標(biāo)定位，利用PLC控制器為軟件提供強(qiáng)大的支撐平臺(tái)，擴(kuò)充系統(tǒng)內(nèi)存，通過(guò)自主支持產(chǎn)權(quán)監(jiān)理TCP/IP 協(xié)議，GPRS 物聯(lián)網(wǎng)格坐標(biāo)定位流程如圖4 所示。

圖4 GPRS 物聯(lián)網(wǎng)格坐標(biāo)定位流程Fig.4 GPRS internet of things grid coordinate positioning flow

在智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)中，子程序圍繞主程序運(yùn)行。通過(guò)GPRS 與Zigbee 結(jié)合進(jìn)行無(wú)線傳輸，展示GPRS物聯(lián)網(wǎng)格坐標(biāo)定位結(jié)果。通過(guò)各類(lèi)傳感器收集土壤及環(huán)境信息，根據(jù)數(shù)值來(lái)判斷土壤和農(nóng)作物需求，進(jìn)而制定灌溉方案。

采用GPRS 與Zigbee 軟件系統(tǒng)結(jié)合的模式，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)保證灌溉數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸。GPRS 利用GSM 中未被使用的信號(hào)通道，提供快速數(shù)據(jù)傳輸。GPRS 通過(guò)GSM 網(wǎng)鏈接中央控制器，分析數(shù)據(jù)關(guān)系，運(yùn)行主程序。

通過(guò)GPRS 進(jìn)行無(wú)線通信數(shù)據(jù)采集，這種方式非常適用于農(nóng)田間的信息傳輸，與RTU 控制單元混合使用，實(shí)現(xiàn)水泵與閥門(mén)的遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制，并可采集濕度、溫度、蓄水池水位、電壓電流等數(shù)據(jù)，同時(shí)確保GPRS 物聯(lián)網(wǎng)格坐標(biāo)定位的精準(zhǔn)性。

2.2 基于Zigbee 協(xié)同開(kāi)關(guān)的節(jié)水灌溉程序

物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)環(huán)境平臺(tái)為IAR 平臺(tái)，通過(guò)PC 上位機(jī)的農(nóng)田智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)管理軟件設(shè)置Zigbee 協(xié)同開(kāi)關(guān)。中央處理器芯片的研發(fā)環(huán)境為KeliviV3，將收集到的信號(hào)以脈沖形式傳給中央處理器，中央處理器將信號(hào)轉(zhuǎn)化后再傳遞給PLC 模塊。以田間的土地水分?jǐn)?shù)據(jù)信息為例說(shuō)明程序運(yùn)行過(guò)程，設(shè)x是轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)。

工作人員可以通過(guò)上位機(jī)發(fā)出控制指令，保證系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行。

利用GPRS 網(wǎng)絡(luò)對(duì)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，通過(guò)基站進(jìn)行數(shù)據(jù)分組和信息交換，將控制器和PC 機(jī)連接到一起，采集各項(xiàng)信息，完成數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)行系統(tǒng)決策，實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉[15]。

3 試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC 的農(nóng)田智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果，進(jìn)行了性能測(cè)試。選用2 000 m×2 000 m 的農(nóng)田作為研究對(duì)象，研究周期設(shè)定為12 個(gè)月，分別檢測(cè)土壤含水量計(jì)算和遠(yuǎn)程網(wǎng)格節(jié)水控制準(zhǔn)確度，如圖5 所示。

圖5 試驗(yàn)示意Fig.5 Schematic diagram of experiment

3.1 土壤含水量

在不影響農(nóng)作物正常生長(zhǎng)的前提下進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)條件：2 個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和1 個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，不同節(jié)點(diǎn)之間距離為30 m；將溫度傳感器安裝在農(nóng)作物土壤表皮下，試驗(yàn)檢測(cè)時(shí)間為30 min；土壤含水量的標(biāo)準(zhǔn)值設(shè)定為40%。兩個(gè)不同節(jié)點(diǎn)土壤含水量的變化值如表1 所示。

表1 土壤含水量測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results of soil moisture

當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行30 min 后，節(jié)點(diǎn)1 的含水量為38.7%，節(jié)點(diǎn)2 的含水量為39.6%，與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值40%相對(duì)比，節(jié)點(diǎn)的計(jì)算誤差在2%以?xún)?nèi)，能夠很好地達(dá)到目標(biāo)值。由此可見(jiàn)，設(shè)計(jì)的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)能夠很好地利用物聯(lián)網(wǎng)和PLC 對(duì)土壤濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而有效減少灌溉過(guò)程的水分浪費(fèi)，確保農(nóng)作物在生長(zhǎng)過(guò)程中得到所需用水。

3.2 遠(yuǎn)程網(wǎng)格節(jié)水控制準(zhǔn)確度

分析系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的遠(yuǎn)程網(wǎng)格節(jié)水控制準(zhǔn)確度，進(jìn)而判定系統(tǒng)應(yīng)用效果。

設(shè)定樣本點(diǎn)有15 個(gè)，理論值和誤差值之間的差異如表2 所示。

表2 遠(yuǎn)程網(wǎng)格節(jié)水控制準(zhǔn)確度試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental results of remote grid water-saving control accuracy

由表2 可知，通過(guò)對(duì)15 個(gè)不同的樣本點(diǎn)檢測(cè)進(jìn)行分析后，可以確定所有誤差值＜2%，不同灌溉量，誤差值依舊很低?？梢?jiàn)，設(shè)計(jì)的農(nóng)田智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)控制準(zhǔn)確度能夠達(dá)到98%以上，具有較好的控制準(zhǔn)確性。

3.3 網(wǎng)格定位精準(zhǔn)度

選用本文設(shè)計(jì)的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)與傳統(tǒng)的基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室智能化灌溉系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，分析3 種系統(tǒng)的網(wǎng)格定位精準(zhǔn)度，試驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。

圖6 網(wǎng)格定位精準(zhǔn)度Fig.6 Grid positioning accuracy

與傳統(tǒng)的基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室智能化灌溉系統(tǒng)相比，本文設(shè)計(jì)的農(nóng)田智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)網(wǎng)格擬合程度更好，能夠精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格定位，具有更強(qiáng)的灌溉能力。

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠很好地融合物聯(lián)網(wǎng)和PLC 技術(shù)，通過(guò)農(nóng)田定點(diǎn)采集、農(nóng)田信息分析、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ芡瓿蛇h(yuǎn)程控制?？刂葡到y(tǒng)能夠很好地降低通信能耗，節(jié)省工作過(guò)程消耗的能源，將土壤因子結(jié)合起來(lái)，分析環(huán)境參數(shù)，按需供水實(shí)現(xiàn)控制，在解決環(huán)境復(fù)雜因素后，進(jìn)行信息控制，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，系統(tǒng)內(nèi)部的抗干擾技術(shù)能夠很好地保證系統(tǒng)順利傳輸信號(hào)，提高控制精準(zhǔn)度。與傳統(tǒng)的灌溉系統(tǒng)相比，本文設(shè)計(jì)的灌溉系統(tǒng)技術(shù)更加先進(jìn)、灌溉能力更強(qiáng)，能夠很好地保證農(nóng)作物在生長(zhǎng)過(guò)程中得到足夠的營(yíng)養(yǎng)，對(duì)于農(nóng)作物生產(chǎn)有很大的幫助。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)和PLC 的農(nóng)田智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)解決了傳統(tǒng)灌溉方式煩瑣、速度慢、系統(tǒng)反應(yīng)不及時(shí)等問(wèn)題。

（1）硬件部分由含有STC89C52RC 型單片機(jī)芯片的中央處理器、RS-8328 型PLC 模塊、CC2591 型射頻信號(hào)傳感器、HL-TTN1 土壤針傳感器、PT100 型溫度傳感器組成，能夠有效提升硬件運(yùn)行速度，流暢完成系統(tǒng)任務(wù)。

（2）軟件部分由GPRS 與Zigbee 通信技術(shù)結(jié)合的方式完成數(shù)據(jù)的傳輸與監(jiān)測(cè)，通過(guò)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)IAR 平臺(tái)來(lái)構(gòu)成操作系統(tǒng)，通過(guò)系統(tǒng)仿真與測(cè)試完成數(shù)據(jù)計(jì)算與判斷。設(shè)計(jì)PC 上位機(jī)構(gòu)成農(nóng)田智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)管理軟件。

相比于傳統(tǒng)方式，農(nóng)田智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)運(yùn)行速度更快，運(yùn)行效率更高，水的利用率更高，有效解決了傳統(tǒng)灌溉方式的不足。