GSM技術(shù)在灌溉機(jī)組遠(yuǎn)程控制中的應(yīng)用

周正杰

(廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,南寧 530007)

0 引言

隨著智能農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展,針對(duì)種植環(huán)境復(fù)雜區(qū)域,灌溉設(shè)施的使用和日常維護(hù)存在較大困難,難以在灌溉過程中實(shí)施近距離操作。因此,采用一種能進(jìn)行遠(yuǎn)程智能化控制的灌溉系統(tǒng),成為促進(jìn)偏遠(yuǎn)地區(qū)甚至灌溉困難地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植發(fā)展的重要措施[1-2]。

筆者以灌溉機(jī)組為基礎(chǔ),利用GSM通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一種能夠進(jìn)行擴(kuò)展的通用型遠(yuǎn)程控制系統(tǒng),并采用個(gè)人計(jì)算機(jī)搭建遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)上位機(jī),從而達(dá)到利用移動(dòng)終端進(jìn)行系統(tǒng)操作的目的,實(shí)現(xiàn)灌溉機(jī)組的遠(yuǎn)程控制。

1 灌溉機(jī)組遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

當(dāng)需要進(jìn)行灌溉機(jī)組控制時(shí),可使用移動(dòng)終端或監(jiān)控平臺(tái)發(fā)送控制指令;系統(tǒng)中GSM通信模塊將控制指令傳送至MCU系統(tǒng)管理控制模塊,模塊根據(jù)接收到的控制指令控制灌溉系統(tǒng)控制模塊,帶動(dòng)灌溉機(jī)組進(jìn)行作業(yè)[3-4]。當(dāng)灌溉過程實(shí)施完成后,MCU系統(tǒng)管理控制模塊將采集到的環(huán)境參數(shù)及灌溉信息傳輸至GSM通信模塊,并將相關(guān)數(shù)據(jù)發(fā)送至系統(tǒng)監(jiān)控平臺(tái),進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析和處理[5-7]。

根據(jù)以上系統(tǒng)需求及功能分析,所設(shè)計(jì)的灌溉機(jī)組遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。系統(tǒng)主要包含GSM通信模塊、MCU系統(tǒng)控制模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、觸發(fā)模塊、電源模塊及指示和預(yù)警模塊[8]。

圖1 灌溉機(jī)組遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)框架圖Fig.1 Frame diagram of remote control system for irrigation unit

2 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)硬件

GSM通信模塊主要包含GSM模擬基帶處理器、GSM射頻模塊、供電模塊、存儲(chǔ)器、通訓(xùn)接口及SIM接口電路等[9],如圖2所示。在運(yùn)行過程中,通信模塊采用AT命令集合,實(shí)現(xiàn)通訊接口和外部設(shè)施的信息交互,主要完成數(shù)據(jù)的接收發(fā)送和信息數(shù)據(jù)基帶處理。

灌溉機(jī)組遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)MCU系統(tǒng)管理控制模塊采用MSP430型單片機(jī)作為主控制器,主要包含電源電路、晶振電路、復(fù)位電路及其他接口電路等。MSP430型單片機(jī)能將所有引腳引出,具有較高的集成度和實(shí)用性[10]。

圖2 灌溉機(jī)組遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通信模塊Fig.2 Communication module of irrigation unit remote control system

農(nóng)業(yè)灌溉機(jī)組一般常用灌溉水泵動(dòng)力源為三相交流異步電機(jī)。灌溉水泵是一種感性負(fù)載,在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生較大的反向電動(dòng)勢,接通瞬間會(huì)產(chǎn)生較大的尖峰電壓和浪涌電流。因此,進(jìn)行驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)時(shí)選用一種過零觸發(fā)型AC-SSR,其內(nèi)部含有浪涌吸收網(wǎng)絡(luò),主要包含光電隔離電路、電壓過零檢測觸發(fā)電路及雙向晶閘管控制電路[11-12],如圖3所示。

圖3 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)觸發(fā)器內(nèi)部電路圖Fig.3 Internal circuit diagram of remote control system drive trigger

灌溉機(jī)組遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)中指示和預(yù)警模塊包含兩路LED電路和兩路語音集成電路。其中,LED電路利用4.7kΩ電阻和LED串聯(lián)而成,利用單片機(jī)直徑進(jìn)行驅(qū)動(dòng),一路為單片機(jī)開機(jī)指示燈,另一路為通信模塊工作狀態(tài)指示燈,如圖4所示。語音集成電路主要包含語音集成芯片和揚(yáng)聲器兩部分,且語音集成芯片分為語音芯片和音樂芯片。

灌溉機(jī)組遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)采用蓄電池和太陽能電池板相結(jié)合的方式進(jìn)行供電,不同模塊所需供電電壓不同,需要設(shè)計(jì)不同的穩(wěn)壓電路模塊將系統(tǒng)輸入電壓轉(zhuǎn)換為各模塊所需的供電電壓。圖5所示為灌溉機(jī)組遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)電源模塊原理圖。

圖5 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)電源模塊原理圖Fig.5 Schematic diagram of power module of remote control system

3 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)軟件

灌溉機(jī)組遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)工作過程中,首先進(jìn)行系統(tǒng)上電,MSP430單片機(jī)進(jìn)行初始化,GSM通信模塊進(jìn)行初始化;初始化完成后,接收相關(guān)控制指令,并對(duì)控制指令進(jìn)行必要的分析判斷,遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)根據(jù)指令執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行警示,并驅(qū)動(dòng)灌溉水泵電機(jī)旋轉(zhuǎn),完成相關(guān)灌溉控制流程。灌溉完成后,系統(tǒng)要求能夠在此進(jìn)行警示,并采用GSM通信模塊向MCU管理控制模塊反饋灌溉過程相關(guān)信息[13-14]。圖6所示為灌溉機(jī)組遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主程序運(yùn)行流程圖。

灌溉機(jī)組遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)上位機(jī)采用PC機(jī),利用MatLab GUI進(jìn)行軟件監(jiān)控平臺(tái)搭建,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)接收、發(fā)送及分析處理,并可借助MatLab中現(xiàn)有的數(shù)據(jù)分析包進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析。

圖6 灌溉機(jī)組遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主程序運(yùn)行流程圖Fig.6 Main program flow chart of remote control system of irrigation unit

4 系統(tǒng)試驗(yàn)分析

灌溉機(jī)組遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)試驗(yàn)過程中,對(duì)系統(tǒng)功能模塊運(yùn)行過程中的信息延遲和遺漏指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。系統(tǒng)要具有較高的可靠性,且運(yùn)行過程中要求能夠?qū)π畔⒀舆t和遺漏指標(biāo)進(jìn)行控制,保證灌溉機(jī)組遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)具有較高的可靠性。圖7所示為灌溉機(jī)組遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)接線圖。

圖7 灌溉機(jī)組遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)接線圖Fig.7 Wiring diagram of remote control system of irrigation unit

測試過程中,分別采用6個(gè)移動(dòng)終端對(duì)控制系統(tǒng)發(fā)送遠(yuǎn)程控制指令和其他干擾指令,監(jiān)測灌溉機(jī)組能否按照指令進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作,每個(gè)移動(dòng)終端發(fā)送80條有效控制指令和20條干擾信息指令,試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 灌溉機(jī)組遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)Table 1 Statistical data of irrigation unit remote control system test

續(xù)表1

5 結(jié)論

灌溉機(jī)組遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想,通過GSM通信技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的灌溉機(jī)組進(jìn)行智能化遠(yuǎn)程控制,可保證系統(tǒng)運(yùn)行過程中具有較高的可靠性。試驗(yàn)結(jié)果表明:灌溉機(jī)組遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)能夠利用遠(yuǎn)程終端或監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái),進(jìn)行指令的發(fā)送和系統(tǒng)相關(guān)信息數(shù)據(jù)的查看。