基于MBus的水肥一體化施肥機(jī)傳感器監(jiān)測系統(tǒng)研制

高菊玲，孫昌權(quán)，黃 鋒

(1. 江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 句容 212400；2.江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程中心，江蘇 句容 212400)

我國人口已有14億人，人均耕地面積小，淡水資源短缺[1]，嚴(yán)重威脅著農(nóng)業(yè)的正常生產(chǎn)。因而節(jié)水灌溉研究一直都是一項(xiàng)重要而緊迫的任務(wù)。隨著滴灌、微噴灌、噴灌等技術(shù)的發(fā)展，能夠?qū)⑺式Y(jié)合起來的水肥一體化技術(shù)也在不斷進(jìn)步[2]。

水肥一體化技術(shù)是以滴灌和噴灌技術(shù)為基礎(chǔ)，能夠一次性將植物所需的肥料和灌溉水輸送給植物，滿足植物的生長所需。近年來隨著無土栽培技術(shù)的普及，在克服土壤連作障礙，提高投入產(chǎn)出比，提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量方面，無土栽培技術(shù)顯示出強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿3]。但無土栽培面臨著栽培基質(zhì)無法提供充足養(yǎng)分的問題，水肥一體化技術(shù)正是這個(gè)問題的解決方法。水肥一體化技術(shù)和無土栽培技術(shù)的結(jié)合可以說是順應(yīng)了農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展?，F(xiàn)階段，施肥一體化技術(shù)的研究，有的是施肥機(jī)控制算法的研究[4-6]，有的是施肥機(jī)混肥系統(tǒng)的研究[7,8]。為了提高肥料的利用率，降低生產(chǎn)成本，各種信息技術(shù)也進(jìn)入到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，將物聯(lián)網(wǎng)與作物栽培結(jié)合起來[9]，發(fā)揮植物的生產(chǎn)潛能?？梢灶A(yù)見，未來的水肥一體化技術(shù)，將會是自動化控制、植物生長生理、信息技術(shù)三者的相互結(jié)合。

與此同時(shí)，在工業(yè)控制領(lǐng)域，智能化儀表、電磁閥控制技術(shù)日趨成熟，甚至人們生活中，也出現(xiàn)了遠(yuǎn)程抄表技術(shù)[10]。這些技術(shù)能夠提高設(shè)備的自動化程度，減少人的維護(hù)復(fù)雜程度，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的遠(yuǎn)程監(jiān)管[11]。這些技術(shù)在農(nóng)業(yè)上是否有適用的場合，需要不斷地探索。

本文對水肥一體化施肥機(jī)的傳感器網(wǎng)絡(luò)展開研究，使用電力線載波技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的供電和通訊，采集施肥區(qū)域的環(huán)境參數(shù)，進(jìn)而控制施肥機(jī)的運(yùn)作。對該技術(shù)的可用價(jià)值進(jìn)行評價(jià)，以期為該技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用提供參考。

1 施肥機(jī)水肥一體化技術(shù)和MBus技術(shù)

1.1 施肥機(jī)水肥一體化技術(shù)

水肥一體化技術(shù)，以滴灌和噴灌技術(shù)為基礎(chǔ)，使用管道輸送水，配合肥料融合和肥料調(diào)節(jié)施肥裝置，將灌溉水以及作物需要的肥料一次性輸送到植物根系的施肥技術(shù)[12]。

一般而言，水肥一體化技術(shù)包括兩個(gè)層面，一是硬件層面，包括貯肥罐、混肥器、施肥管路和各種電磁閥；二是軟件層面，用于和作物、環(huán)境相耦合，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的肥料施用控制，進(jìn)而提高肥料的利用率，提升作物的品質(zhì)，減少對環(huán)境的污染。

在實(shí)際的生產(chǎn)實(shí)踐中，人們逐漸意識到水肥一體化技術(shù)能夠降低生產(chǎn)成本，減少水資源的利用，有效提高作物的產(chǎn)量。如果能夠根據(jù)作物需水需肥規(guī)律，制定合理可靠的灌溉施肥制度，將會更進(jìn)一步提升作物產(chǎn)量，保證較高的作物品質(zhì)。

1.2 MBus技術(shù)

Metering-Bus簡稱MBus，是一種專門為計(jì)量儀表數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸而設(shè)計(jì)的主從式半雙工總線，只需2根線纜，便可完成主站與遠(yuǎn)程從站之間的通訊。

MBus系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)見圖1，包括一個(gè)主站和多個(gè)從站。MBus采用“主站呼叫-從站應(yīng)答”的方式通訊，從站之間不能直接進(jìn)行通訊。Mbus使用兩線制通訊，不區(qū)分正負(fù)極、施工簡單、故障率低，總線具有一定的帶載能力，能夠直接給從機(jī)遠(yuǎn)程供電，使用獨(dú)特的電氣特征傳輸信號，擁有優(yōu)秀的抗干擾能力。Mbus技術(shù)廣泛應(yīng)用于測量儀表數(shù)據(jù)數(shù)字化中，比如數(shù)字抄表系統(tǒng)、大型商場的火警監(jiān)測系統(tǒng)等[13]。

圖1 MBus系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)

與MBus應(yīng)用場景相近的還有RS485技術(shù)。但是RS485技術(shù)存在一些不足：容量少，接入設(shè)備不能超過128個(gè)；通信速率低，隨著距離的延伸，通信速率迅速降低；只能采用非隔離的通訊方式，不適合長距離的戶外通訊；不能給設(shè)備直接供電；RS485的芯片功耗較大，容易增加線路上的電壓降；布線方式受限制，只能使用串行方式。這些局限，更能顯示出MBus的先進(jìn)。

2 基于MBus的施肥機(jī)傳感器監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)與組成

一般而言，施肥機(jī)組成包括：供水系統(tǒng)、攪拌電機(jī)、母液桶、增壓泵、混肥器、施肥管路、終端施肥的執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電磁閥、控制器和人機(jī)交互界面(HMI)。

為了降低系統(tǒng)復(fù)雜程度，重點(diǎn)驗(yàn)證MBus技術(shù)在施肥機(jī)方面的應(yīng)用，本系統(tǒng)的施肥機(jī)架構(gòu)與組成見圖2。

圖2 施肥機(jī)架構(gòu)與組成

選擇三菱公司的Fx3G作為控制器，接口豐富，擴(kuò)展功能強(qiáng)，易于通過安裝IO模塊增加輸入輸出能力。威綸通公司生產(chǎn)的HMI以可靠穩(wěn)定、支持通信協(xié)議廣泛而聞名，能夠通過簡單的配置和PLC通訊，故選擇該公司的MT8102iP作為HMI。

本系統(tǒng)施肥機(jī)的工作原理是：PLC接收用戶的設(shè)定，按時(shí)開啟增壓泵，利用文丘里效應(yīng)，母液桶中的濃縮母液經(jīng)過流量控制閥進(jìn)入到文丘里中，經(jīng)混合后，制成特定比例的工作液?？刂破魍ㄟ^對施肥管路中不同區(qū)域電磁閥的開閉，實(shí)現(xiàn)對不同區(qū)域的施肥作業(yè)。為了簡化設(shè)備的復(fù)雜度，提高可靠性，本設(shè)備取消了母液的自動化配置，采用手動調(diào)節(jié)流量控制閥，來控制不同的營養(yǎng)液濃度。

電磁閥的安裝靠近施肥機(jī)，便于供電和控制。MBus主站安裝在施肥機(jī)控制配電板上，與HMI連線通訊，MBus供電直接從配電板取得。

在施肥區(qū)域安裝MBus從站，其中從站的硬件設(shè)計(jì)見圖3[14]。

圖3 MBus從站硬件設(shè)計(jì)

從站用于采集施肥區(qū)域的環(huán)境參數(shù)，反饋給控制器。因?yàn)镸Bus模塊的特性，單片機(jī)可以直接從MBus總線獲取所需的電能，解除了用電的限制，在單片機(jī)的程序上可以增加傳感器的采樣頻率，提高對施肥區(qū)域環(huán)境參數(shù)變化的響應(yīng)速度。使用銅康銅熱電偶，安裝在土壤下5 cm，用于采集土壤的溫度數(shù)據(jù)。土壤濕度傳感器利用電極測量土壤的電阻率，測量結(jié)果為電壓輸出型，輸出范圍為0～3.7 V，使用MCU的ADC模塊將電壓值轉(zhuǎn)化為土壤相對含水量。

主站部分，如果使用Fx3G的擴(kuò)展板增加一個(gè)串行通信接口，那么會導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備的成本增加，本設(shè)計(jì)充分利用威綸通HMI多出來的DB9接口，使用Free Protocol通信協(xié)議，在威綸通的宏命令中使用INPORT和OUTPORT函數(shù)，自行定義數(shù)據(jù)幀的格式，具體格式見表1。主站和從站的數(shù)據(jù)幀均遵守MBus儀表總線協(xié)議。采集的數(shù)據(jù)存儲在人機(jī)交互界面中，每5 min保存一次記錄。同時(shí)約定從站應(yīng)答的數(shù)據(jù)格式，見表2。

表1 MBus數(shù)據(jù)幀格式

表2 從站應(yīng)答幀中DATA部分格式

2.2 系統(tǒng)控制流程

主站部分，設(shè)置HMI的COM2接口使用Free Protocol協(xié)議，編寫宏程序。當(dāng)機(jī)器開機(jī)以后，主站以10 s為一個(gè)周期向從站發(fā)送查詢幀，向從站輪詢采集的環(huán)境參數(shù)。接收到從站返回的數(shù)據(jù)幀后，對從站發(fā)回的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，存放在HMI的寄存器中。HMI根據(jù)區(qū)域的環(huán)境參數(shù)與設(shè)定值進(jìn)行比較，將控制指令下發(fā)給PLC，進(jìn)而控制對應(yīng)區(qū)域電磁閥的開閉。主站查詢與控制流程圖見圖4。

圖4 主站查詢與控制流程圖

從站在UART的中斷中偵聽主站的查詢請求，一旦MBus從站模塊獲取到詢問幀，從站則進(jìn)入U(xiǎn)ART中斷服務(wù)，將從站連接的傳感器數(shù)據(jù)組裝后，按照MBus協(xié)議的要求遞交給MBus從站模塊，然后數(shù)據(jù)發(fā)送到主站中。從站中斷工作流程圖見圖5。

圖5 從站中斷工作流程圖

從站使用STM32F1x芯片的TIM，定期對傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，由于DHT11自身已經(jīng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，故每次直接讀取該傳感器的數(shù)據(jù)作為最新值。

(1)

式中：x為最新的采樣值；yi為更新前的數(shù)值；yi+1為更新后的值。

銅康銅熱電偶、土壤濕度傳感器的數(shù)據(jù)有一定的波動，為了減少波動對數(shù)據(jù)的影響，使用式(1)更新地溫?cái)?shù)值。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)在江蘇農(nóng)博園的連棟塑料溫室中進(jìn)行，對機(jī)器進(jìn)行兩種工作模式下的驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)實(shí)際采用的是一主一從的方式，A組試驗(yàn)和B組試驗(yàn)交替進(jìn)行，兩組試驗(yàn)間隔4 h。

A組實(shí)驗(yàn)，使用基于MBus通訊的傳感器采集區(qū)域的濕度情況。對比土壤濕度閾值，決定電磁閥的通斷。具體策略見式(2)。

(2)

式中：yi為i區(qū)域采集回來的濕度值；t為濕度設(shè)定的閾值，上下浮動10%，作為模糊區(qū)間，不作控制；YV為電磁閥，YV=on表示電磁閥開啟，YV=off表示電磁閥關(guān)閉。

實(shí)驗(yàn)每次2 h，記錄土壤相對含水量。

B組實(shí)驗(yàn)，在HMI上寫排程，用于定時(shí)控制PLC開啟電磁閥。設(shè)定形式為每半小時(shí)開啟電磁閥5 min，試驗(yàn)同樣進(jìn)行2 h，記錄土壤相對含水量。

使用土壤相對含水量表示土壤濕度，即土壤含水量占該土壤田間持水量的百分比，見下式。

(3)

在從站部分使用了片上自帶的ADC模塊，該模塊為12位逐次逼近型，可以將電壓、電流等模擬量信號轉(zhuǎn)化為0～4 096之間的數(shù)值。為了建立土壤相對含水量與傳感器數(shù)值之間的關(guān)系，需要對土壤含水量與ADC輸出數(shù)值進(jìn)行標(biāo)定。采集溫室內(nèi)土壤，進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，取平均值作回歸方程。標(biāo)定結(jié)果如圖6所示。

圖6 土壤含水量與ADC讀值標(biāo)定曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果的均勻性使用Christiansen計(jì)算法計(jì)算，見下式。

(4)

式中：ci為第i個(gè)采樣；n為樣本容量；Cu為樣本點(diǎn)的均勻性值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與設(shè)定的相符程度用平均誤差平方和來描述，值越小，那么實(shí)驗(yàn)結(jié)果和設(shè)定值越相符。

(5)

式中：s為系統(tǒng)設(shè)置的濕度閾值；ci為所采的樣本；n為樣本容量；Qc-s為平均誤差平方和。

3.2 結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)對2 h內(nèi)的變化進(jìn)行了細(xì)致的記錄，數(shù)據(jù)為3次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的算術(shù)平均值。對A組實(shí)驗(yàn)，濕度設(shè)定閾值為70%。B組實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為每經(jīng)過30 min，打開電磁閥灌溉5 min。兩組實(shí)驗(yàn)下相對土壤含水量見圖7。

圖7 兩組實(shí)驗(yàn)下土壤相對含水量

從圖7可以看出，兩種模式下，土壤的相對含水量都呈現(xiàn)鋸齒狀變化，分別在打開電磁閥灌溉后約5 min，土壤相對含水量達(dá)到峰值，之后緩慢下降，最終在25 min后，濕度下降到低于設(shè)定值。B組實(shí)驗(yàn)，采用的是定時(shí)灌溉模式，土壤相對含水量上升的時(shí)機(jī)比較一致，灌溉5 min的設(shè)計(jì)能夠滿足70%的土壤相對含水量設(shè)計(jì)指標(biāo)，但是土壤相對含水量有不斷增高的趨勢。

A組實(shí)驗(yàn)，每當(dāng)達(dá)到土壤相對含水量下閾值的時(shí)候，則開啟電磁閥進(jìn)行灌溉，一直到相對含水量達(dá)到上閾值，則關(guān)閉電磁閥。對比B組的試驗(yàn)結(jié)果，可以看出，A組實(shí)驗(yàn)雖然也呈現(xiàn)出鋸齒狀的土壤相對含水量變化，但變化范圍始終圍繞在設(shè)定值附近。B組實(shí)驗(yàn)采用定時(shí)灌溉的策略，隨著時(shí)間的增加，土壤相對含水量實(shí)際處于一個(gè)逐漸升高的狀態(tài)中，穩(wěn)定性不如A組實(shí)驗(yàn)。Christiansen計(jì)算法的結(jié)果也印證了這個(gè)觀察，其中A組實(shí)驗(yàn)的均勻系數(shù)為92.157 3%，B組實(shí)驗(yàn)的均勻性系數(shù)為90.837 5%。

當(dāng)對比兩種方式與設(shè)定值的相符程度時(shí)，A組平均誤差平方和為54.892，B組為142.929，B組顯著高于A組，說明A組更加接近設(shè)定值，與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符。

4 結(jié) 語

基于MBus的施肥機(jī)傳感器監(jiān)測系統(tǒng)，通過Mbus技術(shù)將傳感器直接與施肥機(jī)控制設(shè)備相連，有效解決了定時(shí)方式的傳統(tǒng)施肥機(jī)無法精確對水肥施用控制的問題。與傳統(tǒng)的定時(shí)控制相比，使用從站節(jié)點(diǎn)獲取區(qū)域的環(huán)境參數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更加準(zhǔn)確的施肥控制，避免水肥的浪費(fèi)，具有良好的研究推廣價(jià)值。

本系統(tǒng)僅是MBus技術(shù)與施肥機(jī)相結(jié)合的初步探索，實(shí)驗(yàn)時(shí)間有限，兩種技術(shù)的結(jié)合還有很多方面可以挖掘，如何提高施肥的準(zhǔn)確性，提高M(jìn)Bus從站節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，在新的技術(shù)融合下，改進(jìn)施肥機(jī)的控制算法仍有待進(jìn)一步驗(yàn)證。