太陽(yáng)能智能灌溉閥門控制器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

彭 炫，常翠平，周建平，趙冬梅，許 燕

(1. 新疆大學(xué)工程訓(xùn)練中心，烏魯木齊 830047；2. 新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，烏魯木齊 830047)

在我國(guó)新疆地區(qū)，由于土地干旱、降雨量少、水資源缺乏等原因，滴灌、微灌等先進(jìn)的節(jié)水灌溉方式在該地區(qū)得到了廣泛推廣和應(yīng)用[1]，工業(yè)中許多先進(jìn)的控制方法也逐漸引入農(nóng)業(yè)自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)中[2]。在以色列、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開發(fā)出智能化程度較高的自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)[3]。但由于其系統(tǒng)復(fù)雜且龐大，價(jià)格昂貴，無法在我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉中大面積推廣和使用[4]。由于新疆地區(qū)土壤蓄水能力較弱，常規(guī)自動(dòng)灌溉控制方式容易導(dǎo)致水分下滲和蒸發(fā)，造成大量的水資源浪費(fèi)[5]。因此，研制出一款價(jià)格低廉，能根據(jù)土壤濕度數(shù)據(jù)和農(nóng)作物需水量實(shí)現(xiàn)智能灌溉的閥門控制器具有重要意義[6]。

本課題以新疆喀什地區(qū)的棉花種植為研究對(duì)象，研制了一款以單片機(jī)為控制核心，采用太陽(yáng)能供電的智能閥門控制器。該控制器可以存儲(chǔ)農(nóng)作物不同生長(zhǎng)周期的最適土壤含水量數(shù)據(jù)，根據(jù)土壤濕度傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行灌溉判斷，控制閥門開啟或關(guān)閉。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析表明，該控制器運(yùn)行穩(wěn)定，能的將土壤含水量控制在合適的范圍。具有良好的節(jié)水灌溉控制效果。

1 閥門控制器整體結(jié)構(gòu)

太陽(yáng)能智能灌溉閥門控制器主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制電路、土壤濕度采集電路、太陽(yáng)能充電控制電路、閥門驅(qū)動(dòng)電路、無線通信電路、閥門狀態(tài)反饋電路等?？刂破饕詥纹瑱C(jī)為控制核心，農(nóng)作物整個(gè)生長(zhǎng)周期中的最佳土壤含水量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在單片機(jī)的FLASH存儲(chǔ)中。土壤濕度傳感器通過RS485總線與單片機(jī)相連接。閥門控制器通過讀取的土壤濕度值進(jìn)行灌溉決策。當(dāng)土壤含水率低于作物最適宜生長(zhǎng)下限時(shí)控制閥門開啟，當(dāng)土壤含水率達(dá)到最大田間持水量時(shí)控制閥門關(guān)閉。由于在農(nóng)田中供電不方便，閥門控制器設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能供電系統(tǒng)。通過太陽(yáng)能對(duì)蓄電池充電為閥門控制器提供穩(wěn)定的電源。為使閥門控制器具有更長(zhǎng)的續(xù)航能力，控制器整體采用低功耗設(shè)計(jì)。在閥門控制器不工作時(shí)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。閥門控制器通過GPRS無線模塊連接云服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。為使閥門控制器與服務(wù)器通訊穩(wěn)定可靠，便于系統(tǒng)集成和功能擴(kuò)展通，訊協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus-TCP協(xié)議。太陽(yáng)能智能閥門控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能智能灌溉閥門控制器系統(tǒng)框圖Fig.1 System diagram of solar intelligent irrigation valve controller

2 控制器硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制核心設(shè)計(jì)

閥門控制器采用STM32F103RBT6單片機(jī)為控制核心。該單片機(jī)具有成本低廉，功耗低，處理速度較快，資源豐富等特點(diǎn)[7]。單片機(jī)片內(nèi)集成128kbytes的Flash存儲(chǔ)空間，可以將農(nóng)作物整個(gè)生長(zhǎng)周期中的最適土壤含水量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在單片機(jī)的FLASH存儲(chǔ)中，并能通過手機(jī)APP對(duì)參數(shù)更新與修改。單片機(jī)包含有3個(gè)USART通信接口，可同時(shí)與土壤濕度傳感器、GPRS模塊和其他Modbus-Rtu協(xié)議設(shè)備進(jìn)行通訊，方便同時(shí)與多設(shè)備間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。單片機(jī)內(nèi)部含有2個(gè)12位的AD轉(zhuǎn)換電路，能通過閥門狀態(tài)反饋電路實(shí)時(shí)采集閥門開度值。該單片機(jī)還具有3組內(nèi)置SPI串型總線，能與內(nèi)存卡連接，將土壤濕度數(shù)據(jù)、閥門開度數(shù)據(jù)和閥門控制器操作日志儲(chǔ)存在本地內(nèi)存卡中。閥門控制器主控制核心最小系統(tǒng)如圖2所示。包含手動(dòng)復(fù)位電路、上電自動(dòng)復(fù)位電路、啟動(dòng)模式選擇電路和程序下載電路。

圖2 閥門控制器主控制核心最小系統(tǒng)Fig.2 Minimum system of main control core of valve controller

根據(jù)閥門控制器的功能，對(duì)閥門控制器主控制核心最小系統(tǒng)上的IO資源進(jìn)行分配和功能定義。各引腳定義和功能介紹如表1所示。

表1 閥門控制器IO分配表Tab.1 IO distribution table of valve controller

2.2 外圍電路設(shè)計(jì)

(1)電源模塊。為方便閥門控制器在農(nóng)田中使用，閥門控制器需要采用了太陽(yáng)能供電的方式。電源模塊由太陽(yáng)能充電控制電路和穩(wěn)壓電路兩部分組成。太陽(yáng)能充電控制電路采用UC3909芯片對(duì)蓄電池充電管理。UC3909芯片可以根據(jù)蓄電池的狀態(tài)實(shí)現(xiàn)涓流充電、恒流充電、恒壓充電和浮充充電四個(gè)階段合理充電[8]。穩(wěn)壓電路采用AMS1117-3.3V穩(wěn)壓芯片對(duì)蓄電池輸入電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。經(jīng)過電容整流濾波后，為閥門控制提供穩(wěn)定的電源，保證閥門控制器正常工作。

(2)閥門控制電路。對(duì)閥門的控制包括驅(qū)動(dòng)閥門開關(guān)和檢測(cè)閥門開度狀態(tài)兩部分。用兩個(gè)繼電器組成的H橋換相電路驅(qū)動(dòng)閥門開啟和關(guān)閉。單片機(jī)通過ULN2003芯片驅(qū)動(dòng)繼電器的吸合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)閥門的控制。閥門的開度狀態(tài)經(jīng)過閥門狀態(tài)反饋電路轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，使用單片機(jī)內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換電路采集電壓信號(hào)，通過單片機(jī)運(yùn)算轉(zhuǎn)換為閥門開度值并緩存在單片機(jī)內(nèi)部寄存器中。

(3)無線通信模塊。無線通信模塊選用SIM900A通訊模塊。該模塊支持聯(lián)通和移動(dòng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)，具有信號(hào)穩(wěn)定、功耗低等優(yōu)點(diǎn)[9]。單片機(jī)的串口與SIM900A無線通信模塊相連接，通過AT指令控制該模塊與遠(yuǎn)程控制端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)采用透?jìng)髂Ｊ健?/p>

閥門控制器內(nèi)部集成Modbus-Rtu協(xié)議的01、03、05、06功能指令。通過對(duì)應(yīng)的功能碼控制閥門控制器執(zhí)行相應(yīng)的操作。功能控制指令的具體對(duì)應(yīng)的作用如表2所示。

表2 閥門控制器功能碼作用Tab.2 Function code of valve controller

3 閥門控制器控制程序和APP設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

閥門控制器程序采用Keil uVision4編寫。程序運(yùn)行流程圖如圖3所示。程序運(yùn)行后先對(duì)閥門控制器初始化，包括單片機(jī)GPIO的設(shè)置與初始化，系統(tǒng)時(shí)鐘的初始化，控制參數(shù)的初始化等。初始化完成之后閥門控制器進(jìn)入工作狀態(tài)。

閥門控制器先與土壤濕度傳感器進(jìn)行通訊，獲取土壤濕度值。然后將土壤濕度值與單片機(jī)中存儲(chǔ)的農(nóng)作物當(dāng)前最佳土壤含水量值比較。若低于農(nóng)作物當(dāng)前最佳土壤含水量下限，則農(nóng)作物處于缺水狀態(tài)，控制閥門開啟。閥門開啟后，繼續(xù)采集土壤濕度值。當(dāng)土壤含水量達(dá)到田間持水量時(shí)，土壤水分含量達(dá)到飽和，控制閥門關(guān)閉。在閥門開啟和關(guān)閉過程，單片機(jī)調(diào)用AD轉(zhuǎn)換子程序?qū)﹂y門的開度進(jìn)行采集，并將閥門的開度狀態(tài)存儲(chǔ)在寄存器中。

在整個(gè)程序執(zhí)行過程中，如無線模塊接收到控制數(shù)據(jù)，通過外部中斷喚醒單片機(jī)。單片機(jī)首先對(duì)接收的控制指令進(jìn)行CRC校驗(yàn)計(jì)算，檢查該幀數(shù)據(jù)的CRC校驗(yàn)位是否正確。若校驗(yàn)通過，再核比對(duì)該幀數(shù)據(jù)的地址是否與本閥門控制器地址一致。若地址也一致，則執(zhí)行該幀指令。執(zhí)行完畢后通過無線通信模塊返回執(zhí)行后的應(yīng)答數(shù)據(jù)。若校驗(yàn)不通過或地址不一致，則忽略該幀指令[10]。為降低閥門控制器的整體功耗，延長(zhǎng)閥門控制器的續(xù)航時(shí)間。在一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)無任何操作，閥門控制器會(huì)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。進(jìn)入休眠狀態(tài)后，GPIO保持當(dāng)前狀態(tài)。內(nèi)部定時(shí)器定時(shí)喚醒單片機(jī)采集土壤濕度值，并判斷是否需要執(zhí)行閥門開關(guān)操作。

3.2 手機(jī)APP控制

手機(jī)APP使用TeslaMultiSCADA設(shè)計(jì)，APP通過Modbus-TCP協(xié)議與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。使用前需要在參數(shù)設(shè)置界面中配置服務(wù)器IP地址和端口號(hào)。APP中包含有閥門控制、趨勢(shì)曲線、參數(shù)設(shè)置和管理員4個(gè)功能界面。

閥門控制界面如圖4(a)所示，在閥門控制界面下，用戶可以實(shí)時(shí)監(jiān)控土壤濕度值和閥門狀態(tài)信息。同時(shí)也可以設(shè)置閥門開度值，控制閥門開啟和關(guān)閉。趨勢(shì)曲線如圖4(b)所示，用戶可以直觀的獲取土壤濕度的變化趨勢(shì)曲線和調(diào)取歷史溫濕度數(shù)據(jù)。參數(shù)設(shè)置如圖4(c)所示，包含服務(wù)參數(shù)設(shè)置、傳感器參數(shù)設(shè)置、灌溉參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，可以通過手機(jī)APP對(duì)閥門控制器運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行修改。

圖4 遠(yuǎn)程閥門控制APPFig.4 Valve control app

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

以新疆喀什地區(qū)麥蓋提縣棉花試驗(yàn)田進(jìn)行灌溉控制實(shí)驗(yàn)，對(duì)閥門控制器灌溉控制效果測(cè)試和分析。閥門控制器現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)物圖如圖5所示。將閥門控制器安裝在試驗(yàn)田中，對(duì)閥門進(jìn)行智能開關(guān)控制。土壤濕度傳感器安裝在深度40 cm左右的根系附近，每隔15 min通過遠(yuǎn)程控制端獲取一次土壤濕度值。

圖5 太陽(yáng)能智能灌溉閥門控制器Fig.5 Solar intelligent irrigation valve controller

棉花在不同生長(zhǎng)時(shí)期需水量有所不同，在開花結(jié)鈴期灌溉需水量最大，現(xiàn)蕾期、苗期次之，吐絮期灌溉需水量最少[11]。不同生長(zhǎng)時(shí)期的灌溉需水量都表現(xiàn)為減少趨勢(shì)，開花結(jié)鈴期減少趨勢(shì)最為明顯[12]。根據(jù)該試驗(yàn)田往年土壤含水量檢測(cè)數(shù)據(jù)分析，棉花在苗期、現(xiàn)蕾期、開花結(jié)鈴期、吐絮期的植株生長(zhǎng)最適含水量和該試驗(yàn)田的土壤最大持水量如圖6所示。將該數(shù)據(jù)作為棉花的灌溉控制參數(shù)通過手機(jī)APP發(fā)送到閥門控制器中。

圖6 棉花生長(zhǎng)最適含水量和土壤最大持水量Fig.6 Optimum water content for cotton growth and maximum soil water capacity

設(shè)置閥門開度20%，土壤最大持水量值70%，棉花生長(zhǎng)階段最適土壤含水量為65%，當(dāng)土壤含水量低于50%將影響棉花正常生長(zhǎng)。選取閥門控制器在24 h采集到的土壤含水量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。土壤含水量變化曲線如圖7所示。從圖7可以看出，當(dāng)土壤含水量低于棉花生長(zhǎng)所需的最適含水量時(shí)，閥門控制器控制閥門開啟，此時(shí)土壤含水量開始上升。當(dāng)土壤含水量達(dá)到土壤最大持水量時(shí)，閥門控制器控制閥門關(guān)閉。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該閥門控制器具有良好的節(jié)水灌溉控制效果。能實(shí)現(xiàn)閥門的智能灌溉控制。閥門控制器運(yùn)行穩(wěn)定可靠，響應(yīng)速度快，控制精準(zhǔn)。

圖7 土壤含水量變化曲線Fig.7 Change curve of soil moisture conten

5 結(jié) 論

本文針對(duì)新疆地區(qū)獨(dú)特的地理位置和農(nóng)田環(huán)境和現(xiàn)有智能灌溉系統(tǒng)的不足，研發(fā)了一款成本低廉、適用性更強(qiáng)的閥門控制器。該控制器以實(shí)時(shí)土壤濕度值和作物生長(zhǎng)最適土壤含水量為控制依據(jù)智能決策，自動(dòng)控制閥門何時(shí)灌溉，何時(shí)停止。該控制器能遠(yuǎn)程更新內(nèi)部的控制參數(shù)，使該控制器具有更強(qiáng)的實(shí)用性。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該閥門控制器在節(jié)水灌溉方面的良好控制效果。該閥門控制器價(jià)格低、使用簡(jiǎn)單，兼容性強(qiáng)，具有一定的市場(chǎng)推廣價(jià)值。