基于電力載波的大棚灌溉控制系統(tǒng)研究

丁潔瑾，陳進(jìn)熹

（1.浙江同濟(jì)科技職業(yè)學(xué)院，浙江 杭州 311231；2.杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310018）

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉方式存在著巨大的水資源浪費(fèi)，目前我國近一半的水資源在灌溉過程中被浪費(fèi)。國務(wù)院批復(fù)的《全國水資源綜合規(guī)劃》中指出，到2030年，全國用水總量力爭(zhēng)控制在7000億立方米以內(nèi)，農(nóng)田灌溉水有效利用系數(shù)提高到0.6[1]。隨著5G時(shí)代的到來，現(xiàn)代化的智慧農(nóng)業(yè)灌溉也將成為提高灌溉水利用率、科學(xué)精細(xì)化管理農(nóng)作物生長的重要手段之一，信息化的應(yīng)用將有效降低蔬菜種植風(fēng)險(xiǎn)，提高蔬菜產(chǎn)量[2]。

我國溫室大棚生產(chǎn)方式大部分還處于粗放式管理階段，灌溉是目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理中較為棘手的問題。傳統(tǒng)人工灌溉既浪費(fèi)人力，又不能精準(zhǔn)把握農(nóng)作物的需水情況，需要依靠傳統(tǒng)種植積累的經(jīng)驗(yàn)，我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于美國、德國、加拿大、澳大利亞等發(fā)達(dá)國家[3]。

目前有不少關(guān)于大棚參數(shù)智能控制系統(tǒng)的研究[4-8]，本研究結(jié)合我國南方塑料蔬菜大棚的特點(diǎn)[9]，在現(xiàn)有大棚的基礎(chǔ)上，以低成本、易使用、智能化為目標(biāo)，利用電力載波作為大棚灌溉的通訊手段，利用ATmega2560作為灌溉節(jié)點(diǎn)的控制器，完成大棚灌溉節(jié)點(diǎn)的集中控制，實(shí)現(xiàn)智慧化的大棚節(jié)水灌溉系統(tǒng)管理。

1 控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

目前實(shí)現(xiàn)大棚灌溉的組網(wǎng)方法主要有有線通訊和無線通訊兩種，有線通訊傳輸穩(wěn)定可靠，但需要鋪設(shè)專用的通訊線纜，成本較高不適宜推廣。無線通訊（主要有無線局域網(wǎng)和運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)）克服有線通訊需要鋪設(shè)專用通訊線纜的問題，但也存在很多問題，無線局域網(wǎng)覆蓋范圍小，信號(hào)不穩(wěn)定，且需要維護(hù)，運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)后期使用成本較高。所以現(xiàn)有的有線通訊網(wǎng)絡(luò)和無線通訊網(wǎng)絡(luò)都不太適用于大棚灌溉場(chǎng)合。電力載波是以電力線作為通訊介質(zhì)的通訊手段，通過利用大棚中原來用于照明、溫度測(cè)量等場(chǎng)合電力線作為通訊線纜，在不增加通訊線纜的前提下實(shí)現(xiàn)灌溉節(jié)點(diǎn)的組網(wǎng)。

本系統(tǒng)采用經(jīng)濟(jì)實(shí)用型控制主板Arduino Meag2560控制板、電力載波傳輸模塊、土壤濕度傳感器、空氣溫度傳感器和其他傳感器組成，其中ATmeag2560主控芯片是系統(tǒng)控制中心，負(fù)責(zé)把采集上來的數(shù)據(jù)按照定義好的通信協(xié)議發(fā)送給上位機(jī)，數(shù)據(jù)主要包括大棚土壤的濕度和溫室空氣的溫度等?？刂葡到y(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

大棚灌溉系統(tǒng)整體方案采用一主多從的通訊方式進(jìn)行，一個(gè)通訊網(wǎng)絡(luò)內(nèi)包含一個(gè)主站和最多65534個(gè)從站。主站和從站的硬件結(jié)構(gòu)類似，主站主要用于從站數(shù)據(jù)的采集和處理，從站主要用于土壤濕度、空氣溫度等數(shù)據(jù)的采集和流量控制，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 基于電力載波的大棚灌溉網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要由主控制器和通訊模塊組成，主控制芯片都采用ATmega2560，通訊部分采用HLPLCS520F作為電力載波調(diào)整解調(diào)模塊。ATmega2560用來做傳感信號(hào)、控制信號(hào)的處理和數(shù)據(jù)傳輸，HLPLCS520F的主要作用是進(jìn)行載波信號(hào)的調(diào)制解調(diào)、協(xié)議處理和外設(shè)控制。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)除處理器和載波模塊外還包括發(fā)送和接受的外圍電路，主要作用是使數(shù)據(jù)放大驅(qū)動(dòng)[10]。

HLPLC520F電力載波模塊與處理器相連，用串口進(jìn)行數(shù)字量交換，HLPLCS520F內(nèi)部架構(gòu)如圖3所示?？刂破鬟壿嬢敵鼋永^電器等邏輯控制設(shè)備，數(shù)字信號(hào)輸出進(jìn)行土壤濕度測(cè)量和其它有需要的傳感器。HLPLC520F電力載波模塊的調(diào)制解調(diào)電路包括調(diào)制解調(diào)器、數(shù)據(jù)交互接口、載波信號(hào)發(fā)送及接收濾波放大電路。

圖3 系統(tǒng)電路框架圖

本系統(tǒng)采用FSK載波調(diào)制解調(diào)方式，規(guī)定信號(hào)1為111kHz頻率，信號(hào)0為109kHz頻率。在確定頻率后設(shè)計(jì)輸入輸出電路。在信號(hào)輸出環(huán)節(jié)需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，取111kHz和109kHz信號(hào)的中值110kHz為目標(biāo)頻率進(jìn)行輸出放大，提高信號(hào)的輸出功率。采用如圖4所示的濾波及放大電路對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行放大。采用基于MOS管的D類放大器作放大電路，放大器原理圖如圖4所示。

圖4 發(fā)送端電路設(shè)計(jì)

FSK_OUT為載波信號(hào)輸出端，信號(hào)經(jīng)過放大電路后形成方波信號(hào)，再通過濾波電路（C1、L1）輸送到電力線上。L1和C1組成的LC串聯(lián)諧振電路，可以對(duì)信號(hào)起到選頻的作用，針對(duì)110kHz頻率進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)諧振頻率計(jì)算公式算出L1和C1的值。

f0為諧振的中心頻率，為110kHz。為提高LC串聯(lián)諧振電路的選頻能力，在合理范圍內(nèi)選取LC串聯(lián)電路的品質(zhì)系數(shù)Q，Q的計(jì)算公式為：

當(dāng)Q取100，計(jì)算得L1值取10uH，C1值取200nF。還需要設(shè)計(jì)載波信號(hào)的接收電路，電力線上會(huì)許多雜波，通過接收濾波電路進(jìn)行過濾，采用LC并聯(lián)諧振電路作為接收端濾波電路[11]，如圖5所示。

圖5 FSK信號(hào)接收濾波器

R2為接收端的等效內(nèi)阻，取值500Ω。LC并聯(lián)諧振Q值計(jì)算公式為：

兼顧濾波器選頻能和元器件選型，將Q值設(shè)定為100。計(jì)算LC并聯(lián)諧振電路的L2和C2的值，經(jīng)計(jì)算得L2值為10uH，C2的值為300nF。

3 通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

大棚節(jié)水灌溉系統(tǒng)的通訊方式采用一主多從的方式，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)主站和最多65534個(gè)從站。為了保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，只允許主站與從站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，不允許從站與從站之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。大棚節(jié)水灌溉系統(tǒng)的通訊網(wǎng)絡(luò)可以劃分為三層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，通訊網(wǎng)絡(luò)如圖6所示。

圖6 基于電力載波的大棚灌溉系統(tǒng)通訊網(wǎng)絡(luò)

由于電力線噪聲較大，為了準(zhǔn)確的區(qū)分噪聲信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)，在數(shù)據(jù)幀起始部分加入16位的報(bào)文頭。同時(shí)為了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，在報(bào)文頭后面跟隨16位的地址信號(hào)。在地址信號(hào)后面跟隨的是2位控制信號(hào)，用以說明后面的數(shù)據(jù)的作用，完整的數(shù)據(jù)幀如圖7所示。

圖7 大棚節(jié)水灌溉網(wǎng)絡(luò)通訊數(shù)據(jù)幀

幀頭部分的報(bào)文頭為固定格式95A3H，主站通過報(bào)文頭通知大棚灌溉系統(tǒng)的從站點(diǎn)開始接收信號(hào)。地址段是一個(gè)16位的數(shù)據(jù)，總共有65536個(gè)地址容量，除去主站地址和廣播地址外還可以容納65534個(gè)從站，足以滿足大棚灌溉的需求?？刂贫问且粋€(gè)2位代碼，用來區(qū)分后面數(shù)據(jù)的作用。數(shù)據(jù)段是信息傳輸?shù)闹黧w，主站通過數(shù)據(jù)控制從站設(shè)備執(zhí)行需要的操作。由于電力線上干擾信號(hào)較多，數(shù)據(jù)容易出錯(cuò)，系統(tǒng)采用海明碼對(duì)傳輸?shù)男盘?hào)進(jìn)行校驗(yàn)，主要校驗(yàn)信息段為地址段、控制端和數(shù)據(jù)段。通過5位海明碼對(duì)26位數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，海明距離達(dá)到3，能檢測(cè)出兩個(gè)錯(cuò)誤位，同時(shí)還能修正一個(gè)錯(cuò)誤位，保證前面數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠。

為了實(shí)現(xiàn)大棚節(jié)水灌溉系統(tǒng)從站節(jié)點(diǎn)的即插即用，在通訊協(xié)議中設(shè)計(jì)了新設(shè)備接入機(jī)制。利用分槽式ALOHA方法把通訊信道（電力線）按時(shí)間分成若干個(gè)槽點(diǎn)，新接入網(wǎng)的灌溉節(jié)點(diǎn)只能在主機(jī)發(fā)出新設(shè)備尋址指令后在特點(diǎn)的時(shí)間槽內(nèi)發(fā)出信號(hào)與主站對(duì)話，保證新從站與原有網(wǎng)絡(luò)上的從站以及新從站之間不會(huì)沖突，如表1所示。

表1 新灌溉節(jié)點(diǎn)無沖突訪問

主站在完成一次原有灌溉節(jié)點(diǎn)輪詢后會(huì)發(fā)起一次新設(shè)備訪問，主站發(fā)出地址段為0x00的特殊幀，原網(wǎng)絡(luò)上的灌溉節(jié)點(diǎn)不會(huì)應(yīng)答該信號(hào)，新灌溉節(jié)點(diǎn)在收到地址為0x00的特殊幀后會(huì)在接下來的4個(gè)時(shí)間槽內(nèi)隨機(jī)選擇一個(gè)時(shí)間槽發(fā)出應(yīng)答幀[12]，主站收到應(yīng)答幀后會(huì)發(fā)送配置幀，新入網(wǎng)的從站從配置幀中獲取地址等信息并發(fā)出配置成功的應(yīng)答幀，完成新從站的配置。

如果新入網(wǎng)有多個(gè)從站，檢測(cè)到其它從站已發(fā)其應(yīng)答幀后將放棄該次主站發(fā)起的新設(shè)備訪問等待下一周期，如果兩個(gè)從站在同一時(shí)間槽內(nèi)發(fā)起應(yīng)答幀，如表2所示，主站在檢測(cè)到有沖突后將放棄該次新設(shè)備訪問等待下一周期。通過分槽式ALOHA方法，實(shí)現(xiàn)大棚節(jié)水灌溉從站點(diǎn)的即插即用，提高電力載波灌溉系統(tǒng)在不同應(yīng)用場(chǎng)合的適應(yīng)能力。

表2 新灌溉節(jié)點(diǎn)有沖突訪問

4 結(jié)語

針對(duì)大棚灌溉水利用率低、精細(xì)化控制成本高，本研究采用電力載波通訊技術(shù)，即插即用，利用Arduino Meag2560控制技術(shù)，能夠?qū)厥掖笈镏械臏囟?、濕度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，按照作物適于生長條件進(jìn)行有效灌溉控制，對(duì)作物進(jìn)行精細(xì)化種植管理。針對(duì)現(xiàn)有塑料蔬菜大棚，本系統(tǒng)具有安裝方便、性能穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等特點(diǎn)，具有較高的市場(chǎng)使用價(jià)值。