果園節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗

陳偉森，俞 龍，孫道宗(. 廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院信息工程系，廣州，50075；.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)電子工程學(xué)院，廣州 5064)

我國是一個傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)用水量占總用水量的70%左右，而農(nóng)業(yè)用水主要體現(xiàn)在農(nóng)業(yè)灌溉。要實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，必須大力發(fā)展節(jié)水灌溉。自動化和智能化灌溉可以提高水資源的使用效率，對灌溉進(jìn)行科學(xué)管理，可以節(jié)省人力物力，提高勞動生產(chǎn)率[1,2]。推廣智能化的節(jié)水灌溉系統(tǒng)，提高農(nóng)業(yè)灌溉自動化水平，是推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必然選擇[3,4]。

節(jié)水灌溉技術(shù)的應(yīng)用一定要有前期相關(guān)專業(yè)知識的指導(dǎo)與培訓(xùn)[5]。目前采用的節(jié)水灌溉技術(shù)還是根據(jù)經(jīng)驗判斷、人為灌溉，保持著“寧多勿少”的灌溉原則，造成水資源浪費和灌溉效率低[6]。與現(xiàn)有的大水漫灌、溝灌等傳統(tǒng)的灌溉方式相比，節(jié)水灌溉技術(shù)具有更多的技術(shù)含量和技術(shù)難度，在具體的操作和實施過程中會遇到很多問題，在操作的時候需要有專業(yè)性的技術(shù)指導(dǎo)人員進(jìn)行協(xié)助和管理。但是基于中國農(nóng)村的基本現(xiàn)狀，農(nóng)村基層的水利部門以及節(jié)水灌溉技術(shù)方面的技術(shù)指導(dǎo)人員素質(zhì)相對偏低，技術(shù)能力不高，數(shù)量相對不足，致使專業(yè)技術(shù)人員在指導(dǎo)農(nóng)戶節(jié)水技術(shù)的具體實施過程中，不免力不從心，很難做到技術(shù)出現(xiàn)問題及時解決[7,8]。因而，研究節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)尤為必要，用戶根據(jù)專家建議設(shè)定灌溉參數(shù)，使系統(tǒng)處于自主運行狀態(tài)。

目前，農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)中所采用的通信方式分為無線和有線兩種。無線方式有使用GSM公網(wǎng)的GPRS方式和采用自組網(wǎng)方式(如ZigBee、Wi-Fi等無線網(wǎng)絡(luò))，有線方式中多采用公用有線電話網(wǎng)或架設(shè)專用線路(如RS-485總線式結(jié)構(gòu))[9-11]。陳輝[12]研究ZigBee與 GPRS技術(shù)的溫室遠(yuǎn)程智能灌溉系統(tǒng)，結(jié)合了ZigBee網(wǎng)絡(luò)有分布靈活、部署方便的特點與GPRS傳輸范圍廣的特點，但是也存在GPRS方式的缺點是通信協(xié)議復(fù)雜，且依賴于網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和服務(wù)的繁忙程度，安全性差，后期需要支付的流量費用太高的問題，而ZigBee在有障礙物的情況下通信距離不足200 m。電力線載波通信(Power Line Carrier Communication, PLCC)技術(shù)使用電力線作為傳輸媒介，不需要單獨的信號線。相比RS-485總線等，可以節(jié)省大量通信專用電纜，有效降低成本。電力線載波通信方式較現(xiàn)有無線技術(shù)通信方式傳輸速度高，信號更加穩(wěn)定。電力線載波通信方式在灌溉自動控制系統(tǒng)中的使用安裝與使用成本較其他有線通信方式低[13]。

將電力線載波通信技術(shù)應(yīng)用于灌溉的智能控制系統(tǒng)，符合高效農(nóng)業(yè)的發(fā)展要求。該技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用不是很廣泛，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

1 輪灌智能控制的硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的組成

分區(qū)輪灌技術(shù)適用在山地果園中，既可以降低系統(tǒng)對水源水壓的要求，又可以使用小口徑水管供水。山地果園中，果園果樹通常成行成列整齊排列，輪灌系統(tǒng)通過干管將水從水源引到灌溉地區(qū)，再通過支管按行或列將水引至各灌溉位置。安裝在各支管上的控制電磁閥通常位于干管和支管的結(jié)合處，故輪灌系統(tǒng)的供電線路通常為沿著干管的總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。輪灌智能控制系統(tǒng)包括總控制器節(jié)點、傳感器節(jié)點、水泵控制節(jié)點。本設(shè)計的系統(tǒng)方案框圖如下圖1所示。

系統(tǒng)通信部分采用電力線載波通信方式，控制部分根據(jù)傳感器數(shù)據(jù)控制繼電器動作?？紤]到使用的安全性和電磁閥的供電電壓，220 V交流電并不適合直接應(yīng)用在農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)中，電力線采用24 V直流電。由于實際果園中灌溉區(qū)域面積很大而且相對分散，使得通信距離大大增加。

圖1 系統(tǒng)方案框圖Fig.1 System Blockdiagram

1.2 ST7540低壓電力線載波通信模塊的設(shè)計

ST7540低壓電力線載波通信模塊是系統(tǒng)的核心部件，它實現(xiàn)了載波信號在24 V直流電力線上的數(shù)據(jù)傳輸。ST7540芯片是意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics，ST)設(shè)計生產(chǎn)的新型電力線收發(fā)芯片，可適用于交流、直流和不通電導(dǎo)線中。ST7540擁有非常低的功耗，靜態(tài)電流5 mA。芯片供電電壓從直流7.5～12.5 V。片內(nèi)集成輸出電流和電壓控制回路，可以確保數(shù)據(jù)的安全可靠傳輸。FSK調(diào)制信號有多個頻率可選的正弦波，接收靈敏度高達(dá)500 μV(rms)，最高通信速率4 800 bps，具有UART/SPI接口。

載波通信模塊的框圖如圖2所示。ST7540內(nèi)部集成功率放大器、自動增益控制、自動電平控制等功能，可以根據(jù)需要動態(tài)調(diào)整發(fā)送的功率。低壓電力線上可能會出現(xiàn)未知的阻抗，ST7540內(nèi)部的集成的電流、電壓控制回路可以確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。同時為了克服通信過程中可能受到的干擾，最大限度的恢復(fù)出發(fā)端原始信號，設(shè)計濾波電路就顯得尤為重要。接收數(shù)據(jù)時，信號經(jīng)接收無源濾波器濾波后，將從RX_IN被讀入到ST7540進(jìn)行處理。發(fā)送數(shù)據(jù)時，信號經(jīng)ST7540調(diào)制后通過發(fā)送有源濾波器和集成功率放大器，再經(jīng)發(fā)送無源濾波器耦合選頻到電力線上進(jìn)行信號傳輸[14]。

圖2 PLCC模塊Fig.2 PLCC module

1.3 主控制器節(jié)點設(shè)計

總控制器節(jié)點整個整個系統(tǒng)的決策中心，保證輪灌策略的執(zhí)行?？偪刂破鞴?jié)點由微處理器、電力線載波通信模塊、LCD液晶屏、矩陣鍵盤等組成。提供的功能包括：為用戶提供LCD液晶顯示，以顯示輪灌系統(tǒng)的時間和工作參數(shù)；通過電力線載波通信模塊與從節(jié)點通信；通過從節(jié)點返回的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)決定是否終止灌溉；根據(jù)RTC的時間發(fā)送輪灌控制指令。主控制器節(jié)點模塊框圖如圖3所示。

圖3 主控制器節(jié)點框圖Fig.3 Blockdiagram of Host controller node

主節(jié)點采用意法半導(dǎo)體(ST)公司生產(chǎn)的STM32F103微控制器作為主控，STM32微控制器片內(nèi)集成RTC(Real Time Clock)，只需外部連接32.678 kHz的石英晶振和備用電池(本設(shè)計選用CR2032型紐扣電池)即可工作。4個觸碰式微動按鍵用作鍵盤，用于時間的設(shè)置、參數(shù)的設(shè)置。2.4英寸的LCD液晶屏用來顯示系統(tǒng)的當(dāng)前時間、土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)等參數(shù)。電源模塊電力線得到24 V直流后進(jìn)行降壓到3.3 V供給微控制器、液晶屏等模塊。

1.4 傳感器節(jié)點設(shè)計

傳感器節(jié)點負(fù)責(zé)將土壤水分信息及時的上傳給主控制器節(jié)點，決定是否停止灌溉。傳感器節(jié)點功是輪灌控制系統(tǒng)的監(jiān)測節(jié)點，由微控制器、電力線載波模塊、土壤水分含量傳感器。傳感器節(jié)點通過電力線接收到主節(jié)點發(fā)送的控制指令，回傳通過土壤水分含量傳感器采集的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)。傳感器節(jié)點框圖如圖4所示。

圖4 傳感器節(jié)點框圖Fig.4 Blockdiagram of Sensor node

設(shè)計選用由錦州陽光公司生產(chǎn)的TDR-3土壤水分傳感器，測量精度在0～50%(m3/m3)范圍內(nèi)為±2%。

2 輪灌智能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)功能的實現(xiàn)依賴于硬件和軟件的協(xié)同工作。主節(jié)點程序使用C語言編程，利用Keil uVision4作為編程調(diào)試平臺，使用J-Link V8作為調(diào)試器。從節(jié)點程序利用IAR Embedded Workbench for STM8 V6.3作為編程調(diào)試平臺，使用ST-Link V2作為調(diào)試器。程序中串口發(fā)送過程采用直接發(fā)送方式，采用串口中斷方式接收數(shù)據(jù)。

2.1 通信協(xié)議的設(shè)計

采用的協(xié)議為主—從結(jié)構(gòu)的半雙工通信方式。幀是傳送信息的基本單元。幀結(jié)構(gòu)如圖5所示。每一幀由3個部分組成，分為幀同步頭、地址域和數(shù)據(jù)域。

圖5 幀結(jié)構(gòu)Fig.5 Frame Construction

每幀一共8個字節(jié)。第一個字節(jié)為幀同步頭，必須為0x9b。第二個字節(jié)為地址域，范圍00H～FFH，用以區(qū)分不同的節(jié)點。后面的6個字節(jié)為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

采用同步傳輸方式發(fā)送，ST7540提供時鐘信號，在CLR的上升沿，TXD的數(shù)據(jù)被讀到FSK調(diào)制器。采用同步方式接收，ST7540將在片內(nèi)PLL的上升沿恢復(fù)時鐘信號，此后，F(xiàn)SK解調(diào)器中的值將被讀取到數(shù)據(jù)接收線RXD上。

ST7540內(nèi)部僅提供純透明的物理層通信協(xié)議，當(dāng)有噪聲信號混入有用信號時，ST7540無法區(qū)分，它將與有用信號一起被解調(diào)[15]。因此，為保證通信的可靠性，必須編制MAC通信協(xié)議。MAC層設(shè)計的考慮的重點是如何避免碰撞并降低傳送次數(shù)[16-18]。編制的通信協(xié)議如圖6所示。

圖6 通信協(xié)議Fig.6 Communication Protocol

在4 800 bps，借鑒計算機網(wǎng)絡(luò)通信中退避算法的思想，當(dāng)節(jié)點有發(fā)送數(shù)據(jù)請求時，先檢測總線狀態(tài)，若總線繁忙，隨機延時數(shù)十毫秒，檢測總線狀態(tài)，若總線空閑將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上。通信時采用廣播方式發(fā)送，在總線上的所有節(jié)點都可以接收到信息。所有節(jié)點始終監(jiān)聽總線上的信息，當(dāng)有信息時立即接收，各個節(jié)點通過判斷節(jié)點地址確認(rèn)信息的歸屬。目標(biāo)節(jié)點將解析接收信息，按照指令執(zhí)行相關(guān)操作。非目標(biāo)節(jié)點則丟棄信息，延時幾十毫秒時間后繼續(xù)監(jiān)聽總線數(shù)據(jù)。在時間上盡量避開，降低不同節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)的概率，提高通信成功率。

2.2 輪灌控制策略及抗干擾措施

輪灌智能控制系統(tǒng)每分鐘輪詢所有總線下的傳感器節(jié)點，傳感器節(jié)點接收到查詢指令后，采集土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)，有序上傳到主控制器節(jié)點，主控制器節(jié)點根據(jù)土壤水分含量與預(yù)先設(shè)定的閾值相比較，如果高于閾值，則關(guān)閉電磁閥，停止灌溉。在不超過閾值的情況下，主控制器節(jié)點發(fā)送輪流灌溉的指令，實現(xiàn)分區(qū)域輪灌的目的。

輪灌控制策略如圖7所示。

圖7 輪灌控制策略 Fig.7 Rotation control strategy

針對電力線頻率的脈沖干擾，信號傳輸距離不超過1 000 m，并把數(shù)據(jù)分組重組[19]，把土壤濕度及控制數(shù)據(jù)分成若干短數(shù)據(jù)組，而在接收端給予重組。試驗表明，短分組有利于避開電力線上干擾，并在單個短分組被破壞時將其重傳，提高系統(tǒng)的傳輸效率。同時在各節(jié)點與電力線的接口處加裝阻波器，利用電感和分布電容對不同頻率信號呈不同阻抗的特點, 阻擋高頻電磁波的干擾。

3 系統(tǒng)測試

實驗采用果園輪灌系統(tǒng)中常用的聚氯乙烯絕緣雙絞線作為測試電力線，線長100 m，單根線內(nèi)徑為0.5 mm2，絕緣厚度為0.8 mm，額定電流3 A。測試時，雙絞線接入大功率的直流穩(wěn)壓電源，穩(wěn)壓電路輸出24 V直流。在校園內(nèi)的盆栽柑橘園對系統(tǒng)進(jìn)行噴灌測試，檢測系統(tǒng)在實際工作過程中，通信的可靠性和分區(qū)輪灌系統(tǒng)功能的執(zhí)行情況。

3.1 測試過程

在盆栽柑橘園選取長勢相近的3盆柑橘樹(其中1盆土壤較緊實，另外2盆土壤疏松)，其中兩盆作為試驗柑橘，另外一盆作為對照組，對照組全天不噴灌。將1個主節(jié)點和2個已分配地址的傳感器節(jié)點1通過PLCC接入到柑橘園的灌溉系統(tǒng)，其中，傳感器節(jié)點1部署在土壤緊實的柑橘盆中，傳感器節(jié)點2部署在土壤疏松的柑橘盆中，水泵控制節(jié)點1控制1號電磁閥，水泵控制節(jié)點2控制2號電磁閥，測試時，兩盆柑橘配置相同的灌溉參數(shù)，定時讀取兩盆柑橘樹的土壤含水量，測試場景如圖8所示。

圖8 盆栽柑橘噴灌測試場景Fig.8 Potted citrus spray test scenarios

系統(tǒng)分為兩個噴灌工作時段，早上8∶00開始到11∶00結(jié)束和下午17∶00開始到19∶30結(jié)束兩個時段。將兩個從節(jié)點的灌溉參數(shù)設(shè)置為每分鐘主節(jié)點輪詢兩個從節(jié)點的土壤水分含量，兩個從節(jié)點輪流噴灌5 min，設(shè)定盆栽土壤含水量閾值為33%[20]，當(dāng)超過閾值且主節(jié)點輪詢得到傳感器節(jié)點返回信息時停止噴灌，當(dāng)?shù)陀陂撝登抑鞴?jié)點輪詢得到從節(jié)點返回信息時開始噴灌。監(jiān)測到當(dāng)前土壤水分含量低于33%時，并不會立即開始新一輪的噴灌，而是需要等到下一個輪灌周期，主節(jié)點發(fā)送開啟電磁閥的指令，重新開始噴灌任務(wù)。噴灌前后土壤水分含量的變化如圖9所示。

圖9 灌溉前后土壤水分含量的變化Fig.9 Changes in soil moisture content before and after irrigation

3.2 試驗結(jié)果

從節(jié)點1(土質(zhì)緊實)開始階段30 min內(nèi)，土壤含水量上升緩慢，中間階段15 min內(nèi)土壤含水量快速上升到35%，超過閾值然后關(guān)閉，停止灌溉，土壤含水量緩慢下降。從節(jié)點2(土質(zhì)疏松)整個階段土壤含水量緩慢上升，兩個從節(jié)點經(jīng)過1 h之后都達(dá)到閾值，結(jié)束噴灌。在盆栽柑橘測試過程中，每15 min采集一次空氣溫度，平均氣溫為18.9 ℃。試驗結(jié)果如圖10所示。每一輪噴灌耗時10 min，期間更新土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)10次。

圖10 分區(qū)輪灌對盆栽柑橘土壤含水量的影響曲線圖Fig.10 Partitions round curves of irrigation on soil moisture of potted citrus

實驗結(jié)果表明，主節(jié)點與從節(jié)點基于PLCC組成的分區(qū)輪灌控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)山地果園分區(qū)控制灌溉的功能；另一方面可以得知在相同環(huán)境參數(shù)(溫度、濕度)下，土壤含水量變化會受到土壤的松緊程度的影響。

4 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)灌溉控制系統(tǒng)通信方式的缺點，結(jié)合山地果園電力線分布特點，將電力線載波通信技術(shù)應(yīng)用于分區(qū)輪灌控制系統(tǒng)中，在試驗中，系統(tǒng)可以成功將傳感器的土壤濕度數(shù)據(jù)及控制指令通過電力線載波進(jìn)行傳輸。

(1)設(shè)計了基于PLCC的噴灌智能控制系統(tǒng)，以ST7540電力線載波芯片為核心設(shè)計了電力線載波通信模塊，以STM32F103微控制器為主控的主節(jié)點，用于傳感器節(jié)點和水泵控制節(jié)點，設(shè)計了基于ST7540的載波通信協(xié)議。

(2)系統(tǒng)采用了輪灌控制策略及抗干擾措施，可以實現(xiàn)分時、分區(qū)輪灌，通過抗干擾措施提高了通信的可靠性。

(3)盆栽柑橘的節(jié)水自動灌溉系統(tǒng)試驗表明， 系統(tǒng)主節(jié)點與從節(jié)點基于PLCC組成的分區(qū)輪灌控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)山地果園分區(qū)控制灌溉的功能。

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