基于電力線載波通信的節水灌溉控制系統設計

尹向雷

(陜西理工學院 電氣工程學院,陜西 漢中 723000)

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基于電力線載波通信的節水灌溉控制系統設計

尹向雷

(陜西理工學院 電氣工程學院,陜西 漢中 723000)

摘要：為達到節水灌溉目的,設計了一套基于電力線載波通信的噴灌控制系統.系統以電力線載波為通信手段,以主控室的主機為核心,以主從多機通信模式對現場信號進行遠程采集及控制,最后對系統進行了現場測試.結果表明,數據傳輸誤差率低,設備運行可靠、穩定,控制距離達到了約300 m.系統不僅達到了控制目的,節約了水資源,同時節約了大量通信電纜,具有很好的應用價值.

關鍵詞：灌溉； 控制； 電力線載波； 通信

我國是一個缺水嚴重的國家,人均水資源量僅為世界平均水平的1/4.淡水資源中灌溉用水總量約占全國總用水量的1/2以上,且我國用水效率極低,水資源浪費現象嚴重[1-2].隨著對節水的迫切要求,農業灌溉中廣泛使用自動控制器.目前節水灌溉方式較多,控制的通信方式基本集中在RS-485通信方式以及無線網絡[3-5].RS-485通信需要單獨鋪設通信電纜,存在布線多、施工難和成本高的問題[6].無線通信和電力線載波通信都是不用額外布置通信線的通信方式.無線通信最大優勢是安裝方便、靈活且易維護,但其在數據傳輸上抗干擾性差，易受周圍環境如建筑物、其他無線電以及天氣等的影響,另外,無線模塊外置天線的位置需現場測試,損壞或位置變動都將嚴重影響通信效果,如果利用營運商的無線網絡還存在長期維護的費用問題[7].對于數據要求較高的場合,電池供電很難勝任,如果使用外接電源供電,又會產生電源選擇及施工布線問題.

電力線載波通信(power line carrier communication,PLCC),是利用電力線作為信號的傳輸媒介,通過載波方式將模擬或數字信號進行高速傳輸的技術[8].具有信息傳輸穩定可靠、無需重新布線、節約系統成本且使用方便等特點,廣泛應用于電力網遠程抄表系統及電力網智能化改造系統中[9-10].近年來隨著物聯網的發展,電力線載波通信在智能家居以及智能控制等領域發揮了重要作用[11-14].由于在灌溉控制系統中的執行器大多需要供電,相比無線通信而言,電力線載波通信不但有效利用了電力線,而且避免了野外復雜環境對無線通信的影響；相比RS-485等有線通信,又可節省大量通信電纜[15].本文提出了一種利用PLCC技術實現信號在低壓電源線上傳輸的解決方案,并設計了一套基于HL-PLC電力線載波模塊的節水灌溉控制裝置,并在校園內的草坪中進行了灌溉驗證,取得了滿意的控制效果.

1硬件設計

根據地形和環境鋪設灌溉管道設施以及噴頭電磁閥和傳感器等提供電能的低壓電力線纜,通過電力線載波通信技術進行各個模塊以及總控制站之間的信息傳遞.各個節點將監測到的現場數據傳至主機(PC機)中的數據中心,數據中心以數據庫方式后臺存儲和管理數據.同時主機中的軟件算法對收集到的灌溉及環境參數進行分析、決策,最后將控制命令發布給各個相應的PLCC從站,達到控制目的.

1.1網絡拓撲結構的設計

根據田地以及管道鋪設的特點,田間作物一般呈直線分布,據此,總線型網絡拓撲結構比較適合,見圖1.考慮到田間操作的安全性以及傳感器、執行器的供電方便,電力線的電壓通過變壓器降壓至24 V.組網時各個節點均位于一個變壓器二次側內.

圖1　節水灌溉自動控制系統總方案框圖Fig.1　Total solution diagram of the water-saving irrigation automatic control system

系統分為主模塊和從模塊,各個模塊通過24 V交流電力線相連.主模塊是網絡中的根節點,位于控制室內,主機是一個PC機,其和PLCC通過串口線相連.從模塊均位于田間現場,從機是一個單片機,其和PLCC通過串口線相連.主機和從機采用主從式多機通信方式.

1.2節點的功能設計

主模塊和從模塊中的PLCC選用宏訊電子提供的HL-PLC電力線載波模塊,其主芯片型號是HLPLCS520F.HL-PLC電力線載波模塊采用FSK通訊方式,軟件采用超級模糊算法,即使傳輸信號被干擾或丟失達40%,也能準確還原出原載波信號,通訊穩定,抗干擾能力超強.載波中心頻率為72 kHz,模塊可以在過零發送模式和正常發送模式間自由切換.正常模式發送,載波線上有效數據速率可達6 700 bps；過零模式發送,載波線上數據速率為1 000 bps.串口通訊速率1 200，2 400，4 800，9 600 bps可選,偶校驗和無校驗可選,模塊采用全透明傳輸方式,無字符長度限制.

主模塊中電源管理模塊給PLCC提供電源支持,如圖2所示.電源管理模塊通過全橋整流,然后再通過穩壓芯片7812提供12 V電壓給PLCC.

圖2　主模塊結構Fig.2　The main module structure

從模塊屬于末梢節點,如圖3所示.從機是一個單片機,型號為STC900C516RD+,該單片機不需要專用的編程器和燒錄器,可通過串口線進行程序下載.從機收集來自田間現場的水分量信號以及溫度信號,并將此信號通過PLCC模塊傳送至主機,主機根據整體情況進行判斷,如需灌溉則將命令信號通過PLCC送回從機,從機輸出閥門信號給驅動器,驅動器驅動噴頭電磁閥門進行灌溉,當達到所需水分時關閉電磁閥門.

圖3　從模塊結構Fig.3　The slave module structure

水分傳感器采用RHD-100型,探針長度為55 mm,探針為不銹鋼材質,直徑為3 mm,工作電壓為5~12 V,測量主頻為100 MHz,輸出電壓信號為0~2 V.因其測量范圍較小(半徑為10 cm的范圍內),故在一個節點中使用了3個水分傳感器,其分布方式可以采用三角形的3個頂角位置的方法.

水分傳感器采集到的信號是模擬信號,其需要模數轉換后才能送給單片機.模數轉換器采用多路模數轉換芯片MAX186,MAX186是一個12位八通道單端/四通道差分模擬輸入ADC,其最高采樣頻率可達130 kHz,具有高通過率、低功耗、高精度等特性.水分模擬信號以差分輸入方式輸入給MAX186.

電磁閥采用FNSLP10,驅動電壓為DC24V.為防止驅動電路對單片機的影響,其間加入了光耦隔離TP521,驅動電路的保護使用快速恢復二極管FR304.

溫度傳感器采用DS18B20,這種傳感器采用單總線結構,直接將采集的信號以數字量的形式輸出,省去了模數轉換器.

2軟件設計

主機為位于控制室內的監控PC機,其在整個系統運行中起著至關重要的作用.系統基于Visual Basic 6.0開發,利用Visual Basic的SQL數據庫,將采集到的數據存放到數據庫中.主機管理功能框圖如圖4所示,功能分為4個部分:采集控制、參數設置、數據管理以及登陸管理.

系統的手動采集以及閥門的手動控制功能主要是作為測試用,正常工作處于自動采集,其采集的時間間隔可由控制參數進行設置,最短為3 min,最長為1 h.植物水分閾值設置可以根據不同作物進行不同的閾值設置.控制參數中可以設置采集的定時時間以及報警閾值.當系統正常工作時,從機采集現場溫度及水分信息并將數據通過串口和PLCC通信的方式發送給主機.如果主機檢測到的土壤水分值小于或等于植物水分閾值設置的下限,主機將啟動閥門的命令通過串口通訊和PLCC通訊的方式發給從機進行閥門控制.除此之外,為了避免從機的數據干擾和誤動作,主機會每隔3 min給從機發送閾值參數、定時參數以及閥門的控制命令.

圖4　主機管理功能框圖Fig.4　The host management function block diagram

3測試

測試地點為陜西理工學院花園內的草坪.草坪中安裝固定式噴灌系統,采用搖臂式旋轉噴頭,射程為10 m,試驗灌區為2個,每個灌區水分傳感器采用三角形分布,位置離中心噴頭為3 m,溫度傳感器和其中的一個水分傳感器安放在一起.HL-PLC電力線載波模塊設定為過零模式發送,通信速率設為1 200 bps.

為了驗證數據傳輸的可靠性,對水分傳感器RHD-100采集并傳輸到主機中的水分信號和已標定的土壤水分進行對比,標定設備為TSC-Ⅳ型土壤水分檢測儀.測試時,2種水分檢測設備檢測同一點的水分,采用手動采集方式,通信距離約為300 m,對比的結果如表1所示.

表1　水分信號采集數據及誤差

從表1可看出,在1 200 bps的通信速率下,RHD-100傳感器采集并通過電力線載波模塊傳送到主機的數據和標定的TSC-Ⅳ型水分測試儀測得的水分數據比較接近,其誤差在5%以內,滿足灌溉設計要求.但在通信速率為9 600 bps時,其誤差明顯增大,接近8%.經測試,隨著通信距離的增大,2種通信速率下的誤差率也增大,其中通信速率越高,誤差率增大越明顯,另外,由于HL-PLC電力線載波模塊對數據處理速度的限制,如果選擇更高通信速率,數據傳輸會出現明顯的錯誤,有時甚至出現死機現象,因此,在數據量大且實時性要求較高的場合需要權衡選擇.根據測試結果,本系統的通信速率選擇1 200 bps,此時通信距離可以達到300 m左右.為了驗證長期運行效果,將系統信號采集時間間隔設為10 min,經過15 d的測試,系統運行良好.

4結論

節水灌溉的通信方式較多,本文將以往用于電力系統遠程抄表的電力線載波通信技術用于節水灌溉的遠程控制,設計了一套基于電力線載波模塊通信的噴灌控制系統.系統以主控室的主機為核心,以主從通信的多機通信模式對現場信號進行了遠程采集及控制,最后對系統進行了測試.結果表明，數據傳輸誤差率低,設備運行可靠、穩定,在1 200 bps下,系統的控制距離達到了約300 m.電力線載波通信在使用時有其自身的不足.配電變壓器對電力載波信號有阻隔作用,所以電力線載波信號只能在一個配電變壓器區域范圍內傳送,另外,三相電力線間有很大信號損失,一般電力線載波信號只能在單相電力線上傳輸.電力線上各種用電設備性質不同,功率不同,以及設備的頻繁開關等因素會給電力線帶來各種噪聲干擾,這限制了電力線載波通信數據傳輸的可靠性和傳輸距離.如果需要更遠距離的控制,有3種思路,一是設計更好的調理電路和控制算法,二是增加中繼器,三是進一步完善通信協議,這也是下一步的工作任務.本文提出的控制方法給節水灌溉控制系統提供了新的思路,系統不僅達到了控制目的,節約了水資源,同時節約了大量通信電纜,具有很好的應用價值.

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Design of control system in water-saving irrigation basedon power line carrier communication

YIN Xiang-lei

(College of Electrical Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, China)

Abstract：For the purpose of water-saving irrigation, a set of the sprinkler irrigation control system was designed based on power line carrier communication. The system could get the field signal and control the actuator with master-slave multicomputer communication mode based on power line carrier communication means, and the host on the control centre room was as the core. Finally, the system test had been carried out. Results showed that the error rate was low, and the data transmission equipment operation was reliable and stable. The control distance reached about 300 m long. The system not only achieves the control purpose, saves the water resources, but also saves a large amount of communication cable, and has very good application value.

Key words：irrigation; control; power line carrier; communication

中圖分類號：TP 29

文獻標志碼：A

文章編號：1006-754X(2016)01-0090-05

作者簡介：尹向雷(1977—),男,陜西咸陽人,講師,碩士,從事控制工程研究,E-mail: thunder2@163.com.

收稿日期：

2015-05-22.

本刊網址·在線期刊：http://www.journals.zju.edu.cn/gcsjxb

基金項目：陜西省教育廳科研基金項目(2013JK1086).

http://orcid.org//0000-0001-9962-7986

DOI:10.3785/j.issn. 1006-754X.2016.01.014