基于植物全生育期的精量智能灌溉控制器設計

錢春陽，王建春，呂雄杰(天津市農(nóng)業(yè)科學院信息研究所，天津 300192)

21世紀水資源正在變成一種寶貴的稀缺資源，水資源問題已不僅僅是資源問題，更是關(guān)系到國家經(jīng)濟、社會可持續(xù)發(fā)展和長治久安的重大戰(zhàn)略問題。資源缺乏，一直是制約我國經(jīng)濟社會發(fā)展的重要因素之一。目前，全市設施種植業(yè)達4萬hm2，帶動30多萬農(nóng)民就業(yè)。人工管理成本高、水肥藥等資源利用效率低嚴重制約設施種植業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，采用先進的節(jié)水灌溉控制技術(shù)應用于農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉，不僅可以提高資源利用效率、改善生態(tài)環(huán)境、降低管理成本、提高經(jīng)濟效益，還可以減少頻繁的灌溉導致的根層無機氮的大量淋失，減輕不斷追肥造成根層氮素失衡的惡性循環(huán)，減少頻繁灌溉造成的作物養(yǎng)分需求和土壤供應的不同步帶來的損失。對天津乃至全國節(jié)水灌溉技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

1 系統(tǒng)整體設計

該智能灌溉控制器作為設施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中間件設備，位于物聯(lián)網(wǎng)底層設備感知層和上層應用層之間，是設施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的核心。除下達灌溉控制決策外，還兼具數(shù)據(jù)采集、提取及有效驗證，以及預處理數(shù)據(jù)，統(tǒng)一協(xié)議，發(fā)送、傳輸數(shù)據(jù)等工作。

該智能灌溉控制器以植物全生育期內(nèi)的需水狀況為主要依據(jù)，針對植物不同生育期內(nèi)具體需水狀況、灌水頻次、土壤水分含量等變量，實施灌溉水的變量投入，形成3種不同的灌溉策略以滿足實際的灌溉需要，對作物生產(chǎn)實行非均勻變動管理，從整體上降低物質(zhì)消耗。

通過利用高性能ARM處理芯片和無線通信技術(shù)對土壤含水量和灌溉流量等進行檢測，并執(zhí)行灌溉控制決策；采用實時時鐘技術(shù)判斷植物生育期，并實現(xiàn)控制器與WSN的同步；采用高性能電源管理芯片，管理系統(tǒng)電能分配；采用GPRS接口實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的快速接入和報警；采用觸摸屏和組態(tài)軟件提供人機交互界面，實現(xiàn)參數(shù)設置、灌溉處方調(diào)用、控制決策下達、灌溉進程監(jiān)控等功能。同時也能夠為探索新型精量控制策略，真正實現(xiàn)植物全生育期的灌溉標準化和自動化提供基礎。

2 智能灌溉控制器硬件設計

智能灌溉控制器硬件主要包括MCU、電源管理單元、通信單元(無線傳輸模塊和GPRS模塊)、灌溉管理單元(HMI模塊、外部Flash和SD卡)以及灌溉控制單元(流量檢測模塊和電磁閥)。硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖

(1)處理器單元。主控制器采用32位的ARM 低功耗微處理器STM32F103RCT6，具有25Kbyte Flash、48Kbyte RAM，工作頻率可達72 MHz，能夠滿足該控制器監(jiān)測與數(shù)據(jù)處理的需求。該處理器具有5個異步串行接口，能夠同時連接觸摸屏單元、GPRS模塊、無線傳輸模塊和流量檢測模塊，還可以擴展TF卡用于存儲數(shù)據(jù)，適用于設施溫室精量智能灌溉控制器多串口應用的需求。

(2)電源管理單元?？刂破鞯墓╇妴卧O計要滿足不同外設的正常工作電壓范圍，盡量減少不同電壓值之間的轉(zhuǎn)換，其中MCU工作電壓為2.0～3.6 V，無線傳輸模塊工作電壓2.1～3.6 V，SONGLE SDR繼電器工作電壓為5 V，觸摸屏工作電壓為12 V， GPRS模塊工作電壓為9～12 V。因此，選用XL4005和ASM1117直流降壓芯片，將12 V輸入電壓轉(zhuǎn)換成5 V和3.3 V為不同用電設備提供穩(wěn)定的直流電壓。

(3)通信單元。①無線通信模塊。無線傳輸單元采用SEMTECH推出的SX1212超低功耗的單芯片無線芯片，具有頻率范圍在300～510 MHz；芯片經(jīng)過優(yōu)化具有非常低的接收功耗，典型接收電流為2.6 mA，遠小于同類收發(fā)器的接收電流；工作電壓為2.1～3.6 V，最大發(fā)射功率12.5 dBm。采用4種電源管理模式來實現(xiàn)不同形式的節(jié)能效果，靈活配置系統(tǒng)工作模式可以降低系統(tǒng)功耗。兼顧設施溫室環(huán)境下開發(fā)自定義網(wǎng)絡通信協(xié)議的要求，并能夠滿足與該設備配套使用的無線傳感設備低功耗的使用要求。無線芯片與MCU的USART2接口連接，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡架構(gòu)中底層設備感知層與傳輸層之間的數(shù)據(jù)交換。②GPRS模塊。GPRS模塊使用SIM900A芯片，它采用功能強大的ARM926EJ-S芯片處理器，屬于雙頻GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式，工業(yè)標準接口(GPIO、SPI、COM口、I2C、音頻接口等)，工作頻率為GSM/GPRS 900/1 800 MHz，可以低功耗實現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。MCU通過串口使用AT指令完成數(shù)據(jù)的傳輸過程。GPRS單元與MCU的USART3接口連接，實現(xiàn)與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中傳輸層與上層應用層的數(shù)據(jù)交換，并將相關(guān)數(shù)據(jù)定時發(fā)送至農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺進行存儲和大數(shù)據(jù)分析。

(4)灌溉管理單元。HMI模塊選用具有VGUS系統(tǒng)(一款組態(tài)型、用戶圖形界面設計軟件)的SDW系列串口觸摸屏。其具有：56 KB變量存儲空間，8通道曲線趨勢圖存儲器，極快(80 ms)的變量顯示響應速度；25 B存儲器空間，支持串口指令讀寫，用于硬件配置和控制操作；128 M Flash存儲空間，用于存儲圖片、圖標、字庫和用戶數(shù)據(jù)庫等；單頁最多支持64個顯示變量；支持USB在線下載，提高研發(fā)調(diào)試效率；支持SD卡脫機下載，用于批量生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率；集成了RTC、背光亮度調(diào)節(jié)、背光自動待機、觸控蜂鳴器伴音功能。觸摸屏接口通過電平轉(zhuǎn)換為TTL電平，與MCU的USART1接口連接。外部FLASH。采用W25Q64芯片，具有64M位存儲空間，分為128個塊，每塊大小為64 KB，其擦寫周期多達10萬次，具有20 a的數(shù)據(jù)保存期限，支持電壓為2.7～3.6 V，支持標準SPI通信，最大SPI時鐘可達80 MHz。外部Flash用于存儲不同品種植物灌溉處方，通過控制程序可以調(diào)用和修改預設處方。

(5)灌溉控制單元。流量檢測單元采用YSDC32流量顯示控制器，通過485通訊接口，實現(xiàn)自動抄表，其性能參數(shù)：電池電壓3.6 V，2 400 mA；靜態(tài)電流小于20 μA；RS485通訊電源為DC12V，100 mA；通訊隔離電壓為DC1000V；累計流量最小值為0.001 m3，最小流速 0.12 m3/h，額定流速6.0 m3/h。采用MODBUS通信協(xié)議通過SP3485模塊與MCU的UART4進行連接，選擇2400波特率，無校驗，8位數(shù)據(jù)位和1位停止位。電磁閥模塊選用DC24V-2W常閉型，工程塑料材質(zhì)電磁閥，壓力范圍在0～1 MPa，工作溫度為-5～85 ℃。

3 控制器軟件設計

該設備設計了3種不同的灌溉方式，用戶可以根據(jù)對當?shù)赝寥罓顩r、灌水制度的完善程度進行選擇，來完成植物全生育期內(nèi)的精量灌溉。其中，方式一“定時時間+水量”：該種方式適用性廣泛，結(jié)合專家總結(jié)的灌溉制度，通過設定起灌時間、灌水量、灌水次數(shù)和時間間隔等參數(shù)相結(jié)合的方式，自動完成灌溉作業(yè)；方式二“傳感器下限+水量”：該種灌溉方式采用土壤水分傳感器下限值作為起灌條件，結(jié)合灌水量，完成灌溉作業(yè)，該種方式較前一種方式自動化程度相對較高，但對土壤水分傳感器的依賴性較高；方式三“傳感器上限+下限”：該種方式的起灌和停灌節(jié)點均由土壤水分傳感器來決定，該種灌溉方式自動化程度最高，但要求傳感器能夠充當具有穩(wěn)定和可靠的數(shù)據(jù)來源，同時設定的上下限閾值需要通過專業(yè)人員長期總結(jié)不同植物在整個生育期的灌溉規(guī)律，是實現(xiàn)節(jié)水灌溉的最高級形式，也是今后一段時間內(nèi)需要進一步探索和研究的方向。

3.1 HMI軟件設計流程

系統(tǒng)中HMI主要負責信息顯示及信息輸入功能，其中信息顯示主要包括灌溉狀態(tài)顯示及傳感器數(shù)據(jù)顯示；信息輸入主要包括植物全生育期內(nèi)灌溉參數(shù)錄入及菜單的觸控選擇，HMI軟件設計流程如圖2所示。

圖2 HMI開發(fā)流程

其中變量規(guī)劃是通過規(guī)劃VGUS屏的56 KB變量存儲空間和外部Flash相對應，實現(xiàn)灌溉參數(shù)非易失性存儲，滿足存儲作物灌溉處方的要求?，F(xiàn)以“品種1”、“定時時間+水量”灌溉方式中參數(shù)設定界面為例，包含應灌水量(2 B)、應灌次數(shù)(2 B)、時間間隔(2 B)、生育期開始時間(4 B)、灌溉開始時間(4 B)，預留參數(shù)(2 B)，共預設5個生育期(定值期、緩苗期、結(jié)果初期、結(jié)果盛期、結(jié)果后期)，因此使用觸摸屏內(nèi)變量存儲地址為0x0201～0x0228共80字節(jié)，所對應的外部Flash存儲地址為513-592，其他品種及對應的灌溉方式的存儲地址分配方式與此相同。

3.2 控制器軟件流程

控制器MCU程序設計采用keil uVision4 IDE開發(fā)環(huán)境，其中流量傳感器數(shù)據(jù)是影響灌溉精度和節(jié)水效果的重要參數(shù)，設定其具最高優(yōu)先級，當系統(tǒng)啟動灌溉后開始定時采集，根據(jù)其額定流速設定采集周期為1 min；其中環(huán)境傳感數(shù)據(jù)作為設施溫室灌溉及病蟲害發(fā)生等的重要依據(jù)，設定其對應的接收中斷響應具有次高級優(yōu)先級，數(shù)據(jù)上傳周期設定為30 min一次，經(jīng)過實踐證明將采集周期設定為30 min或1 h一次，能夠正常的反應溫室內(nèi)環(huán)境變化情況，同時又可以大大降低傳感設備自身功耗；HMI模塊主要負責前期的參數(shù)設置和后臺的數(shù)據(jù)顯示任務，將其優(yōu)先級設為最低，以保證其他外設正常搶占中斷。

系統(tǒng)啟動后，首先進行系統(tǒng)及外設的初始化，記錄初始時間和流量數(shù)據(jù)，系統(tǒng)RTC與觸摸屏RTC每24 h同步一次，用于統(tǒng)一時鐘并更新當前所處生育期。同時開啟總中斷，偵聽各串口接收中斷、解析和數(shù)據(jù)處理并執(zhí)行對應任務。設備工作流程如圖3所示。

圖3 設備軟件工作流程

用戶通過HMI模塊完成人機交互，并開啟一次新的灌溉，操作流程如下：①選擇灌溉方式(“定時時間+水量”方式；“傳感器下限+水量”方式；“傳感器上限+下限”方式)；②選擇品種(設備默認存儲4個不同品種的灌溉處方)；③點擊“修改參數(shù)”按鈕，輸入用戶權(quán)限密碼；④通過用戶權(quán)限驗證后，進入選定灌溉方式、品種的參數(shù)修改頁面，輸入處方參數(shù)，點擊確認返回監(jiān)測主界面；⑤點擊“啟動灌溉”按鈕，系統(tǒng)根據(jù)設定程序啟動選定品種按照選定灌溉方式進行灌溉；⑥點擊“臨時補灌”按鈕，增加臨時灌溉方案。點擊“停止灌溉”按鈕，暫停當前灌溉。點擊“灌溉記錄”按鈕，查看選定品種生育期內(nèi)的灌溉記錄。

4 系統(tǒng)測試分析

設備測試分別在實驗室做前期實驗，在天津市農(nóng)業(yè)創(chuàng)新基地11號日光溫室，溫室面積約466 m2，采用滴灌方式，試驗時間為3月14日定植，7月3日拉秧。并參照2015年發(fā)布的天津市地方標準《日光溫室黃瓜智能灌溉技術(shù)規(guī)程》，并參考專家意見，選擇以方式一“定時時間+水量”的灌溉方式為例進行測試，相關(guān)灌溉參數(shù)設定如表1所示。

表1 采用方式一灌溉參數(shù)設定界面

經(jīng)過試驗，系統(tǒng)工作正常，操作簡便，能夠按照植物全生育期預設處方進行灌溉，通過采用預設程序與流量采集設備相結(jié)合，提高了灌溉精度，降低了人工成本，能夠比傳統(tǒng)灌水方式節(jié)水15%以上。

5 結(jié) 語

該系統(tǒng)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)中間件技術(shù)和專家輔助決策相結(jié)合，形成植物全生育期的灌溉處方，嘗試采用可供用戶選擇的3種灌溉方式，實現(xiàn)作物全生育期的灌溉控制，完成了該智能灌溉控制器的硬件研發(fā)、軟件設計和測試工作。該設備的使用對設施溫室節(jié)水灌溉起到了良好的作用。

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