基于DTMF技術(shù)的農(nóng)田節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程自動控制系統(tǒng)開發(fā)

黃景劍鄭崇寧雷興誼吳新成梁兆新

（1.廣西柳源農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，廣西 柳州 545000；2.柳州市農(nóng)機(jī)局，廣西 柳州 545026；3.柳州市農(nóng)機(jī)推廣站，廣西 柳州 545006；4.南寧市厚誠科技有限公司，廣西 南寧 530031；5.廣西蔗糖產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 南寧 530003）

基于DTMF技術(shù)的農(nóng)田節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程自動控制系統(tǒng)開發(fā)

黃景劍1，5鄭崇寧2雷興誼3吳新成4梁兆新1，5

（1.廣西柳源農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，廣西 柳州 545000；2.柳州市農(nóng)機(jī)局，廣西 柳州 545026；3.柳州市農(nóng)機(jī)推廣站，廣西 柳州 545006；4.南寧市厚誠科技有限公司，廣西 南寧 530031；5.廣西蔗糖產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 南寧 530003）

文章闡述國內(nèi)外田節(jié)水灌溉采用監(jiān)控的種類、技術(shù)現(xiàn)狀及存在的不足，研發(fā)基于DTMF技術(shù)的農(nóng)田節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程自動控制系統(tǒng)，并開展系統(tǒng)基于DTMF技術(shù)的硬件、軟件設(shè)計研究，系統(tǒng)通過實際使用表明；設(shè)計合理、開發(fā)周期短、運(yùn)行穩(wěn)定、節(jié)水效果明顯，既減輕了工作人員的勞動強(qiáng)度，又提高了自動化管理水平，相比較比人工管理效率提高8倍以上，具有較高的實用和推廣價值。

DTMF；灌溉；遠(yuǎn)程；自動；系統(tǒng)；設(shè)計；應(yīng)用

長期以來，農(nóng)田節(jié)水灌溉多采用有線監(jiān)控的方法，其本身存在的局限性逐漸凸顯出來。有線監(jiān)控要求有專門的布線，而且容易受到雷電、農(nóng)機(jī)作業(yè)、地下動物的損壞，可靠性低，維護(hù)成本高。相比于有線控制，無線控制方法具有防雷性強(qiáng)、可靠性高、施工維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，目前大多數(shù)遠(yuǎn)程控制精準(zhǔn)化實時灌溉系統(tǒng)通過手機(jī)短信或者專用數(shù)據(jù)線路控制灌溉，成本高，數(shù)據(jù)流量低, 維護(hù)困難[1]。鑒于此，本研究提出一種利用無線電臺、DTMF技術(shù)的農(nóng)田節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，控制范圍半徑可達(dá)5公里左右，具有適用性好、成本低、可靠性高的特點(diǎn)[2]，滿足了遠(yuǎn)程控制精準(zhǔn)化灌溉系統(tǒng)中的需要。

1 雙音多頻（DTMF）技術(shù)

雙音多頻(DTMF)是在通信中實現(xiàn)電話號碼快速傳輸?shù)囊环N可靠技術(shù)，它以其很強(qiáng)的抗干擾能力和較高的傳輸速度廣泛用于電話通信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)。這種技術(shù)是用兩個特定的單音頻組合信號來代表數(shù)字信號以實現(xiàn)其功能的一種編碼技術(shù)。信號對傳鏈路的質(zhì)量要求較低，且不會出現(xiàn)錯號的現(xiàn)象。一般在控制系統(tǒng)中有10個數(shù)字鍵和6個功能鍵*、#、A、B、C、D。在信號的傳輸過程中，需要信號的發(fā)送方將要發(fā)送的號碼轉(zhuǎn)換成一對雙音多頻信號送至線路傳輸，信號的接收方需要將接收到的雙音多頻信號還原成控制數(shù)據(jù)信號進(jìn)行識別，從而達(dá)到控制目的。

2 系統(tǒng)主要硬件構(gòu)成

2.1 DTMF無線通信

無線服務(wù)器與田間控制器、數(shù)據(jù)采集器之間的數(shù)據(jù)通信時基于DTMF技術(shù)的無線遠(yuǎn)程通信，DTMF即雙音多頻，具有易識別、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸數(shù)據(jù)量小等優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)采用MITEL公司的MT8880芯片來編解碼DTMF信號。MT8880具有與微控制器相連的數(shù)據(jù)總線接口，可直接由單片機(jī)控制，內(nèi)部包含5個寄存器，由引腳RSI和R／W進(jìn)行選擇，MT8880與單片機(jī)接口如圖1所示。

圖1 MT8880與單片機(jī)接口

DTMF信號由TONE腳輸出，IN-腳輸入，R2／R1的值決定內(nèi)部接收運(yùn)放的放大倍數(shù)，比值越大接收靈敏度越高。電阻R4和電容C2的值影響接收數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，D0～D3數(shù)據(jù)口輸出鎖存器的更新時間與（R4·C2）的值成正比，若（R4·C2）的值偏小會導(dǎo)致 DTMF信號解碼后數(shù)據(jù)抖動，造成接收錯誤。

MT8888系列是為實現(xiàn)低功耗、高性能而專門設(shè)計的定點(diǎn)DSP芯片[3]，MT8880具有6種工作模式，由內(nèi)部控制寄存器CRA、CRB進(jìn)行切換。當(dāng)同時工作在DTMF發(fā)送模式和突發(fā)模式時，MT8880向外發(fā)送持續(xù)（51± 2）ms的DTMF信號；當(dāng)工作在DTMF接收模式時，通過讀取MT8880內(nèi)部狀態(tài)寄存器SR的D2位判斷接收數(shù)據(jù)是否有效，并由D0～D3送入解碼后的數(shù)據(jù)；當(dāng)同時工作在呼叫處理模式和中斷模式時，MT8880通過IN-腳檢測忙音信號，并由IRQ／CP腳輸出同頻率的方波供單片機(jī)識別。

2.2 單片機(jī)控制單元

本系統(tǒng)由于硬件模塊較多，軟件設(shè)計需要大量數(shù)據(jù)和運(yùn)算，決定其需要一款存儲空間較大的單片機(jī)，這里采用STC公司的STC89C52單片機(jī)。STC89C52單片機(jī)是采用通用8051內(nèi)核的增強(qiáng)型51單片機(jī)，指令代碼與傳統(tǒng)51單片機(jī)完全兼容；含8K Flash程序存儲空間，可充分滿足空間需求；32個雙向輸入/輸出通用I/O口；6個中斷源支持2層中斷嵌套；內(nèi)部自帶看門狗和EEPROM；特別方便的是通過串行口可直接下載程序，無需專用編程器和仿真器，大大降低開發(fā)成本。單片機(jī)程序主要包括與上位機(jī)軟件的通信、MT8880的控制、閥門驅(qū)動等功能的實現(xiàn)。程序開始時首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，主要是對中斷、變量和標(biāo)志位等進(jìn)行定義、設(shè)置以及ROM指令的讀取。初始化完畢后進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)，需要時刻監(jiān)控DTMF信號和通信標(biāo)志。當(dāng)系統(tǒng)接收到有效的DTMF信號時即進(jìn)入指令對比流程，隨時根據(jù)指令要求進(jìn)行閥門開閉、狀態(tài)查詢、故障檢測和數(shù)據(jù)采集。

2.3 硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

系統(tǒng)模塊化設(shè)計，可以根據(jù)用戶需要靈活組合和功能增減，軟件界面根據(jù)實際竣工圖制作，軟件界面上控制器、閥門、數(shù)據(jù)采集器的位置與實際地塊位置對應(yīng)，操作直觀、維護(hù)簡便，控制器采用“防呆”設(shè)計，各接頭一一對應(yīng)，接錯插不進(jìn)去，無需專門人員安裝和操作，一般農(nóng)民經(jīng)過簡單培訓(xùn)后就可以現(xiàn)場安裝和使用，首部電腦對各控制器和數(shù)據(jù)采集器的狀態(tài)進(jìn)行實時跟蹤，有故障自動告警，用戶自行更換故障模塊，不需要技術(shù)人員現(xiàn)場服務(wù)，模塊先更換后維修，不耽誤用戶使用。各田間控制器還可以作為數(shù)據(jù)再生中繼器，對無線信號進(jìn)行中轉(zhuǎn)和接力，可以無限擴(kuò)大無線通信的距離，從而解決了無線控制受距離影響的難題。

3 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計

3.1 控制面板

軟件視圖（圖2）根據(jù)項目實際竣工圖制作，圖上每一個編號代表一個閥門，綠色表示閥門處于開啟狀態(tài)、紅色代表閥門處于關(guān)閉狀態(tài)，黃色代表閥門通信故障。

閥門可以分區(qū)管理也可以單個開啟或關(guān)閉，閥門編號由用戶根據(jù)喜好或使用習(xí)慣自行定義。

圖2 軟件視圖

3.2 視圖控制

視圖控制（圖3）是指直接在地圖上選擇要控制的閥門，當(dāng)選擇“按灌區(qū)選擇設(shè)備”時，只要選擇灌區(qū)中的一個閥門其整個灌區(qū)的所有閥門都會被選上，然后對所選擇的閥門作“開閥”或“關(guān)閥”控制，在“施肥情況”欄輸入肥料使用情況，將會一并記錄數(shù)據(jù)庫，供日后查詢和報表生成。

圖3 視圖控制

3.3 參數(shù)面板

參數(shù)面板（圖4）主要用于新增閥門的錄入和閥門控制關(guān)系的設(shè)置。

圖4 參數(shù)面板

3.4 列表視圖

列表視圖（圖5）主要是以表格的形式來顯示閥門工作狀態(tài)，和工作記錄。

圖5 列表視圖

3.5 歷史視圖

歷史視圖（圖6）主要用于歷史數(shù)據(jù)查詢和各種報表生成，主要生成的報表有：各閥門或輪灌區(qū)閥門開啟時間，施肥數(shù)據(jù)統(tǒng)計等。

圖6 歷史視圖

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)設(shè)計已制作為實際電路，各模塊經(jīng)調(diào)試后均能正常工作。實際使用結(jié)果表明，系統(tǒng)可由操作者發(fā)出指令碼控制田間閥門開閉。該系統(tǒng)主要是針對農(nóng)業(yè)田間灌溉的實際需求設(shè)計，功耗低、抗干擾、防雷擊、可靠性高，功能實用。

本系統(tǒng)已成功地應(yīng)用于柳州市桂中農(nóng)場思源公司甘蔗“雙高”基地設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化信息管理系統(tǒng)建設(shè)高效節(jié)水灌溉示范項目中。系統(tǒng)經(jīng)過實施對面積1520畝甘蔗地共8次24天自動定時地埋滴水灌溉運(yùn)行證明：設(shè)計合理、開發(fā)周期短、運(yùn)行穩(wěn)定、節(jié)水效果明顯，既減輕了工作人員的勞動強(qiáng)度，又提高了自動化管理水平，相比較比人工管理效率提高 8倍以上，具有較高的實用和推廣價值。

[1] 宋培卿,陸昊,胡鋼.節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其通信設(shè)計[J].河海大學(xué)常州分校學(xué)報,2003,17(2):59-63.

[2] 郭旭,魏加元.基于DTMF信號的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)[J].工礦自動化,2004(4):27-29.

[3] 楊峰,柳永勝,殷小貢.新型DTM F信號收/ 發(fā)芯片MT8888及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2001(1):89-91.

Development of remote automatic control system for water saving irrigation based on DTMF technology

In this paper, introduce the type of intelligence remote control system for water saving irrigation at home and abroad、technologies and its existing problems, research and development of remote automatic control system for water saving irrigation based on DTMF technology, and development the hardware for the system based on the DTMF technology、software design research. Through the actual use of instructions : design reasonable, short development cycle, stable operation, water saving effect is obvious, it not only reduces the labor intensity, but also improves the level of automation management, compared to more than 8 times the efficiency of labor management, and has a high practical and promotional value.

DTMF; irrigation; long-range; automatic; system; design; application

S274;TP13

A

1008-1151(2016)07-0106-03

2016-06-13

柳州市2014年農(nóng)業(yè)設(shè)施資金（農(nóng)機(jī)項目）計劃（柳農(nóng)機(jī)計〔2014〕4號）；廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃（桂科重12118002-1）。

黃景劍（1961－），男，廣西柳源農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司高級工程師，從事農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究、推廣應(yīng)用。