自動(dòng)灌溉控制器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曲 頌，劉玉敏，宋 博，錢治丞，佟志勇,趙 冰，*

(1.黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院，哈爾濱 150080;2.平度市自然資源局，山東 平度 266700;3.黑龍江省軍區(qū)，哈爾濱 150001)

0 引 言

近年來國(guó)內(nèi)灌溉控制技術(shù)有所發(fā)展，目前常見的灌溉控制器普遍存在操作不便、控制面積小、功能性單一等問題，需人工手動(dòng)操作，操作人員需要多次往返于各個(gè)灌區(qū)間手動(dòng)開關(guān)電磁閥門，人力成本高，不便進(jìn)行大規(guī)模的農(nóng)事管理活動(dòng)。隨著土地流轉(zhuǎn)工作的推進(jìn)，農(nóng)田灌區(qū)面積越來越廣，在灌區(qū)面積較大的情況下需要多個(gè)灌溉控制器同時(shí)工作，在灌溉控制器的管理方面增加了新的難度[1-2]。

本文設(shè)計(jì)了一款以STM32為核心的自動(dòng)灌溉控制器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和灌溉控制，采用有線和無線相結(jié)合的數(shù)據(jù)傳輸方式,為進(jìn)行大規(guī)模的農(nóng)事管理活動(dòng)提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，可將土壤濕度控制在用戶預(yù)設(shè)的范圍之內(nèi)，為灌區(qū)作物提供一個(gè)良好的土壤濕度環(huán)境，促進(jìn)作物生長(zhǎng)，并提高水資源的利用率，降低人力成本，實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉的效果。試驗(yàn)分析表明，該控制器運(yùn)行穩(wěn)定，具有良好的灌溉控制效果。

1 灌溉控制器主要結(jié)構(gòu)

自動(dòng)灌溉控制器主要包括主控端、中繼節(jié)點(diǎn)、手持控制端和采集控制端4部分，見圖1。由圖1可見，4部分均以STM32單片機(jī)為控制核心并將所有功能集成于同一電路板中。

圖1 自動(dòng)灌溉控制器結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure automatic irrigation controller

主控端負(fù)責(zé)與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交互，采用NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)通訊方式依據(jù)MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)協(xié)議與物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建立連接，用戶可在物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中查看環(huán)境數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的控制灌溉[3-4]。此外可通過本地顯示模塊顯示當(dāng)前灌區(qū)的環(huán)境狀況，利用按鍵進(jìn)行灌溉控制。當(dāng)灌區(qū)面積較大時(shí)，使用中繼節(jié)點(diǎn)來進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼，提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。中繼節(jié)點(diǎn)的傳輸方案采用基于LoRa(Long Range Radio)無線技術(shù)和POWERBUS有線技術(shù)相結(jié)合的傳輸方式，適應(yīng)多種復(fù)雜環(huán)境[5-6]。當(dāng)灌區(qū)作物密集度較低、無較多遮擋物時(shí)，例如小麥、水稻等大田作物，對(duì)無線信號(hào)的傳輸沒有較大影響，采用LoRa無線傳輸方式，電力成本低且無須布線；當(dāng)灌區(qū)種植蘋果樹、黑松等大型樹木時(shí)，枝葉對(duì)于無線信號(hào)傳輸造成較大影響，此時(shí)采用POWERBUS有線傳輸?shù)姆绞剑蓸O大降低信號(hào)傳輸過程中的不穩(wěn)定性[7-8]。

手持控制端為用戶提供一種便攜式的勘察和控制節(jié)點(diǎn)，能夠顯示灌區(qū)的主要環(huán)境參數(shù)信息以及使用按鍵來進(jìn)行灌溉控制。采集控制端進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和灌溉控制，其中土壤濕度傳感器通過RS485總線與STM32連接，通過Modbus-Rtu協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[9-10]，將采集到的土壤濕度數(shù)據(jù)作為依據(jù)進(jìn)行自發(fā)的灌溉決策，當(dāng)土壤濕度低于系統(tǒng)中預(yù)設(shè)的范圍時(shí)，開始灌溉;當(dāng)土壤濕度高于預(yù)設(shè)范圍時(shí)，停止灌溉，并上傳一次土壤濕度過高警告，將土壤濕度維持在預(yù)設(shè)的范圍之內(nèi)，為灌區(qū)作物提供良好的土壤濕度環(huán)境。

2 控制器硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制核心設(shè)計(jì)

自動(dòng)灌溉控制器的主機(jī)端、中繼節(jié)點(diǎn)、采集控制端和手持控制端的功能均集成與同一電路板，采用STM32F103RCT6芯片為控制核心，主控核心原理見圖2。該芯片具有低成本、低功耗、處理速度快、資源豐富等特點(diǎn)，內(nèi)置5個(gè)串口，可與NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)模塊、LoRa、POWERBUS、RS485進(jìn)行通訊，方便同時(shí)與多個(gè)外設(shè)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并且具有3組內(nèi)置SPI(Serial Peripheral Interface)串行總線，連接SD(Secure Digital)儲(chǔ)存卡，可將采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)和繼電器開關(guān)日志存放于SD卡中，以防止網(wǎng)絡(luò)環(huán)境差時(shí)發(fā)生數(shù)據(jù)丟失的情況[11-12]。

圖2 灌溉控制器主控核心原理Fig.2 Mininum system of main control core of irrigation controller

根據(jù)灌溉控制器的功能，對(duì)控制器主控核心的GPIO(General-purpose input/output)資源進(jìn)行分配，各引腳定義和功能介紹見表1。

表1 GPIO分配表Table 1 GPIO distribution table

2.2 外圍電路設(shè)計(jì)

電源模塊。為方便灌溉控制器在灌區(qū)中長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)工作，灌溉控制器采用太陽(yáng)能供電的方式。電源模塊由太陽(yáng)能充電電路和穩(wěn)壓電路組成，其中太陽(yáng)能充電電路采用對(duì)蓄電池進(jìn)行激活修復(fù)的功能的UC3909芯片，對(duì)蓄電池進(jìn)行充電管理。穩(wěn)壓電路采用AMS1117-3.3 V穩(wěn)壓芯片為蓄電池的輸入電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，經(jīng)過電容整流濾波后可以為灌溉控制器提供穩(wěn)定純凈的電源，保障控制器的持續(xù)正常工作。

傳輸模塊。針對(duì)灌區(qū)面積大、環(huán)境多樣的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于LoRa無線傳輸和POWERBUS有線傳輸相結(jié)合的數(shù)據(jù)中繼方式。其中LoRa核心電路采用SX1278射頻IC(Integrated Circuit)作為L(zhǎng)oRa調(diào)制的芯片方案，SX1278支持低功耗，并能夠在低功耗狀態(tài)時(shí)實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的信號(hào)傳輸[13]。LoRa射頻電路部分采用PE4259射頻開關(guān)來控制收發(fā)，實(shí)現(xiàn)支路分離。在發(fā)射端部分利用電感電容組成匹配電路加一個(gè)聲表面濾波器，進(jìn)入射頻開關(guān)，接收端用電感電容匹配電路，在射頻開關(guān)后添加3階的π型濾波器，不僅在諧波的去除上發(fā)揮作用，而且能夠消除接收到的干擾信號(hào)。

針對(duì)灌區(qū)中無線信號(hào)傳輸受阻時(shí)的情況采用POWERBUS有線傳輸方案，POWERBUS屬于低壓直流載波供電總線芯片，由PB620主站發(fā)送數(shù)據(jù)，PB331從站接收數(shù)據(jù)，從而完成數(shù)據(jù)的有線傳輸。PB620主站的CONH引腳控制外圍器件從而實(shí)現(xiàn)發(fā)邏輯“1”，使用CONL引腳控制外圍器件從而實(shí)現(xiàn)發(fā)邏輯“0”，COMN引腳通過控制LM317AL實(shí)現(xiàn)恒流源輸出，ANA、ANV引腳配合外圍器件實(shí)現(xiàn)回碼控制?？偩€傳輸?shù)男盘?hào)經(jīng)過全橋整流實(shí)現(xiàn)無極性布線，方便現(xiàn)場(chǎng)施工，通過電阻分壓后進(jìn)入PB331芯片的PI引腳進(jìn)行解調(diào)，PO引腳通過電流信號(hào)回傳主站通信。

繼電器驅(qū)動(dòng)電路。繼電器在灌溉控制中起著至關(guān)重要的作用，使用電路板上搭載的繼電器，連接電磁閥可進(jìn)行灌溉控制。本文選取NPN晶體管來驅(qū)動(dòng)繼電器。當(dāng)需要閉合繼電器進(jìn)行灌溉時(shí)，晶體管的基極所連接的GPIO口輸出高電平，當(dāng)基極接收到高電平且注入的電流足夠大時(shí)，三極管就會(huì)導(dǎo)通并進(jìn)入飽和狀態(tài)，集電極的電流也隨之增大，從而在集電極電阻上產(chǎn)生了一個(gè)壓降，使集電極電平拉低，繼電器線圈通電，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，致使觸點(diǎn)吸合；當(dāng)晶體管基極被輸入低電平時(shí)，晶體管截止，繼電器線圈斷電，觸點(diǎn)隨之?dāng)嚅_。

3 灌溉控制器程序設(shè)計(jì)

在灌溉控制器的傳感器數(shù)據(jù)采集中，使用Modbus-Rtu通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)傳感器從機(jī)的訪問[14]。Modbus-Rtu協(xié)議采用主機(jī)問詢、從機(jī)應(yīng)答的模式，其中主機(jī)問詢幀結(jié)構(gòu)見表2。主機(jī)問詢發(fā)起完畢之后，切換到接收模式，接收傳感器從機(jī)返回的數(shù)據(jù)幀，從機(jī)應(yīng)答幀結(jié)構(gòu)見表3。

表2 請(qǐng)求幀格式定義Table 2 Format definition of request frames

表3 應(yīng)答幀格式定義Table 3 Format definition of response frames

在采集程序設(shè)計(jì)中，主機(jī)以輪詢的方式向從機(jī)發(fā)起問詢，使用STM32內(nèi)置定時(shí)器設(shè)計(jì)定時(shí)器中斷，輪詢1次/s，前0.5 s主機(jī)發(fā)起問詢，后0.5 s處理從機(jī)返回的數(shù)據(jù)。上電后默認(rèn)發(fā)送模式，主機(jī)主動(dòng)向傳感器從機(jī)發(fā)起問詢，問詢完成之后RS485切換到接收模式接收傳感器從機(jī)的回復(fù)，解析應(yīng)答幀中數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)后得到實(shí)際參數(shù)值，最后重新返回進(jìn)行問詢參數(shù)的設(shè)置，更改地址碼執(zhí)行問詢下一個(gè)傳感器從機(jī)的問詢，以此循環(huán)完成對(duì)每個(gè)傳感器的訪問，數(shù)據(jù)采集流程見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)采集流程Fig.3 Data collection process

灌溉控制器獲取到土壤濕度值后，將土壤濕度值與系統(tǒng)中預(yù)設(shè)的土壤濕度范圍進(jìn)行比較，進(jìn)行自主的灌溉決策，之后繼續(xù)采集土壤濕度數(shù)據(jù)。若土壤濕度低于預(yù)設(shè)范圍下限，說明農(nóng)作物目前正處于缺水狀態(tài)，此時(shí)做出閉合繼電器、開始灌溉的決策，繼電器閉合后，傳感器繼續(xù)采集土壤濕度值；當(dāng)土壤濕度值達(dá)到預(yù)設(shè)范圍上限時(shí)，說明此時(shí)土壤水分含量過高，灌溉控制器此時(shí)做出斷開繼電器，停止灌溉的決策。若發(fā)生土壤濕度值超過預(yù)設(shè)范圍上限的狀況，則主動(dòng)上傳過澇警告，提示用戶注意水澇災(zāi)害，流程見圖4。通過自動(dòng)控制灌溉，將土壤濕度維持在預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)，為作物提供一個(gè)良好的土壤濕度條件。

圖4 自主灌溉決策流程Fig.4 Autonomous irrigation decision-making process

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

以黑龍江省綏化市某試驗(yàn)田進(jìn)行灌溉控制實(shí)驗(yàn)，對(duì)自動(dòng)灌溉控制器的控制效果進(jìn)行測(cè)試和分析，見圖5。為了方便安裝與測(cè)試，將傳感器埋置地表以下10～20 cm深度的土壤中，傳感器埋置完畢之后連接到采集控制端的485總線上，繼電器連接電磁閥，相關(guān)工作準(zhǔn)備完畢后進(jìn)行測(cè)試。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備圖Fig.5 Site construction drawing

通過自發(fā)的灌溉決策可將土壤濕度維持在用戶預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)，針對(duì)此項(xiàng)功能進(jìn)行測(cè)試。為方便測(cè)試與觀察，設(shè)定適宜作物生長(zhǎng)的土壤濕度為65%～70%，灌溉控制器初始化之后每10 min采集一次土壤濕度數(shù)據(jù)，選取24 h采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將濕度數(shù)據(jù)繪制成曲線，見圖6。

圖6 土壤濕度變化曲線Fig.6 Change curve of soil moisture content

由圖6可見，最開始采集到的土壤濕度數(shù)據(jù)為40%，低于預(yù)設(shè)范圍下限65%，灌溉控制器此時(shí)自動(dòng)做出閉合繼電器、開始灌溉的決策，此后土壤濕度開始明顯上升，當(dāng)土壤濕度值超過70%時(shí)，灌溉控制器做出斷開繼電器、停止灌溉的決策，土壤濕度開始緩慢降低。隨著時(shí)間的推移，當(dāng)土壤濕度低于65%，繼電器再次閉合并開始灌溉，從變化曲線中觀察到土壤濕度開始回升，在24 h內(nèi)的土壤濕度均維持在65%～70%。

測(cè)試結(jié)果符合預(yù)期，能夠根據(jù)用戶需求，將灌區(qū)的土壤濕度控制在預(yù)設(shè)的范圍之內(nèi)，使灌區(qū)作物能夠及時(shí)得到水分補(bǔ)給，為灌區(qū)作物提供一個(gè)良好的土壤濕度環(huán)境，促進(jìn)作物增產(chǎn)增收；另外達(dá)到節(jié)水灌溉的效果，減少灌溉過程中勞動(dòng)力的成本和水資源的浪費(fèi)。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32的自動(dòng)灌溉控制器，相比于傳統(tǒng)灌溉方式具有人力成本低、傳輸穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的環(huán)境監(jiān)測(cè)和灌溉控制功能，可將土壤濕度維持在預(yù)設(shè)的范圍之內(nèi)，解決了傳統(tǒng)的灌溉方式中存在的環(huán)境參數(shù)不可視、數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定、灌溉施水量不合理、人力成本高以及僅憑人為經(jīng)驗(yàn)判斷灌溉等問題，為灌區(qū)作物提供一個(gè)穩(wěn)定的土壤濕度環(huán)境。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該灌溉控制器在灌溉方面具有良好的控制效果，成本低且有一定的市場(chǎng)推廣價(jià)值。