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摘要：针对传统的农业生产中，单纯依靠人工控制，造成水资源利用率大，农业生产率降低的问题，并结合第七次三菱大赛“创新”的主题，开发设计了植物生长智能管控系统，采用智能化多模式喷灌技术，通过三菱PLC各功能模块、变频器对整个系统进行控制和执行，综合多种传感器采集土壤温湿度，采用具有专家思想的分段控制算法和优化PID算法，以达到适时、按需精确灌溉的目的。系统采用触摸屏和上位机组态界面进行人机监控，细化不同农作物到各种模式下。真正实现无需人为看守，远程在线监控管理。在供水方面，系统采用压力变送器测取管道压力，通过优化的PID算法可使管道实现特定需要的恒压供水。该系统能达到变量喷洒、按需供水、及时供水，最大限度地减少水资源、电能以及人力的浪费。
关键词：智能控制；喷灌系统；节水节能；远程监控
1 引 言
随着全球水资源的紧缺，各国都在大力研制和发展节水系统，采用节水和节能的灌水方法是当今世界灌溉技术发展的总趋势。在国际形势中，发达国家如美国、以色列、荷兰、加拿大、澳大利亚等成功开发了一系列用途广泛、功能极强的灌溉控制器，较好的体现了现代化农业的特点，在以色列，30年来创造了农业用水新概念，已经出现了在家里利用电脑对灌溉过程进行全部控制（无线、有线）的农场主。再看国内形势，我国的节水灌溉面积尤其是高效节水灌溉面积都存在着巨大的发展空间和潜力，虽然我国有些地方已经开发了节水灌溉系统，目前，我国在节水和智能农业上的技术主要有地下滴灌技术、专家系统、智能农业系统和温室监控系统，但是这些技术还处于开发、试用阶段，而且也存在这很多弊端，还存在着灌溉技术落后，喷、微灌面积不足全国有效面积的5%，大水漫灌，水利用率低等缺陷。
本着“给作物浇水，而不是给土壤浇水”的理念，综合考虑我国地域广阔，各地气候环境差异较大[7]，各种农作物适宜的温湿度也不同，为了最大限度的节约水资源，以及对不必要的人力、物力，财力的浪费，开发设计了智能化节水节能喷灌系统，利于在中国农业生产中推广。
2 系统结构与模型
智能化节水节能控制系统总的结构模式为：土壤湿度传感器采集土壤湿度，湿度信号输入到FXON3A模块，PLC读取AD值，与设置的不同作物在不同生长时期的需水量比对，计算偏差。结合组态软件、触摸屏作为人机界面，根据不同作物设定不同模式、不同生长周期，对整个系统进行监控管理。同时为了防止由于系统维护造成的供水延误，我们采用了手动旁路装置，该装置在系统正常运行时关闭，在系统维护时手动打开。系统结构框图如图1。
3.系统功能模块
本系统采用三菱FX-2N系列PLC作为主控制器模块，利用FXON3A模块对采集的温湿度的模拟量进行数字量转换，传递给PLC，采用YL-69土壤湿度传感器作为湿度采集模块对农作物土壤的湿度进行采集。
1）主控制器模块 系统采用三菱FX-2N系列PLC作为主控制器，与各功能模块联系，实现对整个系统的数据的采集与分析，最后执行相应的控制。与触摸屏、组态软件进行通信，设置和检测各项参数，通过外接FXON3A模块，实时采集湿度，压力等参数。
2）FXON3A数模转换模块 FXON3A模块是一种A/D、D/A模块，该模块提供8位分辨率精度，配备2路模拟量输入（0-10V直流或者4-20mA交流）通道和1路模拟输出通道。FX2N系列PLC可与8个FXON3A模块相连。
3）温湿度采集模块 本系统选用YL-69土壤湿度传感器（见图3），通过信号放大和信号滤波，测量量程为0～90%，基本上在植物的需水范围，输出信号：0～2V（电压型），通过换算可以得到土壤的湿度，通过比对设定的需水参数，计算需水量。传感器输出信号接到FXON3A模块AD0通道。
4）监控管理模块 由于系统需要设定不同农作物的不同的模式，依据在不同模式下对采集来的湿度值进行监控，与适宜作物生长的设定湿度值进行对比，并把结果返回给主控制器，系统采用触摸屏对喷灌系统进行现场监控和亚控科技研发的组态王软件对系统进行总体监控管理。
4 设计思路与控制原理
植物生长智能管控系统采用专家分段控制和优化PID控制，主要实现对不同农作物的不同生长时期的湿度值进行实时监控，再根据在此时期的参考适宜湿度进行对比，将差值反馈给主控制器PLC，PLC通过算法处理数据，控制设备加大或者减少喷洒量。
1）PLC程序设计
系统初始化后判断用户是否对模式进行选择，然后判断是否对生长时期进行选择，然后判断选择分段控制模式还是PID控制模式，一系列判断为真后进行执行阶段程序。
2）控制原理
由于智能化节水节能喷灌系统是对农作物的土壤湿度以及外部环境进行采集监测，外界数据比较复杂，所以本系统采用优化后的PID控制和专家分段控制两种控制方式。
在喷灌系统对土壤湿度进行监控的情况，使用PID算法可以精确的与设定值进行比对，计算出偏差值，但是由于土壤湿度值范围比较复杂[9]，在偏差值比较大的情况下在利用传统的PID算法进行计算显然是不够明智的，而且有可能陷入局部极小值，
达不到偏差最小值，所以系统采用优化的PID算法来控制湿度值，系统设计的优化PID控制算法软件实现流程图如图2所示。
5 结 语
本文通过对传统的农业喷灌系统所产生的弊端进行改进，细化不同农作物的生长需要，开发设计了植物生长智能管控系统。该系统能够解决不同气候环境对农作物所造成影响，使用先进的控制技术，优化PID控制和专家分段控制，能够达到变量喷洒，按需喷洒，最大限度的节约水资源，在监控系统方面划分了三种模式并且细化到各种常见植物的模式，并且可以由用户自由设定农作物的需水量，智能全自动控制，无需浪费人力资源。利用自制的喷灌系统模型，演示了所设计的系统的可行性，同时该系统由PLC主控，配置有现场总线接口，根据作物种植面积可灵活扩展，以节约系统成本。该系统在实际开发推广中还有待于进一步的完善。
参考文献（References）：
[1]张乐园 张小娜.喷灌技术浅析[C].技术与应用，2011.08-0042-02.（Zhang Leyuan，Zhang Xiaona.Analysis of Sprinkler technique[C].technology and application，2011.08-0042-02.）
[2]何伟才.地下滴灌技术及应用[J].科技創新与应用，2012（1）：56-58.（He Weicai.The technology and Application of subsurface drip irrigation[J].Technological innovation and application，2012（1）：56-58.）
关键词：智能控制；喷灌系统；节水节能；远程监控
1 引 言
随着全球水资源的紧缺，各国都在大力研制和发展节水系统，采用节水和节能的灌水方法是当今世界灌溉技术发展的总趋势。在国际形势中，发达国家如美国、以色列、荷兰、加拿大、澳大利亚等成功开发了一系列用途广泛、功能极强的灌溉控制器，较好的体现了现代化农业的特点，在以色列，30年来创造了农业用水新概念，已经出现了在家里利用电脑对灌溉过程进行全部控制（无线、有线）的农场主。再看国内形势，我国的节水灌溉面积尤其是高效节水灌溉面积都存在着巨大的发展空间和潜力，虽然我国有些地方已经开发了节水灌溉系统，目前，我国在节水和智能农业上的技术主要有地下滴灌技术、专家系统、智能农业系统和温室监控系统，但是这些技术还处于开发、试用阶段，而且也存在这很多弊端，还存在着灌溉技术落后，喷、微灌面积不足全国有效面积的5%，大水漫灌，水利用率低等缺陷。
本着“给作物浇水，而不是给土壤浇水”的理念，综合考虑我国地域广阔，各地气候环境差异较大[7]，各种农作物适宜的温湿度也不同，为了最大限度的节约水资源，以及对不必要的人力、物力，财力的浪费，开发设计了智能化节水节能喷灌系统，利于在中国农业生产中推广。
2 系统结构与模型
智能化节水节能控制系统总的结构模式为：土壤湿度传感器采集土壤湿度，湿度信号输入到FXON3A模块，PLC读取AD值，与设置的不同作物在不同生长时期的需水量比对，计算偏差。结合组态软件、触摸屏作为人机界面，根据不同作物设定不同模式、不同生长周期，对整个系统进行监控管理。同时为了防止由于系统维护造成的供水延误，我们采用了手动旁路装置，该装置在系统正常运行时关闭，在系统维护时手动打开。系统结构框图如图1。
3.系统功能模块
本系统采用三菱FX-2N系列PLC作为主控制器模块，利用FXON3A模块对采集的温湿度的模拟量进行数字量转换，传递给PLC，采用YL-69土壤湿度传感器作为湿度采集模块对农作物土壤的湿度进行采集。
1）主控制器模块 系统采用三菱FX-2N系列PLC作为主控制器，与各功能模块联系，实现对整个系统的数据的采集与分析，最后执行相应的控制。与触摸屏、组态软件进行通信，设置和检测各项参数，通过外接FXON3A模块，实时采集湿度，压力等参数。
2）FXON3A数模转换模块 FXON3A模块是一种A/D、D/A模块，该模块提供8位分辨率精度，配备2路模拟量输入（0-10V直流或者4-20mA交流）通道和1路模拟输出通道。FX2N系列PLC可与8个FXON3A模块相连。
3）温湿度采集模块 本系统选用YL-69土壤湿度传感器（见图3），通过信号放大和信号滤波，测量量程为0～90%，基本上在植物的需水范围，输出信号：0～2V（电压型），通过换算可以得到土壤的湿度，通过比对设定的需水参数，计算需水量。传感器输出信号接到FXON3A模块AD0通道。
4）监控管理模块 由于系统需要设定不同农作物的不同的模式，依据在不同模式下对采集来的湿度值进行监控，与适宜作物生长的设定湿度值进行对比，并把结果返回给主控制器，系统采用触摸屏对喷灌系统进行现场监控和亚控科技研发的组态王软件对系统进行总体监控管理。
4 设计思路与控制原理
植物生长智能管控系统采用专家分段控制和优化PID控制，主要实现对不同农作物的不同生长时期的湿度值进行实时监控，再根据在此时期的参考适宜湿度进行对比，将差值反馈给主控制器PLC，PLC通过算法处理数据，控制设备加大或者减少喷洒量。
1）PLC程序设计
系统初始化后判断用户是否对模式进行选择，然后判断是否对生长时期进行选择，然后判断选择分段控制模式还是PID控制模式，一系列判断为真后进行执行阶段程序。
2）控制原理
由于智能化节水节能喷灌系统是对农作物的土壤湿度以及外部环境进行采集监测，外界数据比较复杂，所以本系统采用优化后的PID控制和专家分段控制两种控制方式。
在喷灌系统对土壤湿度进行监控的情况，使用PID算法可以精确的与设定值进行比对，计算出偏差值，但是由于土壤湿度值范围比较复杂[9]，在偏差值比较大的情况下在利用传统的PID算法进行计算显然是不够明智的，而且有可能陷入局部极小值，
达不到偏差最小值，所以系统采用优化的PID算法来控制湿度值，系统设计的优化PID控制算法软件实现流程图如图2所示。
5 结 语
本文通过对传统的农业喷灌系统所产生的弊端进行改进，细化不同农作物的生长需要，开发设计了植物生长智能管控系统。该系统能够解决不同气候环境对农作物所造成影响，使用先进的控制技术，优化PID控制和专家分段控制，能够达到变量喷洒，按需喷洒，最大限度的节约水资源，在监控系统方面划分了三种模式并且细化到各种常见植物的模式，并且可以由用户自由设定农作物的需水量，智能全自动控制，无需浪费人力资源。利用自制的喷灌系统模型，演示了所设计的系统的可行性，同时该系统由PLC主控，配置有现场总线接口，根据作物种植面积可灵活扩展，以节约系统成本。该系统在实际开发推广中还有待于进一步的完善。
参考文献（References）：
[1]张乐园 张小娜.喷灌技术浅析[C].技术与应用，2011.08-0042-02.（Zhang Leyuan，Zhang Xiaona.Analysis of Sprinkler technique[C].technology and application，2011.08-0042-02.）
[2]何伟才.地下滴灌技术及应用[J].科技創新与应用，2012（1）：56-58.（He Weicai.The technology and Application of subsurface drip irrigation[J].Technological innovation and application，2012（1）：56-58.）