区域农田墒情监测和抗旱系统设计

庞党锋+卢胜利+杨伟龙

摘要：为了提高农业生产灌溉自动化程度和节约水资源，结合干旱半干旱地区土壤的特点，设计了基于PLC和GPRS的农田墒情监测和抗旱系统。系统由上位机WinCC组态软件通过GPRS无线网络和PLC通信，对土壤墒情和灌溉水泵进行远端监控，组成了区域农田墒情的监测和抗旱SCADA系统。系统结构简单，通信速度快、运行稳定，具有一定实用性和推广价值。

关键词：农田墒情;GPRS;抗旱;SCADA

中图分类号：S162.4        文献标识码：A        文章编号：0439-8114（2014）12-2918-05

Design of Soil Moisture Monitoring and Drought System of Farmland

PANG Dang-feng1a，LU Sheng-li1b，2，YANG Wei-long3

（1a.Engineering Training Center; 1b.School of Mechatronics Engineering， Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China;2.Tianjin Engineering Center for Field Bus Control Technology，Tianjin 300222，China;

3.School of Engineering ，China Agricultural University， Beijing 100083，China）

Abstract： In order to improve the automation of agricultural irrigation and save water resources， combining with the characteristics of soil in arid and semi-arid areas， this paper designed a soil moisture monitoring and farmland drought system based on PLC and GPRS technology. The system can achieve remote monitoring of the soil moisture and irrigation pumps by WinCC configuration software with the help of GPRS wireless network and PLC communication， and can form a farmland soil moisture monitoring and drought-resistant SCADA system in an area. The system has a simple structure， fast communication， runs stably， has certain practicability and commercial worth.

Key words： farmland soil moisture content; GPRS; combat drought; SCADA

干旱半干旱地区是中国旱作农业的主产区，地理位置为经度73°E-123°E，纬度32°N-50°N，包括内蒙古自治区、新疆维吾尔自治区、宁夏回族自治区和甘肃省北部等，年降水量不到300 mm，年蒸发量超过年降水量约1 000 mm以上。干旱半干旱区域是旱作农产品小麦、玉米、高粱的主产区，为中国粮食安全提供了有力的保障，但水资源缺失已成为制约该区域农业发展的主要因素。

基于可编程逻辑控制器PLC和通用分组无线服务技术GPRS设计了农田墒情监测和抗旱系统，该系统实现了对区域农田墒情数据的远端实时监测和分析，为水资源管理、节水灌溉提供了准确信息;同时远端控制器PLC可以快速响应监控中心PC发出的执行命令，调节水泵进行灌溉，对水资源的节约和主动抗旱都具有重要意义。

1  系统结构的设计

1.1  系统控制特征和要求

区域农田墒情监测系统通过中央控制计算机和GPRS网络实现了中央控制PC端与远端土壤墒情采集器和抗旱执行器的通讯。整个监控系统由中央数据管理中心和监测终端两大部分组成。该系统的最大特点就是远端的数据采集和控制设备数量多而且分布比较广泛，需要传输的数据比较繁多，对数据通信的安全性和可靠性要求较高。监测系统需要将土壤墒情数据一并采集，然后通过无线GPRS网络传送给中央控制计算机，中央控制统一管理远端PLC，调控水泵运行。整个监控系统的网络结构清晰、信息交互流畅，数据管理方便，系统硬件稳定性和可靠性高，可长时间无故障运行。

1.2  系统网络结构

根据农田墒情的监测要求和仪器设备物理分布情况，系统主要由中央控制站和远端监控站组成。系统以上位机PC和可编程控制器PLC为核心，综合GPRS通用无线分布网络技术，远端监测设备将检测到土壤墒情信息传送给各站点控制器PLC，再通过GPRS/GSM调制解调器SINAUT MD720-3发送到通用无线GPRS网络上[1]。墒情信号经过GPRS网络将数据发送到以太网Internet上，以太网Internet通过防火墙的设备连接到中央控制指挥中心的工业以太局域网，这时监控中心站的PC机端通过SINAUT MICRO SC和WinCC管理软件就可以监测到远端的实时数据，系统根据设定的墒情正常参数阈值自动启动远端水泵进行灌溉。系统集合了数据自动采集、远端控制、无线网络通信、数据存储与集中处理等先进技术，为农田墒情的监测和主动抗旱控制提供了一个自动化、可视化的技术支持，系统网络结构如图1所示。endprint

1.3  系统硬件设计

系统远端控制器是西门子S7-200 PLC，型号为CPU226CN，控制器PLC 有2个RS485通信接口，2个接口都具有自由方式通信、MPI通信和PPI通信协议的能力。在系统设计中PLC PORT0端口连接远端传感器和抗旱执行器，PORT1连接GPRS通信模块SINAUT MD720-3。调制解调器MD720-3与S7-200PLC采用RS485总线进行通信，配置专用的天线组成。SINAUT MD720-3里插入已经开通GPRS服务功能的SIM卡，且必须知道SIM卡的PIN码，连接PLC与调制解调器的PC/PPI通讯电缆的拨码开关设置为11100110，即拨码开关1、2、3、6、7拨到ON位置，4、5、8拨到OFF位置，调制解调器MD720-3工作模式选择OPC模式，通过配置S7-200PLC的程序模块，完成OPC服务器SINAUT MICRO SC与S7-200PLC之间自动连接[2，3]。

2  通信网络和软件设计

区域农田墒情监测和抗旱SCADA系统数据传送的路径为土壤湿度传感器将采集的数据传送给S7-200PLC处理，通过调制解调器SINAUT MD720-3发送给GPRS网络，GPRS DTU的配置只需预先完成设定监控中心的IP地址或域名、通信端口等必要参数，当系统上电后调制解调器就能自动连接GPRS网络，建立数据通信链路。接收数据的上位机PC需要安装SIMATIC STEP 7 Micro/WIN SP7编程软件、WinCC7.0组态软件和SINAUT MICRO SC。连接PC到Internet，本系统通过ADSL拨号上网获得一个公网的固定IP地址，拨号成功后会在电脑右下角添加一个网络连接图标，双击此图标可以看到连接到公网的固定IP信息，这个IP地址需要在S7-200PLC编程时使用，作为工程系统来用，一般申请为固定IP地址，这样PLC下载程序的地址就不需重复设定[4，5]。转发给数据采集点，并且将数据采集点反馈回的数据送到GPRS网络上，然后再通过公用Internet传送给中央监控中心，监控中心根据预设的时间间隔向GPRS DTU发送数据读取命令和实时发送控制命令。

2.1  通信网络的设置

系统监控中心的终端控制器S7-200PLC的编程采用结构化编程的思想，各功能模块程序划分为独立的子程序，结构化编程和子程序的应用使整个系统的程序结构清晰，程序可读性与可移植性增强，也为系统的升级提供方便。系统程序主要分为数据采集、滤波处理、数据分析、通信、控制命令等程序模块。

2.2  软件程序设计

编写S7-200PLC程序时，需要在SIMATIC STEP 7 Micro/WIN SP7编程软件中添加文件名为“sinautmicrosc.mwl”的GPRS通信库程序。库存储区所用的地址为VB0-VB656，在程序编写时应避开此存储区间，应用GPRS的通讯，WDC_INIT、WDC_SEND、WDC_RECEIVE、WDC_CONTROL这4个功能块必须在主程序中调用，且使能条件为每个扫描周期都调用，使用SM0.0指令调用块函数[6，7]。编写完程序并下载到PLC后重启PLC，此时控制器西门子S7-200PLC的程序会对MD720-3的Modem进行初始化，验证传送到Modem上的SIM卡参数，最后完成Modem与GSM网络的连接，终端主程序流程如图2。

2.3  采集数据处理原则

理论上随机干扰而引起的测量误差应遵循正态分布的规律，绝大部分的采样值应分布在正态曲线最高点的两侧，即数学期望值μ的两侧，σ为正态分布的标准差。系统数据的采集根据“3σ准侧”，落在（μ-3σ，μ+3σ）区间的数据概率约为0.997 4，处在该区间之外的数据可以认为是异常干扰值，应舍去。再求余下数据的均值，结果将更接近于真实值。

消峰均值滤波法基于“3σ准则”而衍生，将落在（μ-3σ，μ+3σ）区间之外的数值作为异常值予以舍去，余下的采样值进行算术平均运算，其结果就作为此次采样的滤波值。单个传感器节点设定的采样时间间隔依据采样精度而确定，为了提高数据的及时更新速度，本系统采样刷新的时间间隔为10 min，每采样一次，都要取n个采样值（1个当前值，n-1个历史值）来计算滤波值，每采样一次，采样值就向前平移一次，为下次求滤波值准备。根据数理统计原理，若设采样值为R，则采样值的数学期望μ和均方差σ利用公式（1）、公式（2）、公式（3）进行计算。

μ=■（R1+R2+…+Rn）=■■Ri          （1）

σ2 =■[（R1-μ）2]+（R2-μ）2+…+（Rn-μ）2   （2）

由公式（1）、（2）得到公式（3），即为农田墒情监测和抗旱系统的采样区间。

（μ-3σ，μ+3σ）=

（■■Ri-3■，■■Ri+

3■）     （3）

2.4  土壤湿度数据的采集

准确地对监测区域农田土壤湿度数据进行采集和处理是农田墒情监测和抗旱系统的重要环节，对干旱预测和抗旱反应都具有重要意义。由于土壤的水分含量具有十分明显的空间和时间的变异性，且模拟数据采集过程中，会因为瞬时波动而产生较大干扰，若某一瞬时受到强烈的干扰，就会出现一个尖峰异常信号，如果仅用瞬时采样值进行控制计算，其结果会使采集到的数据产生较大偏差，这样的数据采集不科学。为了得到精确的土壤湿度参数，该系统采用了区域多节点传感器网络，数据的处理过程中采用消峰均值滤波法，兼顾了同一传感器不同时刻数据的变异和同一区域不同传感器数据的差异。该系统在每10 000 m2采用10个无线网络化传感器节点，数据每隔10 min刷新1次。图3为传感器S5某一时间段的数据曲线，图4为某时刻传感器S1～S10的数据。endprint

图3是随机选取传感器节点S5进行数据监控而得到的数据，纵坐标为土壤湿度R，横坐标为时间tn，且tn-tn-1=10 min， 在连续100 min中采集到的数据如表1所示，根据数据采集准则，容易的得出t4和t8时刻传感器S5采集的数据R4=0.621和R8=0.375数据为异常值，可编程控制器PLC在数据处理过程中应将其作为干扰值舍去。

表2是同一时刻对10个传感器节点同时进行采集，获取得到的数据，同样根据3σ数据采集准则，传感器节点S5和S9采集到的数据R5=0.322和R9=0.712亦为异常数据，在数据处理过程中应当将这两个传感器节点的数据作为干扰值滤掉。

3  上位机监控系统的设计

3.1  上位机组态设置

本系统中上位机使用西门子公司开发的SIMATIC WinCC组态软件，该软件由强大的工程浏览器、管理器和运行系统组成，是一种应用广泛的工业监控软件。上位机的监控系统通过串口技术实现了组态软件与GPRS数据之间的网络通信，通用无线分组GPRS技术具有较强的覆盖领域，为实现组态软件与GPRS DTU产品在区域农田墒情监测和抗旱SCADA系统提供保障，实现了集散化的远程控制。

通过在SIMATIC WinCC组态软件中添加OPC驱动程序，编辑网络节点运行的OPC服务主机或者IP地址信息，包括了远程站名、地址类型、地址编号及长度信息等。在上位机安装的SINAUT MICRO SC通信软件进入相应OPC服务器项目下，实现组态软件WinCC中的变量与PLC采集到的数据之间的连接[7-12]。

3.2  组态WinCC画面设计

组态软件是SIMATIC WinCC 7.0，SIMATIC WinCC是基于WINDOWS操作系统兼容以太网Internet的人机界面系统[13]，WinCC采用的是面向对象编程技术，提供多种画面、具有丰富的元件库和友好的交互界面，系统WinCC监控画面如图5所示。

通信模块通过OPC建立连接实现数据的实时收发，远程监控终端将采集到的数据经过程序处理后经过GPRS发送给系统控制中心并存储入SQL Server 2005数据库服务器中，数据库功能实现了数据的记录、归档功能。在WinCC监控画面中可以显示区域内土壤墒情的数据曲线，以及水泵站点的运行状态信息等[14，15]，图5画面中1#、3#和5#水泵为绿色，表示这些水泵处于灌溉运行状态，2#和4#水泵处于停止状态，同时也可在SIMATIC WinCC组态软件上实现对远程终端的设备的手动模式操作控制，显示操作日志和实现报表输出等功能。

4  小结

设计了基于西门子S7-200 PLC和GPRS的农田墒情监测和抗旱系统，以SIMATIC WinCC组态软件为上位机监控系统，通过在中国杨凌农业高新技术示范区10 000 m2的半干旱区域农田试验应用。结果表明，该系统成功实现了土壤墒情数据的远程监测，GPRS通讯可靠、运行稳定，同时实现了主动抗旱的快速响应，节约水资源效果明显，形成了在干旱半干旱区域农田墒情监测和抗旱的SCADA系统，该系统对农田墒情数据远距离网络化监测和主动抗旱具有较大的应用价值和社会效益。

参考文献：

[1] 姚舟华，魏新华，左志宇，等.自动灌溉施肥机工作状态监测系统[J].农业机械学报，2012，43（12）：44-47.

[2] 高丙朋，南新元，魏  霞.GPRS技术在节水灌溉自动控制系统中的应用[J].中国农村水利水电，2012（2）：26-29.

[3] 韩安太，何  勇，陈志强，等.基于无线传感器网络的茶园分布式灌溉控制系统[J].农业机械学报，2011，42（9）：173-180.

[4] 田  海，李雅妮，肖  鹏.基于PLC和GPRS技术的交通信号灯远程监控系统[J].电气传动，2012（12）：61-65.

[5] 庞党锋，王东涛，闫虎民，等.基于单片机与PLC的农业大棚温湿度控制系统设计[J].湖北农业科学，2013，52（1）：448-450.

[6] 王善斌.组态软件应用指南—组态王Kingview和西门子WinCC[M].北京：化学工业出版社，2011.

[7] 崔  坚.西门子工业网络通讯指南[M].北京：机械工业出版社，2006.

[8] 李江全.西门子S7-200PLC数据通信及测控应用[M].北京：电子工业出版社，2011.

[9] 廖常初.S7-300/400 PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2011.

[10] GIELING T H， JANSSEN  H J J， SUURMOND M， et al. Identification and simulated control of greenhouse closed water supply systems[J].Computers and Electronics in Agriculture， 2000，26（3）：361-374.

[11] LECINA S， MARTUBEA-COB A ，PEREZ P J， et al. Fixed versus variable bulk canopy resistance for reference evapotranspiration estimation using the Penman-Monteith equation under semi-arid condition[J]. Agricultural and Water Management，2003，60（3）：181-198.

[12] SALKINTZIS A K， NIE H， MATHIOPOULOS P T. ADC and DSP challenges in the development of software radio base stallions[J].IEEE Personal Communication，1999（4）：47-55.

[13] HOFFMANN W C， BAGLEY W E， FRITZ B K，et al. Effects of water hardness on spray droplet size under aerial application conditions[J].Applied Engineering in Agriculture， 2008，24（1）：11-14.endprint

图3是随机选取传感器节点S5进行数据监控而得到的数据，纵坐标为土壤湿度R，横坐标为时间tn，且tn-tn-1=10 min， 在连续100 min中采集到的数据如表1所示，根据数据采集准则，容易的得出t4和t8时刻传感器S5采集的数据R4=0.621和R8=0.375数据为异常值，可编程控制器PLC在数据处理过程中应将其作为干扰值舍去。

表2是同一时刻对10个传感器节点同时进行采集，获取得到的数据，同样根据3σ数据采集准则，传感器节点S5和S9采集到的数据R5=0.322和R9=0.712亦为异常数据，在数据处理过程中应当将这两个传感器节点的数据作为干扰值滤掉。

3  上位机监控系统的设计

3.1  上位机组态设置

本系统中上位机使用西门子公司开发的SIMATIC WinCC组态软件，该软件由强大的工程浏览器、管理器和运行系统组成，是一种应用广泛的工业监控软件。上位机的监控系统通过串口技术实现了组态软件与GPRS数据之间的网络通信，通用无线分组GPRS技术具有较强的覆盖领域，为实现组态软件与GPRS DTU产品在区域农田墒情监测和抗旱SCADA系统提供保障，实现了集散化的远程控制。

通过在SIMATIC WinCC组态软件中添加OPC驱动程序，编辑网络节点运行的OPC服务主机或者IP地址信息，包括了远程站名、地址类型、地址编号及长度信息等。在上位机安装的SINAUT MICRO SC通信软件进入相应OPC服务器项目下，实现组态软件WinCC中的变量与PLC采集到的数据之间的连接[7-12]。

3.2  组态WinCC画面设计

组态软件是SIMATIC WinCC 7.0，SIMATIC WinCC是基于WINDOWS操作系统兼容以太网Internet的人机界面系统[13]，WinCC采用的是面向对象编程技术，提供多种画面、具有丰富的元件库和友好的交互界面，系统WinCC监控画面如图5所示。

通信模块通过OPC建立连接实现数据的实时收发，远程监控终端将采集到的数据经过程序处理后经过GPRS发送给系统控制中心并存储入SQL Server 2005数据库服务器中，数据库功能实现了数据的记录、归档功能。在WinCC监控画面中可以显示区域内土壤墒情的数据曲线，以及水泵站点的运行状态信息等[14，15]，图5画面中1#、3#和5#水泵为绿色，表示这些水泵处于灌溉运行状态，2#和4#水泵处于停止状态，同时也可在SIMATIC WinCC组态软件上实现对远程终端的设备的手动模式操作控制，显示操作日志和实现报表输出等功能。

4  小结

设计了基于西门子S7-200 PLC和GPRS的农田墒情监测和抗旱系统，以SIMATIC WinCC组态软件为上位机监控系统，通过在中国杨凌农业高新技术示范区10 000 m2的半干旱区域农田试验应用。结果表明，该系统成功实现了土壤墒情数据的远程监测，GPRS通讯可靠、运行稳定，同时实现了主动抗旱的快速响应，节约水资源效果明显，形成了在干旱半干旱区域农田墒情监测和抗旱的SCADA系统，该系统对农田墒情数据远距离网络化监测和主动抗旱具有较大的应用价值和社会效益。

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[12] SALKINTZIS A K， NIE H， MATHIOPOULOS P T. ADC and DSP challenges in the development of software radio base stallions[J].IEEE Personal Communication，1999（4）：47-55.

[13] HOFFMANN W C， BAGLEY W E， FRITZ B K，et al. Effects of water hardness on spray droplet size under aerial application conditions[J].Applied Engineering in Agriculture， 2008，24（1）：11-14.endprint

图3是随机选取传感器节点S5进行数据监控而得到的数据，纵坐标为土壤湿度R，横坐标为时间tn，且tn-tn-1=10 min， 在连续100 min中采集到的数据如表1所示，根据数据采集准则，容易的得出t4和t8时刻传感器S5采集的数据R4=0.621和R8=0.375数据为异常值，可编程控制器PLC在数据处理过程中应将其作为干扰值舍去。

表2是同一时刻对10个传感器节点同时进行采集，获取得到的数据，同样根据3σ数据采集准则，传感器节点S5和S9采集到的数据R5=0.322和R9=0.712亦为异常数据，在数据处理过程中应当将这两个传感器节点的数据作为干扰值滤掉。

3  上位机监控系统的设计

3.1  上位机组态设置

本系统中上位机使用西门子公司开发的SIMATIC WinCC组态软件，该软件由强大的工程浏览器、管理器和运行系统组成，是一种应用广泛的工业监控软件。上位机的监控系统通过串口技术实现了组态软件与GPRS数据之间的网络通信，通用无线分组GPRS技术具有较强的覆盖领域，为实现组态软件与GPRS DTU产品在区域农田墒情监测和抗旱SCADA系统提供保障，实现了集散化的远程控制。

通过在SIMATIC WinCC组态软件中添加OPC驱动程序，编辑网络节点运行的OPC服务主机或者IP地址信息，包括了远程站名、地址类型、地址编号及长度信息等。在上位机安装的SINAUT MICRO SC通信软件进入相应OPC服务器项目下，实现组态软件WinCC中的变量与PLC采集到的数据之间的连接[7-12]。

3.2  组态WinCC画面设计

组态软件是SIMATIC WinCC 7.0，SIMATIC WinCC是基于WINDOWS操作系统兼容以太网Internet的人机界面系统[13]，WinCC采用的是面向对象编程技术，提供多种画面、具有丰富的元件库和友好的交互界面，系统WinCC监控画面如图5所示。

通信模块通过OPC建立连接实现数据的实时收发，远程监控终端将采集到的数据经过程序处理后经过GPRS发送给系统控制中心并存储入SQL Server 2005数据库服务器中，数据库功能实现了数据的记录、归档功能。在WinCC监控画面中可以显示区域内土壤墒情的数据曲线，以及水泵站点的运行状态信息等[14，15]，图5画面中1#、3#和5#水泵为绿色，表示这些水泵处于灌溉运行状态，2#和4#水泵处于停止状态，同时也可在SIMATIC WinCC组态软件上实现对远程终端的设备的手动模式操作控制，显示操作日志和实现报表输出等功能。

4  小结

设计了基于西门子S7-200 PLC和GPRS的农田墒情监测和抗旱系统，以SIMATIC WinCC组态软件为上位机监控系统，通过在中国杨凌农业高新技术示范区10 000 m2的半干旱区域农田试验应用。结果表明，该系统成功实现了土壤墒情数据的远程监测，GPRS通讯可靠、运行稳定，同时实现了主动抗旱的快速响应，节约水资源效果明显，形成了在干旱半干旱区域农田墒情监测和抗旱的SCADA系统，该系统对农田墒情数据远距离网络化监测和主动抗旱具有较大的应用价值和社会效益。

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[4] 田  海，李雅妮，肖  鹏.基于PLC和GPRS技术的交通信号灯远程监控系统[J].电气传动，2012（12）：61-65.

[5] 庞党锋，王东涛，闫虎民，等.基于单片机与PLC的农业大棚温湿度控制系统设计[J].湖北农业科学，2013，52（1）：448-450.

[6] 王善斌.组态软件应用指南—组态王Kingview和西门子WinCC[M].北京：化学工业出版社，2011.

[7] 崔  坚.西门子工业网络通讯指南[M].北京：机械工业出版社，2006.

[8] 李江全.西门子S7-200PLC数据通信及测控应用[M].北京：电子工业出版社，2011.

[9] 廖常初.S7-300/400 PLC应用技术[M].北京：机械工业出版社，2011.

[10] GIELING T H， JANSSEN  H J J， SUURMOND M， et al. Identification and simulated control of greenhouse closed water supply systems[J].Computers and Electronics in Agriculture， 2000，26（3）：361-374.

[11] LECINA S， MARTUBEA-COB A ，PEREZ P J， et al. Fixed versus variable bulk canopy resistance for reference evapotranspiration estimation using the Penman-Monteith equation under semi-arid condition[J]. Agricultural and Water Management，2003，60（3）：181-198.

[12] SALKINTZIS A K， NIE H， MATHIOPOULOS P T. ADC and DSP challenges in the development of software radio base stallions[J].IEEE Personal Communication，1999（4）：47-55.

[13] HOFFMANN W C， BAGLEY W E， FRITZ B K，et al. Effects of water hardness on spray droplet size under aerial application conditions[J].Applied Engineering in Agriculture， 2008，24（1）：11-14.endprint