自組網(wǎng)型高效節(jié)能節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李柏林，劉白楊，陳嘉偉，程 鋼

（邵陽學(xué)院，電氣工程系，湖南邵陽，422000）

自組網(wǎng)型高效節(jié)能節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李柏林，劉白楊，陳嘉偉，程 鋼

（邵陽學(xué)院，電氣工程系，湖南邵陽，422000）

針對目前我國存在農(nóng)業(yè)灌溉水資源浪費(fèi)嚴(yán)重、耗電量大的問題，設(shè)計(jì)了一套基于STM32自組網(wǎng)型高效節(jié)能節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用太陽能光伏供電、無線組網(wǎng)和氣象數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，緩解了農(nóng)業(yè)灌溉用電需求緊張的局面，擴(kuò)大了環(huán)境檢測范圍，通過制定精細(xì)化灌溉方案，實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能節(jié)水的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，太陽能供電穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)運(yùn)行功耗低，組網(wǎng)靈活可靠，數(shù)據(jù)監(jiān)測范圍廣，實(shí)時(shí)獲取氣象數(shù)據(jù)，有效地降低了用電量和用水量，提高了灌溉效率。因此在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)、水資源短缺和電能供應(yīng)不足的地區(qū)本系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

農(nóng)業(yè)灌溉；天氣預(yù)測；光伏發(fā)電；自組網(wǎng)

0　引言

我國雖然是一個(gè)人口大國，人口眾多，但是資源稀缺。在灌溉用水方面，南北、東西資源不協(xié)調(diào)，干旱的自然災(zāi)害多，缺水嚴(yán)重，比如說我過的淡水的總量只占了全球的百分之六，人口總量卻是全球的五分之一，所以我國是全球人均水資源最貧乏的國家之一。總量不多，再除去偏遠(yuǎn)地區(qū)的和分散的水資源，可以利用的總量就更少了，僅為我國總量的二分之一不到。而我國農(nóng)業(yè)還不是集中化的管理，所以用水量很大，灌溉效率低，整體用水非常浪費(fèi)。

在灌溉用電方面，每年灌溉期，農(nóng)業(yè)負(fù)荷季節(jié)性增長較快，嚴(yán)峻考驗(yàn)著電網(wǎng)運(yùn)行及主設(shè)備負(fù)載能力，給電網(wǎng)的安全可靠供電帶來很大壓力。如何在春夏季灌溉高峰期保證農(nóng)業(yè)負(fù)荷用電，不誤農(nóng)時(shí)，是目前研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題之一。

可見，高效節(jié)能節(jié)水灌溉系統(tǒng)對于節(jié)約水資源、緩解供電緊張局面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。鑒于此設(shè)計(jì)一套自組網(wǎng)型高效節(jié)能節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，采用太陽能光伏供電系統(tǒng)，對土壤和空氣環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，各檢測點(diǎn)之間自動組網(wǎng)，數(shù)據(jù)無線傳輸，擴(kuò)大檢測范圍，并結(jié)合氣象預(yù)測數(shù)據(jù)對灌溉實(shí)施決策，從真正意義上實(shí)現(xiàn)綜合高效節(jié)能節(jié)水農(nóng)業(yè)灌溉，根據(jù)農(nóng)作物生長的不同階段使其處于最佳的土壤濕度環(huán)境之中，提高農(nóng)作物產(chǎn)量的同時(shí)節(jié)省水資源。

1　總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)供電，通過無線自組網(wǎng)數(shù)據(jù)采集模塊對土壤中含水量以及空氣溫濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并傳輸?shù)教幚砥?，另外處理器通過網(wǎng)絡(luò)模塊不僅可以實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)到云端，通過web和手機(jī)app進(jìn)行監(jiān)控，還可以遠(yuǎn)程獲取氣象局的天氣數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，合理安排灌溉計(jì)劃。系統(tǒng)采用微分先行PID進(jìn)行綜合控制，智能的調(diào)節(jié)繼電器的開關(guān)時(shí)長，實(shí)現(xiàn)高效智能全自動的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　自組網(wǎng)型高效節(jié)能節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1　系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)由STM32單片機(jī)與NRF24L01無線射頻模塊組成。STM32采用STM32F103C8T6閃存32位微控制器。它基于突破性的ARMCortex-M3內(nèi)核，工作頻率為72 MHz，內(nèi)部集成了高速存儲器（高達(dá)128 Kb閃存和20 KbSRAM）、通過APB總線連接豐富增強(qiáng)的外設(shè)和I/O，另外包含了2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN。

無線組網(wǎng)模塊采用NRF24L01，這是一款極低功耗的射頻模塊，相比于Zigbee，它同樣低功耗并且可組網(wǎng)，但價(jià)格更低，傳輸距離更遠(yuǎn)，在50M以內(nèi)丟包率接近于0，當(dāng)工作在發(fā)射模式下即發(fā)射功率為0dBm時(shí)，電流消耗僅為11.3mA ，接收模式下僅為12.3mA，在沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，自動進(jìn)入掉電模式或待機(jī)模式，從而減少更多的電流消耗。

圖2　數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)原理圖

圖3　SIM900A硬件原理圖

圖4　自組網(wǎng)流程圖

節(jié)點(diǎn)與傳感器連接之后便可采集數(shù)據(jù)，節(jié)點(diǎn)之間通過一套自組網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行逐級連接，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行綜合處理。節(jié)點(diǎn)原理圖如圖2所示。

1.2網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)由STM32單片機(jī)、NRF24L01無線射頻模塊、SIM900A模塊組成。SIM900A是緊湊型、高可靠性的網(wǎng)絡(luò)通信模塊，采用SMT封裝的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案，性能穩(wěn)定，外觀精巧，性價(jià)比高，并且能夠滿足設(shè)計(jì)的多種需求。通過STM32的異步串行口發(fā)送AT指令，可以操作SIM900A模塊以GPRS方式與PC上位機(jī)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等進(jìn)行遠(yuǎn)程通訊，這使得節(jié)點(diǎn)更加強(qiáng)大，由此將其作為整個(gè)自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)匯總并分析各節(jié)點(diǎn)信息，并進(jìn)行灌溉控制。SIM900A的硬件原理圖如圖3所示。

2　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

2.1自組網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與低功耗優(yōu)化。為滿足農(nóng)田系統(tǒng)大規(guī)模數(shù)據(jù)采集的需要，設(shè)計(jì)了一套基于低功耗NRF24L01的自組網(wǎng)協(xié)議，整個(gè)協(xié)議層具有完全的自主知識產(chǎn)權(quán)，其組網(wǎng)流程如圖4所示，它具有以下特點(diǎn)：

（1）自動搜尋和連接，斷網(wǎng)可重連；

（2）層級輻射式組網(wǎng)，理論上可連接數(shù)萬個(gè)節(jié)點(diǎn)；

（3）載波檢測，僅在信道通暢條件下傳輸，避免擁擠；

（4）高效節(jié)能，性價(jià)比高。

由于節(jié)點(diǎn)布置數(shù)量較多，因此有必要進(jìn)行一定的低功耗優(yōu)化，程序充分利用STM32的特點(diǎn)做了如下改進(jìn)：

（1）盡量不使用STM32的高頻systick clock、DMA、TIM等外設(shè)，同時(shí)設(shè)置睡眠模式，通過外部中斷（無線模塊接收到數(shù)據(jù)時(shí)可觸發(fā)）和RTC低功耗時(shí)鐘定時(shí)喚醒，設(shè)置之后功耗從幾十mA降至約3mA；

（2）輸入管腳模式設(shè)為和常態(tài)一致，如果常態(tài)是低電平則設(shè)為下拉輸入，反之則設(shè)為上拉輸入，防止形成回路，白白消耗電流，未連接的管腳則全部設(shè)為下拉輸入，防止產(chǎn)生漏電流；

（3）避免復(fù)雜運(yùn)算，如指數(shù)運(yùn)算、浮點(diǎn)乘除，改用移位運(yùn)算或查表操作，減少處理時(shí)序，增加休眠時(shí)間，節(jié)省更多能耗。

經(jīng)過一系列優(yōu)化之后，單片機(jī)功耗可降至幾十uA左右。

2.2天氣數(shù)據(jù)獲取與墑情監(jiān)測。系統(tǒng)使用GPRS通信模塊與氣象服務(wù)器連接，下載并解析當(dāng)天和未來多天的天氣數(shù)據(jù)，天氣類型有三十余種，鑒于天氣預(yù)測的不確定性，這里只摘取今明后三天，天氣按照等級排列，晴天排在0號，根據(jù)降雨概率和降雨量從小到大依次往后排，降水變化對作物的需水量有一定影響，所以根據(jù)未來天氣情況可以在一定程度上預(yù)知需水量變化，結(jié)合本地所測數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，從而優(yōu)化灌溉策略，提高灌溉效率。

同時(shí)，實(shí)時(shí)上傳土壤墑情數(shù)據(jù)到云端服務(wù)器，并保存在數(shù)據(jù)庫中，使用Web或手機(jī)App可對土壤墑情進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測及歷史數(shù)據(jù)查詢，方便并及時(shí)處理異常情況，如水管爆裂或漏水等，防止水資源浪費(fèi)。示意如圖5所示。

圖5　天氣預(yù)測數(shù)據(jù)獲取與墑情檢測示意圖

2.3系統(tǒng)決策與控制方式。單片機(jī)通過控制一個(gè)繼電器，間接的對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，這適用于多種控制對象，可以為水泵，也可以為電磁閥等。

圖7　現(xiàn)場調(diào)試實(shí)物圖

圖8　web上位機(jī)顯示的系統(tǒng)控制實(shí)物圖

地表土壤的水分收支主要受兩個(gè)因素的控制，一個(gè)是來自大氣的降水，另一個(gè)是地表的蒸散，由于本系統(tǒng)進(jìn)行的是實(shí)時(shí)控制，所以可以不考慮地表蒸散，只引入降水情況觀測，也即天氣預(yù)報(bào)功能，天氣預(yù)測只使用明后兩天的天氣，設(shè)明天的天氣為S1，后天的為S2，K1、K2為兩個(gè)合理的比例系數(shù)。則

灌溉的自動控制是一個(gè)大慣性、純滯后、非線性的過程，常規(guī)的PID控制方法很容易就會引起超調(diào)，導(dǎo)致過分灌溉而浪費(fèi)水資源，針對灌溉控制的特殊性，系統(tǒng)采用微分先行的控制方案，它的特點(diǎn)是能夠按照被控參數(shù)變化速度大小矯正被控參數(shù)的偏差，對克服超調(diào)能起到很大作用，系統(tǒng)原理圖如圖6所示。

圖6　微分先行控制系統(tǒng)原理圖

其中X（s）為給定量，F(xiàn)（s）為擾動量，Y（s）為輸出，為滯后時(shí)間常數(shù)。同時(shí)，將時(shí)間分割成若干個(gè)單位時(shí)間，一般為（1-3），這一時(shí)間段內(nèi)控制對象已經(jīng)變化并趨于平穩(wěn)。定義灌溉強(qiáng)度（%）為單位時(shí)間內(nèi)灌溉時(shí)長與整個(gè)單位時(shí)長的比值，系統(tǒng)的控制對象為土壤濕度（%），輸出量則為灌溉強(qiáng)度，100%強(qiáng)度為單位時(shí)間內(nèi)一直灌溉，0%強(qiáng)度即單位時(shí)間內(nèi)不灌溉。

3　調(diào)試和性能分析

實(shí)驗(yàn)在室外進(jìn)行，實(shí)物如圖7所示，調(diào)整太陽能板使之迎向太陽光，用多塊干燥的鮮花泥模擬真實(shí)土壤，周圍安裝三個(gè)STM32單片機(jī)控制的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，以及一個(gè)帶有LCD顯示屏的STM32單片機(jī)控制終端，它們都接有一個(gè)無線模塊，傳輸距離可達(dá)100米，具有穩(wěn)定的自組網(wǎng)性能，這里將他們放在一起，以便觀察。設(shè)定濕度為70%，單片機(jī)通過GPRS模塊獲取今明后三天的天氣（陣雨），將設(shè)定值自動調(diào)整為61%，以節(jié)約用水量。

調(diào)試結(jié)果每隔10s一次上傳到云端，從Web查看的土壤墑情曲線，如圖8所示，結(jié)果表明，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間約為100s，超調(diào)量低于設(shè)定值的10%，靜態(tài)特性良好，保持在5%的波動范圍以內(nèi)，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，具有理想的控制效果。

4　結(jié)語

本作品緊緊圍繞“節(jié)能減排，綠色能源”主題，設(shè)計(jì)思路獨(dú)特，設(shè)計(jì)方法新穎，包括：

（1）自動獲取并分析氣象局天氣預(yù)報(bào)信息，結(jié)合本地墑情數(shù)據(jù)，提出一種用于節(jié)水灌溉的微分先行PID控制策略；

（2）提出一種“輻射式”無線自組網(wǎng)傳輸協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了大面積土壤和空氣環(huán)境檢測；

（3）實(shí)時(shí)上傳土壤墑情到云服務(wù)器，通過手機(jī)App、Web遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測和歷史數(shù)據(jù)查詢；

（4）提出一種基于太陽能光伏供電的系統(tǒng)低功耗運(yùn)行控制策略。

因此在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)、水資源短缺和電能供應(yīng)不足的地區(qū)本系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景，對提高農(nóng)業(yè)灌溉水資源利用率、滿足農(nóng)業(yè)灌溉用電需求具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］ 邵福宏.發(fā)展節(jié)水灌溉技術(shù)的現(xiàn)實(shí)意義［J］.農(nóng)民致富之友，2015，（4）：10.

［2］ 陶峰.中國農(nóng)業(yè)用水存在問題及節(jié)水對策［J］.北京農(nóng)業(yè)，2014，（9）：324.

［3］ 王鑫.春夏季灌溉高峰期農(nóng)業(yè)用電措施探討［J］.新疆農(nóng)墾科技，2011，（4）：77-78.

［4］ 于紅文.農(nóng)村灌溉用電存在的問題及對策［J］.中國價(jià)格監(jiān)督檢查，2012，（6）：23.

［5］ 金立民，王守國，葛子輝.長豐縣農(nóng)業(yè)灌溉用水用電調(diào)查與研究［J］.安徽農(nóng)學(xué)通報(bào)，2014，20（12）：141-142.

李柏林，（1994年2月-）男，漢族，湖南省岳陽市，本科生，研究方向：控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)；

劉白楊（通訊作者），（1987年3月-）男，漢族，河北省邢臺市，碩士，講師，研究方向：電氣自動化控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

Research on the Energy and Water-saving Intelligent Control System in agricultural irrigation

Li Bailin，Liu Baiyang，Chen Jiawei，Cheng Gang
（Department of electrical engineering， Shaoyang University， Shaoyang， Hunan 422000）

Water resources shortage is a key factor restricting agricultural production and sustainable socio-economic development in China. Also technical production efficiency，agricultural water waste and inefficient water use in farming regions contribute immensely to water resources shortage.To this end，the functions of photovoltaic generation，self-organizing network，weather forecast are realized in this intelligent control system. The prototype testing for energy and water-saving operational performance shows reliable photovoltaic power supply，convenient organizing network，large data acquisition scope and realtime collecting weather information.This agricultural irrigation control system will be a promising applied future in the field of acute water or electricity shortages.

agricultural irrigation；weather forecast；photovoltaic generation；self-organizing network

校企合作電氣類專業(yè)人才培養(yǎng)省級示范基地建設(shè)項(xiàng)目（湘教通〔2015〕274號）；2016年度湖南省大學(xué)生研究性學(xué)習(xí)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃項(xiàng)目（273）