智能灌溉無(wú)線閥門控制器的設(shè)計(jì)方法與研究

趙天圖，馬 蓉，劉南江，鄭玉玲

(石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子 832000)

0 引 言

目前我國(guó)用水需求增大，水資源日益緊缺，農(nóng)業(yè)灌溉用水量占用水比例最多。自動(dòng)灌溉系統(tǒng)具有節(jié)約用水的功能，隨著節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣和完善，農(nóng)業(yè)灌溉控制技術(shù)逐步得到應(yīng)用。雖然我國(guó)的自動(dòng)滴灌系統(tǒng)處于應(yīng)用和完善階段，但是灌溉控制設(shè)備大多是在國(guó)外進(jìn)口，價(jià)格也是非常昂貴，現(xiàn)有的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，在安裝、維護(hù)、擴(kuò)容等問(wèn)題上存在許多問(wèn)題[1-4]。

因此，自主開發(fā)低成本的灌溉閥門控制器用于農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)有著重要意義。開發(fā)低成本太陽(yáng)能供電的反饋控制器應(yīng)用到灌溉系統(tǒng)，控制器采用土壤水分測(cè)量來(lái)控制施加到每個(gè)特定管理區(qū)的水的量，并與其他控制器進(jìn)行通信測(cè)量系統(tǒng)的液壓壓力[5-7]。結(jié)果表明，該方法能效的維持根部附近的土壤水量盡可能達(dá)到管理允許的虧缺滴灌程度。采用先進(jìn)的電子計(jì)算機(jī)控制和無(wú)線傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種用于節(jié)水灌溉的精密灌溉控制系統(tǒng)。開發(fā)一種基于GSM網(wǎng)絡(luò)的新的自動(dòng)智能灌溉控制器，它可以接收來(lái)自PC和移動(dòng)GSM的信息，通過(guò)無(wú)線通信控制閥[8-10]。

許多灌溉調(diào)度方法已經(jīng)發(fā)展了多年，但是由于受到生產(chǎn)成本、安裝時(shí)間、維護(hù)和復(fù)雜的決策等原因。一種無(wú)線智能閥門控制器，用于特定地點(diǎn)的管理和操作，無(wú)線灌溉控制系統(tǒng)相比之前的灌溉控制系統(tǒng)易于安裝和維護(hù)。因此，這些問(wèn)題的一個(gè)潛在的解決方案是設(shè)計(jì)一個(gè)全面的無(wú)線自動(dòng)化灌溉控制系統(tǒng)。無(wú)線自動(dòng)化灌溉控制器可以實(shí)現(xiàn)變量灌溉，以優(yōu)化產(chǎn)量和最大限度地提高不同土壤特性或作物需水量變化時(shí)水分利用效率。

本研究的目的是為了更好地解決農(nóng)業(yè)灌溉需求，開發(fā)和測(cè)試一個(gè)自主的，低成本，無(wú)線智能灌溉控制系統(tǒng)。

1 無(wú)線智能滴灌控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

綜合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要和借鑒國(guó)外的研究經(jīng)驗(yàn)，在圖1中顯示了無(wú)線智能灌溉控制系統(tǒng)的整體系結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)由無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心組成。無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)由無(wú)線信息采集節(jié)點(diǎn)和灌溉控制節(jié)點(diǎn)分布于灌溉現(xiàn)場(chǎng)，遠(yuǎn)程控制中心通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)采集和閥門控制的命令。無(wú)線傳感器監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，終端節(jié)點(diǎn)的路由方式由路由節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)的路由方式由路由節(jié)點(diǎn)到匯聚節(jié)點(diǎn)，然后匯聚節(jié)點(diǎn)將信息通過(guò)GPRS傳送到無(wú)線接入點(diǎn)并RS232控制計(jì)算機(jī)接收信息。遠(yuǎn)程控制中心實(shí)現(xiàn)了信息采集、遠(yuǎn)程控制、參數(shù)設(shè)置、智能報(bào)警等功能。

該系統(tǒng)通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控中心對(duì)土壤信息與氣象參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，遠(yuǎn)程控制中心自動(dòng)對(duì)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，控制電磁閥的開啟或關(guān)閉。根據(jù)科學(xué)的精準(zhǔn)灌溉模式，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了水資源的可持續(xù)利用和自動(dòng)灌溉。

圖1 無(wú)線灌溉控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)Fig.1 Wireless irrigation control system of the overall design

2 灌溉閥控制器系統(tǒng)描述

通常在灌溉之前要考慮到灌溉區(qū)域的土壤特性、作物需水量和安裝滴灌控制系統(tǒng)需要的經(jīng)濟(jì)成本。在各灌溉管理地區(qū)上安裝了一個(gè)無(wú)線的綜合灌溉控制系統(tǒng)，以監(jiān)測(cè)土壤溫度、濕度和氣象參數(shù)，保證實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉的目的。

在這項(xiàng)研究中將閥門控制器設(shè)計(jì)成在每個(gè)單獨(dú)的控制單元之間均可實(shí)現(xiàn)無(wú)線自主工作，每個(gè)控制器都由電池供電，土壤水分測(cè)定通過(guò)遠(yuǎn)程控制中心定期的采集分析實(shí)施滴灌決策。用于測(cè)量和灌溉決策的所有控制器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘是同步的。

測(cè)量和灌溉決策之后，遠(yuǎn)程控制中心向閥門控制器發(fā)送信號(hào)，在灌溉系統(tǒng)中的每一個(gè)被編程的控制器在接收到遠(yuǎn)程控制信號(hào)時(shí)自動(dòng)打開相應(yīng)的電池閥門并開啟繼電器升壓驅(qū)動(dòng)單元。各控制器將相應(yīng)電池閥門開閉狀態(tài)存儲(chǔ)，通過(guò)狀態(tài)反饋裝置發(fā)送到遠(yuǎn)程控制中心。

2.1 控制器硬件

無(wú)線智能閥門控制器是無(wú)線灌溉控制節(jié)點(diǎn)的核心，采用模塊化的硬件。閥門控制器由控制模塊、電源模塊、無(wú)線通信模塊、繼電器升壓驅(qū)動(dòng)模塊、狀態(tài)反饋模塊等組成。本研究開發(fā)的無(wú)線智能閥門控制器硬件框圖如圖2所示。選擇了電子設(shè)備、芯片、C8051F410單片機(jī)來(lái)滿足控制器的低功耗、低成本的要求。

控制模塊的子部件是由包括復(fù)位電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、串行通信接口、IO擴(kuò)展，模數(shù)(A/D)采集、FLASH存儲(chǔ)器、接口電路的單片機(jī)。C8051F410每個(gè)灌溉控制器控制4個(gè)電磁閥。

圖2 無(wú)線閥門控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 wireless valve controller structure diagram

2.1.1 控制模塊

控制模塊的核心采用C8051F410單片機(jī)，在單片機(jī)上通過(guò)串口協(xié)議集成了Jennic公司的JN5139芯片，基于低成本、處理器速度、低功耗需求、快速軟件開發(fā)、容易集成和定制電路等特點(diǎn)，選擇了C8051F410單片機(jī)與JN5139芯片，該芯片是IEEE802.15.4和ZigBee低成本低功耗微控制器,它集成了32位RISC處理器,完全兼容的2.4 GHz IEEE802.15.4收發(fā)器，很好地解決了C8051F410單片機(jī)Zigbee通訊問(wèn)題。硬件控制模塊(如圖3所示，引腳功能如表1所示)。

表1 控制器引腳功能介紹Tab.1 Controller pin function introduction

該控制器接口電路可支持4路模擬輸入，控制4路輸出功率。一個(gè)控制器可以支持雙向脈沖電磁閥開閉和兩組土壤水分傳感器。控制器擴(kuò)展閃存。數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)在非易失性存儲(chǔ)器中，以防止發(fā)生故障時(shí)發(fā)生的損失，用戶可以下載記錄的數(shù)據(jù)來(lái)分析系統(tǒng)性能。硬件控制模塊如圖3所示。

圖3 控制器系統(tǒng)圖Fig.3 Diagram of the system controller

2.1.2 電源模塊

經(jīng)過(guò)對(duì)灌溉區(qū)控制器電源考慮，控制器采用普通電池供電，用兩個(gè)1.5 V電池作為輸入源提供一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓。電源模塊包含極性保護(hù)電路和電壓調(diào)節(jié)電路。極性保護(hù)電路包括肖特基二極管和去耦電容器。電壓調(diào)節(jié)器電路采用電壓調(diào)節(jié)芯片，保證輸出電壓穩(wěn)定，以確保系統(tǒng)在灌溉期正常工作。

2.1.3 無(wú)線通訊模塊

Zigbee是一種雙向短距離無(wú)線通信技術(shù)，具有不復(fù)雜、低功耗、自組網(wǎng)能力。其完整的協(xié)議棧只有32 KB，可以嵌入各種設(shè)備中，同時(shí)支持地理定位。這是一個(gè)協(xié)議規(guī)范開發(fā)的小型設(shè)備無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，是IEEE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議族的一部分，有一個(gè)非常完整的層次結(jié)構(gòu)。

無(wú)線通信模塊由低功率射頻芯片與典型的外部電路相結(jié)合，通過(guò)單片機(jī)接口與控制模塊通信，完成無(wú)線收發(fā)功能，減少了傳統(tǒng)無(wú)線運(yùn)營(yíng)成本。

2.1.4 繼電器模塊

在休眠模式下，繼電器升壓驅(qū)動(dòng)裝置是關(guān)閉的。一旦控制器接收到閥門驅(qū)動(dòng)的控制信號(hào)，它可以驅(qū)動(dòng)繼電器升壓模塊，通過(guò)繼電器電路中的低功率升壓芯片將輸入電壓升高至用于電磁閥5～24 V工作電壓，發(fā)送驅(qū)動(dòng)脈沖控制電池閥門。最后，每個(gè)控制器將相應(yīng)的閥門狀態(tài)反饋信息存儲(chǔ)在狀態(tài)反饋模塊和發(fā)送到遠(yuǎn)程控制中心。

閥門控制器采用3 V電池為動(dòng)力，基于Zigbee協(xié)議，等待遠(yuǎn)程控制命令。它可以驅(qū)動(dòng)繼電器升壓驅(qū)動(dòng)單元控制閥。單片機(jī)實(shí)時(shí)采集狀態(tài)反饋信息能夠傳送到遠(yuǎn)程控制中心。該控制器支持多個(gè)脈沖電磁閥，方便地安裝和操作。

2.2 控制器軟件

控制器工作狀態(tài)有4種：初始狀態(tài)、任務(wù)查詢狀態(tài)、任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)、睡眠狀態(tài)。(如圖4所示)在無(wú)線閥控制器進(jìn)入初始狀態(tài)，微控制器完成硬件的初始化，包括端口初始化，系統(tǒng)時(shí)鐘初始化，變量初始化等，然后控制器開始測(cè)試一個(gè)更高級(jí)別的控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)它進(jìn)入任務(wù)查詢狀態(tài)。如果無(wú)線通信模塊檢測(cè)到執(zhí)行信號(hào)，微控制器將進(jìn)一步確定任務(wù)的類型，例如，閥門控制，狀態(tài)檢測(cè)，參數(shù)設(shè)置，然后進(jìn)入任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)。如果沒(méi)有檢測(cè)到任務(wù)，控制器進(jìn)入休眠狀態(tài)。它會(huì)通過(guò)軟件定時(shí)自動(dòng)喚醒，然后檢查控制信號(hào)，并進(jìn)入到任務(wù)查詢狀態(tài)(程序流程圖如圖5所示)。它包含一個(gè)主回路和若干子程序，如閥門控制、狀態(tài)檢測(cè)、參數(shù)設(shè)定，使單片機(jī)執(zhí)行以下任務(wù)：初始化硬件，包括端口初始化，看門狗初始化，系統(tǒng)時(shí)鐘初始化，變量初始化；在同一網(wǎng)絡(luò)中注冊(cè)路由節(jié)點(diǎn)，報(bào)告設(shè)備信息；要求上級(jí)任務(wù)；查詢?nèi)蝿?wù)，接收遠(yuǎn)程控制命令;處理遠(yuǎn)程命令以確定任務(wù)類型, 執(zhí)行任務(wù); 存儲(chǔ)控制信息,時(shí)間，控制器內(nèi)存中的閥門狀態(tài)；從遠(yuǎn)程控制中心接收控制命令以驅(qū)動(dòng)灌溉閥。

圖4 特定狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖Fig.4 Diagram of specific state transition

圖5 控制器程序流程圖Fig.5 Flow diagram of controller program

2.3 灌溉閥控制器測(cè)試

測(cè)量閥門控制器的性能，一個(gè)電阻電路是用來(lái)串聯(lián)連接的控制器(如圖6所示)。該電路是由電池供電。使用一個(gè)小電阻，電路上的電阻可以忽略不計(jì)的能量。用示波器測(cè)量了電阻的電壓，在串聯(lián)電路中可獲得電流值，計(jì)算出閥門控制器的能耗。

圖6 用于計(jì)算閥門控制器能耗的電阻電路Fig.6 Resistor circuit used to calculate the valve controller energy consumption

閥門控制器在運(yùn)行過(guò)程中包括初始狀態(tài)、任務(wù)查詢狀態(tài)、任務(wù)執(zhí)行狀態(tài)和睡眠狀態(tài)。為了便于分析，上述條件分為工作和睡眠狀態(tài)。利用該方程可以計(jì)算出有效的消費(fèi)量:

pw=Iw×Tw

(1)

Iw是有功電流，Tw是閥門控制器的工作時(shí)間。平均有功電流Iwa可以由以下方程得到:

(2)

在Ts是睡眠時(shí)間。同樣，平均睡眠電流Isa可以計(jì)算公式：

(3)

在Is是休眠電流。Iwa平均有功電流之間的關(guān)系，Isa平均睡眠電流和平均電流Iav如下：

Iav=Iwa+Isa

(4)

因此，在一天中Pwa消耗是每小時(shí)乘以每天24 h的平均電流消耗，計(jì)算公式可以得到：

Pwa=Iav×24

(5)

通過(guò)對(duì)某一天在不同狀態(tài)下的閥門裝置的能耗分析，我們估計(jì)實(shí)際工作時(shí)間如下。

天:

(6)

月:

(7)

3 結(jié)果與討論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)控制器的性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，為了驗(yàn)證硬件和軟件的充分運(yùn)作，以及在根區(qū)的實(shí)際基礎(chǔ)上，對(duì)控制器進(jìn)行了測(cè)試，在實(shí)驗(yàn)室模擬一個(gè)特定地點(diǎn)的灌溉系統(tǒng)。我們選擇了其中一個(gè)數(shù)據(jù)來(lái)分析它的消耗。

3.1 系統(tǒng)硬件和軟件的性能

控制器的硬件和軟件設(shè)計(jì)完成所有任務(wù)。從控制器下載的數(shù)據(jù)顯示，灌溉控制系統(tǒng)不斷測(cè)量設(shè)備參數(shù)和狀態(tài)信息，并在需要時(shí)打開或關(guān)閉電磁閥無(wú)故障。

3.2 工作和睡眠狀態(tài)下的消耗

使用普通電池功率閥控制器，約1 200 mAh，具體測(cè)試結(jié)果如下。

閥控器在工作和睡眠狀態(tài)下的功率消耗電流如表2所示，工作電流 范圍是20～140 mA之間, 工作電流大多數(shù)時(shí)間里是50 mA，睡眠電流0.3 mA，總工作時(shí)間為114 ms。

表2閥控器在主動(dòng)和睡眠狀態(tài)下的功率消耗電流
Tab.2Valvecontrollerpowerconsumptioncurrentinactiveandsleepstate

Iw/mATw/msPw/(mA·s)Is/mA10．00020．00040．00070．00040．000140．00060．000140．00050．0002．52．01．51．52．52．03．51．0100．00．0250．0400．0600．1050．1000．2800．2100．1405．0000．3000．3000．3000．3000．3000．3000．3000．3000．300

3.3 平均能耗和工作時(shí)間

由于睡眠時(shí)間是由軟件設(shè)置，不同的睡眠時(shí)間程序?qū)⒂绊懩茉聪?，我們測(cè)試在不同的情況下的不同平均電流，我們可以進(jìn)一步計(jì)算在工作中灌溉控制器可以無(wú)需外部充電的天數(shù)。

表3顯示控制器的平均能耗和工作時(shí)間，程序中的睡眠時(shí)間 是默認(rèn)的。表中列出了10 s到10 min的睡眠時(shí)間。平均能耗可以按不同時(shí)間計(jì)算。從表2可以看出，睡眠時(shí)間越長(zhǎng)，控制器可以工作的時(shí)間越長(zhǎng)。此外，研究結(jié)果表明，1 200 mAh電池足以維持灌溉期。灌溉控制器的性能是令人滿意的，2電池能夠保證灌溉控制器在正常灌溉期工作。如果休眠時(shí)間為10 min以上，控制器在根區(qū)的實(shí)際應(yīng)用中是有效的。

4 結(jié) 論

這種無(wú)線智能灌溉閥門控制器系統(tǒng)開發(fā)和測(cè)試。該控制器被證明是可靠的并且在無(wú)線實(shí)踐中有效，帶有控制單元的無(wú)線智能閥門控制器，結(jié)合低功耗微處理器芯片和一個(gè)由電池供電的外部電路，接收來(lái)自遠(yuǎn)程控制中心的控制命令，執(zhí)行任務(wù)，如信息采集、遠(yuǎn)程控制、參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)反饋，而閥門控制的任務(wù)必須由繼電器升壓驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)。無(wú)線通信模塊中所反映的無(wú)線收發(fā)功能，該閥門控制器可以廣泛應(yīng)用于不同的灌溉區(qū)域。

表3 控制器平均能耗和工作時(shí)間Tab.3 Controller average energy consumption and the working duration

無(wú)線智能閥門控制器充分考慮了應(yīng)用領(lǐng)域的能量，根據(jù)用戶需求設(shè)置采集/控制頻率。增加太陽(yáng)能充電裝置，以保證控制器的供電是下一步的研究工作。無(wú)線智能閥門控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，成本低，具有良好的應(yīng)用前景。

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