大田灌溉閥門控制系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)驗(yàn)

摘" 要： 為解決大田農(nóng)作物灌溉效率低、灌溉設(shè)備精細(xì)化程度不夠及田間人工灌溉成本高等問題，設(shè)計一種大田灌溉閥門控制系統(tǒng)，旨在提升大田灌溉的機(jī)械化程度和自動化水平，為智慧農(nóng)田灌溉系統(tǒng)發(fā)展提供有力保障。該系統(tǒng)的核心組成部分包括STM32主控系統(tǒng)、閥門控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸和太陽能供電系統(tǒng)。該研究設(shè)計了閥門控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序，采用PID算法實(shí)現(xiàn)對閥門開、關(guān)以及0～10級的流量調(diào)節(jié)功能，并通過OneNET云平臺和微信小程序?qū)崿F(xiàn)閥門狀態(tài)的遠(yuǎn)程控制和上傳功能。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有多功能、易操控、低成本、高精度的特性，有助于靈活管理水資源和灌溉計劃，使得大田農(nóng)業(yè)灌溉省時省力，達(dá)到節(jié)水增效的目的。

關(guān)鍵詞： 大田灌溉； 閥門控制系統(tǒng)； STM32； PID算法； OneNET； 微信小程序

中圖分類號： TN876?34" " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A" " " " " " " " " " nbsp; 文章編號： 1004?373X（2024）08?0101?06

Design and experiment of valve control system for field irrigation

SUN Huajian1， 2， 3， FENG Xiangping1， 2， 3， LI Yongke1， 2， 3， MAO Bowen1， 2， 3， XU Xinlong4

（1. College of Computer and Information Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China;

2. Engineering Research Center of Intelligent Agriculture Ministry of Education， Urumqi 830052， China;

3. Xinjiang Agricultural Informatization Engineering Technology Research Center， Urumqi 830052， China;

4. College of Agriculture， Xinjiang Agricultural University， Urumqi 830052， China）

Abstract： In order to solve the problems of low irrigation efficiency of field crops， insufficient refinement of irrigation equipment and high cost of manual irrigation in the field， a valve control system for field irrigation is designed， aiming to improve the mechanization and automation level of field irrigation， and provide a strong guarantee for the development of intelligent farmland irrigation system. The core components of the system include STM32 master control system， valve control system， data transmission and solar power supply system. The hardware circuit and software program of the valve control system are designed， and the PID algorithm is used to realize the function of regulating the valve opening and closing as well as the flow rate of 0～10 levels， and the remote control and uploading function of the valve status is realized by means of the OneNET cloud platform and the WeChat applet. The testing results show that the system is multi?functional， easy to control， low?cost and high?precision， which helps to flexibly manage water resources and irrigation schedules， making field agricultural irrigation save time and energy， and achieving the goal of water conservation and efficiency improvement.

Keywords： field irrigation; valve control system; STM32; PID algorithm; OneNET; WeChat applet

0" 引" 言

隨著科技的不斷進(jìn)步和工業(yè)自動化水平的提高，電動閥門的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，覆蓋了農(nóng)業(yè)灌溉、石油、化工、電力等多個領(lǐng)域[1]。21世紀(jì)以來，我國高度重視節(jié)水灌溉技術(shù)和智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域取得了顯著的進(jìn)展，并且引入了現(xiàn)代技術(shù)和創(chuàng)新解決方案來提高農(nóng)業(yè)的效率和持續(xù)性[2]。在這個背景下，電動閥門的重要性愈發(fā)凸顯。通過自動控制水資源的流動，電動閥門在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中扮演著至關(guān)重要的角色，幫助農(nóng)民和農(nóng)業(yè)企業(yè)更有效地管理灌溉、施肥和水資源利用，從而提高產(chǎn)量，減少浪費(fèi)并降低生產(chǎn)成本[3?5]。電動閥門的應(yīng)用為智慧農(nóng)業(yè)帶來了新的機(jī)遇，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了更多創(chuàng)新和發(fā)展。為解決大田農(nóng)作物灌溉效率低、灌溉設(shè)備精細(xì)化程度不夠及田間人工灌溉成本高等問題，設(shè)計一種大田灌溉閥門控制系統(tǒng)，旨在提升大田灌溉的機(jī)械化程度和自動化水平，為智慧農(nóng)田灌溉系統(tǒng)發(fā)展提供有力保障。

1" 系統(tǒng)整體設(shè)計

本文針對大田灌溉不均勻和灌溉設(shè)備效率低等問題，設(shè)計一個大田灌溉閥門控制系統(tǒng)，如圖1所示。該系統(tǒng)以STM32處理器作為核心控制單元，包括STM32主控系統(tǒng)、閥門執(zhí)行控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸和太陽能供電系統(tǒng)。其中閥門控制系統(tǒng)由電機(jī)驅(qū)動模塊、限位開關(guān)和霍爾編碼器組成，用于精確控制閥門的開度；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是由RS 485模塊和傳感器組成，用于監(jiān)測閥門設(shè)備的壓力等情況；數(shù)據(jù)傳輸是通過Air724UG模塊上傳到云平臺[6]和微信小程序[7]，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和控制功能；太陽能供電系統(tǒng)是由太陽能板、太陽能供電模塊和鋰電池組成，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電源，確保系統(tǒng)在田間穩(wěn)定運(yùn)行。

2" 系統(tǒng)硬件的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。該系統(tǒng)以STM32F407VET6單片機(jī)為控制核心，其中閥門驅(qū)動電路的功能是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、啟動和停止等操作；閥門反饋電路的功能是檢測和反饋電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和位置等信息，提供準(zhǔn)確的反饋信號，以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的精確控制和保護(hù)；4G通信模塊為云服務(wù)器高效地傳輸采集的數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制；RS 485通信模塊采用Modbus?RTU協(xié)議，用于與STM32之間的數(shù)據(jù)交互和處理，確?？煽康臄?shù)據(jù)傳輸和處理；太陽能供電電路主要用于確保電動閥門控制器持續(xù)供電，以保障大田灌溉系統(tǒng)的可靠運(yùn)行；SWD（Serial Wire Debug）是一種用于單片機(jī)調(diào)試和編程的編程接口，可以訪問STM32芯片內(nèi)部的寄存器、存儲器和控制器狀態(tài)等信息，以便進(jìn)行調(diào)試和排錯；串口通信模塊用于實(shí)現(xiàn)閥門控制器和上位機(jī)或與其他外設(shè)之間的串行數(shù)據(jù)傳輸，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)的雙向通信。

2.1" 主控芯片

本文采用由意法半導(dǎo)體公司研發(fā)的高性能32位RISC微控制器——STM32F407VET6[8]。該芯片搭載了高性能的ARM Cortex?M4處理器，并提供了多種外設(shè)接口，包括USB、CAN、SPI、I2C、UART、DMA、ADC、DAC等，便于與其他設(shè)備進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交互[9?10]。該微控制器還支持多種功耗模式，包括運(yùn)行模式、常量功耗模式、低功耗休眠模式和深度睡眠模式，以滿足不同應(yīng)用場景下的功耗優(yōu)化需求。

2.2" 太陽能供電電路

在偏遠(yuǎn)地區(qū)，傳統(tǒng)的供電方式通常難以在田間實(shí)施。采用太陽能供電方式[11]具有簡單易維護(hù)的優(yōu)勢，無需鋪設(shè)電纜，同時可提高灌溉效率并降低成本。這種太陽能供電方案為大田灌溉系統(tǒng)中的各個閥門提供了可靠的自動化控制。太陽能供電電路包括DC?DC隔離電源模塊和TP5100充電模塊，如圖3所示。在沒有太陽光照情況下，它依賴鋰電池供電，以保障電動閥門的持續(xù)運(yùn)行。

2.3" 通信電路

本文系統(tǒng)選用基于紫光展銳UIS8910DM平臺設(shè)計的LTE Cat 1無線通信模組，即Air724UG[12]，如圖4所示。Air724UG能夠同時支持4G LTE網(wǎng)絡(luò)和雙頻WiFi連接，允許多個用戶同時訪問，以確保網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和安全性。

2.4" 閥門驅(qū)動電路

閥門驅(qū)動電路采用L298N電機(jī)驅(qū)動芯片，示意圖如圖5所示。通過控制M_INA1、M_INB1、M_INA2、M_INB2信號，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)A和電機(jī)B的轉(zhuǎn)向、啟動和停止操作；同時，通過調(diào)整A_PWM和B_PWM的占空比，可以有效地控制電機(jī)A和電機(jī)B的轉(zhuǎn)速[13?14]。

2.5" 閥門反饋電路

閥門反饋電路采用霍爾編碼器和限位開關(guān)的組合，如圖6所示。

霍爾編碼器[15?16]用于實(shí)時監(jiān)測閥門的開度，以便進(jìn)行電動閥門的開、關(guān)、調(diào)流等狀態(tài)控制，該調(diào)流功能允許在90°范圍內(nèi)進(jìn)行任意調(diào)節(jié)。同時，限位開關(guān)用于限制電機(jī)傳動部件的運(yùn)動范圍，當(dāng)電機(jī)輸出軸接觸到限位開關(guān)時，根據(jù)下降沿信號捕捉，會觸發(fā)一個停止信號，有助于延長減速機(jī)構(gòu)的使用壽命，以確保閥門的正常運(yùn)行。

3" 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1" 系統(tǒng)整體設(shè)計

大田灌溉智能閥門控制系統(tǒng)主要采用的核心處理單元為STM32處理器，并嵌入RT?Thread操作系統(tǒng)，通過模塊化的編程將系統(tǒng)劃分為多個子任務(wù)，每個子任務(wù)之間賦予不同的優(yōu)先級，同時采用消息隊列的方式進(jìn)行任務(wù)之間的調(diào)度。

在STM32主控系統(tǒng)的控制下，經(jīng)過一系列的初始化步驟并循環(huán)接收控制的指令，在循環(huán)中根據(jù)解析不同的指令來控制不同的閥門執(zhí)行器，實(shí)現(xiàn)多路閥門的控制。通過霍爾編碼器和限位開關(guān)來控制閥門開度，實(shí)現(xiàn)閥門的可調(diào)流功能。

控制系統(tǒng)整體流程如圖7所示。

3.2" 閥門可調(diào)流設(shè)計

系統(tǒng)通過定時器中斷實(shí)時捕獲霍爾編碼器A、B相的脈沖信號，基于編碼器的倍頻原理計算出電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和速度。電機(jī)轉(zhuǎn)動時，霍爾元件會輸出脈沖信號，通過A、B兩組方波信號的相位差，確定電機(jī)的運(yùn)動方向；通道A和通道B的信號周期相同，且相位相差[14]個周期，結(jié)合兩相的信號值：當(dāng)B相和A相先是都讀到高電平（1，1），然后B相讀到高電平，A相讀到低電平（1，0），則為順時針轉(zhuǎn)；當(dāng)B相和A相先是都讀到低電平（0，0），然后B相讀到高電平，A相讀到低電平（1，0），則為逆時針轉(zhuǎn)。其脈沖信號示意圖如圖8所示?；谶@些脈沖信號計算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過PID算法對PWM進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，從而精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)閥門的流量調(diào)節(jié)功能。閥門可調(diào)流程序流程如圖9所示。

為增強(qiáng)減速機(jī)構(gòu)的壽命和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，引入限位開關(guān)來限制電機(jī)傳動部件的運(yùn)動范圍。當(dāng)電機(jī)輸出軸接觸到限位開關(guān)時，根據(jù)下降沿捕捉停止信號，以確保電機(jī)正常停止運(yùn)行，從而保障系統(tǒng)的可靠性。

3.3" 閥門數(shù)據(jù)幀格式設(shè)計

系統(tǒng)采用的自定義數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。

表1中所有數(shù)據(jù)均用十六進(jìn)制表示。設(shè)備號是出廠的編號，是唯一標(biāo)識閥門設(shè)備的地址；功能碼是對當(dāng)前設(shè)備的操作指令，可以實(shí)現(xiàn)對閥門設(shè)備的查詢和控制；設(shè)備地址對應(yīng)1～4路閥門的控制，通過設(shè)備地址編號可以控制指定的閥門狀態(tài)；控制指令是對應(yīng)的開、關(guān)以及調(diào)流的指令，可以通過不同的控制指令實(shí)現(xiàn)閥門開度的可調(diào)流功能；CRC校驗(yàn)用于確保設(shè)備傳輸?shù)姆€(wěn)定性、可靠性。

3.4" 大田灌溉閥門控制系統(tǒng)平臺設(shè)計

大田灌溉閥門控制系統(tǒng)的設(shè)計是在OneNET（中國移動物聯(lián)網(wǎng)開放平臺）上實(shí)現(xiàn)的。通過OneNET平臺的數(shù)據(jù)可視化View，對閥門數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示，并通過OneNET數(shù)據(jù)下發(fā)進(jìn)行閥門的遠(yuǎn)程控制。如圖10所示，地圖信息是新疆阿克蘇地區(qū)的實(shí)驗(yàn)田（82.75°E、41.25°N）。該系統(tǒng)分別記錄了當(dāng)前設(shè)備的在線、離線和故障率情況，并使用輪播圖對閥門設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行反饋，最后通過折線圖實(shí)時顯示閥門設(shè)備的開度。

3.5" 微信小程序的設(shè)計

微信小程序是基于OneNET平臺進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的，通過index.js文件中編寫邏輯代碼，實(shí)現(xiàn)與OneNET平臺的連接和數(shù)據(jù)交互。在事件處理函數(shù)中添加設(shè)備ID和API Key，使用https：//api.heclouds.com/cmds？device_id=1108256205命令，按照自定義協(xié)議對閥門進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；使用https：//api.heclouds.com/devices/1108256205/datastreams/命令，實(shí)現(xiàn)閥門開度的實(shí)時更新。微信小程序界面如圖11所示。圖11中包括唯一設(shè)備識別碼，以及對應(yīng)的4個閥門的開、關(guān)和調(diào)流控制及狀態(tài)反饋。

4" 系統(tǒng)運(yùn)行與功能測試

4.1" 系統(tǒng)測試流程

系統(tǒng)測試主要是通過OneNET平臺或微信小程序輸入控制指令，閥門控制器會解析相應(yīng)的控制指令并對閥門執(zhí)行器發(fā)出動作指令。

測試程序流程如圖12所示。根據(jù)自定義協(xié)議下發(fā)閥門開、關(guān)或者調(diào)流的指令后，閥門控制器與Air724UG模塊通信，STM32微處理器解析閥門動作指令，使用霍爾編碼器采集的閥門角度信息，采用PID控制算法，通過脈寬調(diào)制（PWM）控制電機(jī)的速度，最終使電機(jī)穩(wěn)定輸出到預(yù)設(shè)的目標(biāo)角度，以實(shí)現(xiàn)閥門的調(diào)流功能。

4.2" 閥門通信穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)

為了測試Air724UG在田間的通信延時對電動閥門控制的影響，采用MQTT協(xié)議來傳輸閥門角度數(shù)據(jù)。

通過在“callback（）函數(shù)”中記錄當(dāng)前時間和上一次時間的差值，然后將差值通過串口輸出。每隔100 ms，通過“publishangle（）函數(shù)”循環(huán)發(fā)送angle_1、angle_2、angle_3和angle_4的角度信息，重復(fù)1 000次。在田間布置了10臺閥門樣機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)延時實(shí)驗(yàn)，并通過Origin 2018軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化分析，如圖13所示。

5" 結(jié)" 論

本研究設(shè)計了一套大田灌溉閥門控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了閥門開度的遠(yuǎn)程控制和10級調(diào)流功能，同時設(shè)計出閥門控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件程序，實(shí)現(xiàn)對閥門開度的穩(wěn)定控制。通過OneNET平臺搭建了大田灌溉閥門控制系統(tǒng)和微信小程序，實(shí)現(xiàn)閥門的遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)上傳功能。通過網(wǎng)絡(luò)通信延時實(shí)驗(yàn)，測得最低網(wǎng)絡(luò)延時為81 ms，最高網(wǎng)絡(luò)延時為628 ms，平均網(wǎng)絡(luò)延時為224 ms，網(wǎng)絡(luò)延時滿足閥門角度的響應(yīng)要求。

該系統(tǒng)可以根據(jù)作物的灌溉需求進(jìn)行閥門開度的調(diào)節(jié)，并采用太陽能供電的方式，使得用戶無需親臨現(xiàn)場就能夠在整個灌溉過程中實(shí)現(xiàn)省時省力的操作，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)水增效的目標(biāo)。該系統(tǒng)為智能農(nóng)業(yè)發(fā)展提供了一個實(shí)際可行的解決方案，并為其推廣和廣泛應(yīng)用奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

注：本文通訊作者為馮向萍、李永可。

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作者簡介：孫華鍵（1994—），男，山東淄博人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹腔坜r(nóng)業(yè)。

馮向萍（1973—），女，陜西鳳翔人，副教授，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)信息化技術(shù)。

李永可（1985—），男，河南許昌人，副教授，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)信息化技術(shù)。