智能灌溉無線閥門控制器的設計方法與研究

趙天圖，馬 蓉，劉南江，鄭玉玲

(石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000)

0 引 言

目前我國用水需求增大，水資源日益緊缺，農(nóng)業(yè)灌溉用水量占用水比例最多。自動灌溉系統(tǒng)具有節(jié)約用水的功能，隨著節(jié)水灌溉技術(shù)的推廣和完善，農(nóng)業(yè)灌溉控制技術(shù)逐步得到應用。雖然我國的自動滴灌系統(tǒng)處于應用和完善階段，但是灌溉控制設備大多是在國外進口，價格也是非常昂貴，現(xiàn)有的自動灌溉系統(tǒng)，在安裝、維護、擴容等問題上存在許多問題[1-4]。

因此，自主開發(fā)低成本的灌溉閥門控制器用于農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)有著重要意義。開發(fā)低成本太陽能供電的反饋控制器應用到灌溉系統(tǒng)，控制器采用土壤水分測量來控制施加到每個特定管理區(qū)的水的量，并與其他控制器進行通信測量系統(tǒng)的液壓壓力[5-7]。結(jié)果表明，該方法能效的維持根部附近的土壤水量盡可能達到管理允許的虧缺滴灌程度。采用先進的電子計算機控制和無線傳輸技術(shù)，設計了一種用于節(jié)水灌溉的精密灌溉控制系統(tǒng)。開發(fā)一種基于GSM網(wǎng)絡的新的自動智能灌溉控制器，它可以接收來自PC和移動GSM的信息，通過無線通信控制閥[8-10]。

許多灌溉調(diào)度方法已經(jīng)發(fā)展了多年，但是由于受到生產(chǎn)成本、安裝時間、維護和復雜的決策等原因。一種無線智能閥門控制器，用于特定地點的管理和操作，無線灌溉控制系統(tǒng)相比之前的灌溉控制系統(tǒng)易于安裝和維護。因此，這些問題的一個潛在的解決方案是設計一個全面的無線自動化灌溉控制系統(tǒng)。無線自動化灌溉控制器可以實現(xiàn)變量灌溉，以優(yōu)化產(chǎn)量和最大限度地提高不同土壤特性或作物需水量變化時水分利用效率。

本研究的目的是為了更好地解決農(nóng)業(yè)灌溉需求，開發(fā)和測試一個自主的，低成本，無線智能灌溉控制系統(tǒng)。

1 無線智能滴灌控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

綜合農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需要和借鑒國外的研究經(jīng)驗，在圖1中顯示了無線智能灌溉控制系統(tǒng)的整體系結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)由無線傳感器網(wǎng)絡和遠程監(jiān)控中心組成。無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡由無線信息采集節(jié)點和灌溉控制節(jié)點分布于灌溉現(xiàn)場，遠程控制中心通過路由節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)采集和閥門控制的命令。無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡采用星型拓撲結(jié)構(gòu)，終端節(jié)點的路由方式由路由節(jié)點到匯聚節(jié)點，終端節(jié)點的路由方式由路由節(jié)點到匯聚節(jié)點，然后匯聚節(jié)點將信息通過GPRS傳送到無線接入點并RS232控制計算機接收信息。遠程控制中心實現(xiàn)了信息采集、遠程控制、參數(shù)設置、智能報警等功能。

該系統(tǒng)通過遠程無線網(wǎng)絡監(jiān)控中心對土壤信息與氣象參數(shù)實時監(jiān)控，遠程控制中心自動對信息數(shù)據(jù)進行分析，控制電磁閥的開啟或關(guān)閉。根據(jù)科學的精準灌溉模式，系統(tǒng)實現(xiàn)了水資源的可持續(xù)利用和自動灌溉。

圖1 無線灌溉控制系統(tǒng)的整體設計Fig.1 Wireless irrigation control system of the overall design

2 灌溉閥控制器系統(tǒng)描述

通常在灌溉之前要考慮到灌溉區(qū)域的土壤特性、作物需水量和安裝滴灌控制系統(tǒng)需要的經(jīng)濟成本。在各灌溉管理地區(qū)上安裝了一個無線的綜合灌溉控制系統(tǒng)，以監(jiān)測土壤溫度、濕度和氣象參數(shù)，保證實現(xiàn)節(jié)水灌溉的目的。

在這項研究中將閥門控制器設計成在每個單獨的控制單元之間均可實現(xiàn)無線自主工作，每個控制器都由電池供電，土壤水分測定通過遠程控制中心定期的采集分析實施滴灌決策。用于測量和灌溉決策的所有控制器的實時時鐘是同步的。

測量和灌溉決策之后，遠程控制中心向閥門控制器發(fā)送信號，在灌溉系統(tǒng)中的每一個被編程的控制器在接收到遠程控制信號時自動打開相應的電池閥門并開啟繼電器升壓驅(qū)動單元。各控制器將相應電池閥門開閉狀態(tài)存儲，通過狀態(tài)反饋裝置發(fā)送到遠程控制中心。

2.1 控制器硬件

無線智能閥門控制器是無線灌溉控制節(jié)點的核心，采用模塊化的硬件。閥門控制器由控制模塊、電源模塊、無線通信模塊、繼電器升壓驅(qū)動模塊、狀態(tài)反饋模塊等組成。本研究開發(fā)的無線智能閥門控制器硬件框圖如圖2所示。選擇了電子設備、芯片、C8051F410單片機來滿足控制器的低功耗、低成本的要求。

控制模塊的子部件是由包括復位電路、實時時鐘、串行通信接口、IO擴展，模數(shù)(A/D)采集、FLASH存儲器、接口電路的單片機。C8051F410每個灌溉控制器控制4個電磁閥。

圖2 無線閥門控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 wireless valve controller structure diagram

2.1.1 控制模塊

控制模塊的核心采用C8051F410單片機，在單片機上通過串口協(xié)議集成了Jennic公司的JN5139芯片，基于低成本、處理器速度、低功耗需求、快速軟件開發(fā)、容易集成和定制電路等特點，選擇了C8051F410單片機與JN5139芯片，該芯片是IEEE802.15.4和ZigBee低成本低功耗微控制器,它集成了32位RISC處理器,完全兼容的2.4 GHz IEEE802.15.4收發(fā)器，很好地解決了C8051F410單片機Zigbee通訊問題。硬件控制模塊(如圖3所示，引腳功能如表1所示)。

表1 控制器引腳功能介紹Tab.1 Controller pin function introduction

該控制器接口電路可支持4路模擬輸入，控制4路輸出功率。一個控制器可以支持雙向脈沖電磁閥開閉和兩組土壤水分傳感器。控制器擴展閃存。數(shù)據(jù)和程序存儲在非易失性存儲器中，以防止發(fā)生故障時發(fā)生的損失，用戶可以下載記錄的數(shù)據(jù)來分析系統(tǒng)性能。硬件控制模塊如圖3所示。

圖3 控制器系統(tǒng)圖Fig.3 Diagram of the system controller

2.1.2 電源模塊

經(jīng)過對灌溉區(qū)控制器電源考慮，控制器采用普通電池供電，用兩個1.5 V電池作為輸入源提供一個穩(wěn)定的輸出電壓。電源模塊包含極性保護電路和電壓調(diào)節(jié)電路。極性保護電路包括肖特基二極管和去耦電容器。電壓調(diào)節(jié)器電路采用電壓調(diào)節(jié)芯片，保證輸出電壓穩(wěn)定，以確保系統(tǒng)在灌溉期正常工作。

2.1.3 無線通訊模塊

Zigbee是一種雙向短距離無線通信技術(shù)，具有不復雜、低功耗、自組網(wǎng)能力。其完整的協(xié)議棧只有32 KB，可以嵌入各種設備中，同時支持地理定位。這是一個協(xié)議規(guī)范開發(fā)的小型設備無線網(wǎng)絡，是IEEE無線網(wǎng)絡協(xié)議族的一部分，有一個非常完整的層次結(jié)構(gòu)。

無線通信模塊由低功率射頻芯片與典型的外部電路相結(jié)合，通過單片機接口與控制模塊通信，完成無線收發(fā)功能，減少了傳統(tǒng)無線運營成本。

2.1.4 繼電器模塊

在休眠模式下，繼電器升壓驅(qū)動裝置是關(guān)閉的。一旦控制器接收到閥門驅(qū)動的控制信號，它可以驅(qū)動繼電器升壓模塊，通過繼電器電路中的低功率升壓芯片將輸入電壓升高至用于電磁閥5～24 V工作電壓，發(fā)送驅(qū)動脈沖控制電池閥門。最后，每個控制器將相應的閥門狀態(tài)反饋信息存儲在狀態(tài)反饋模塊和發(fā)送到遠程控制中心。

閥門控制器采用3 V電池為動力，基于Zigbee協(xié)議，等待遠程控制命令。它可以驅(qū)動繼電器升壓驅(qū)動單元控制閥。單片機實時采集狀態(tài)反饋信息能夠傳送到遠程控制中心。該控制器支持多個脈沖電磁閥，方便地安裝和操作。

2.2 控制器軟件

控制器工作狀態(tài)有4種：初始狀態(tài)、任務查詢狀態(tài)、任務執(zhí)行狀態(tài)、睡眠狀態(tài)。(如圖4所示)在無線閥控制器進入初始狀態(tài)，微控制器完成硬件的初始化，包括端口初始化，系統(tǒng)時鐘初始化，變量初始化等，然后控制器開始測試一個更高級別的控制信號，驅(qū)動它進入任務查詢狀態(tài)。如果無線通信模塊檢測到執(zhí)行信號，微控制器將進一步確定任務的類型，例如，閥門控制，狀態(tài)檢測，參數(shù)設置，然后進入任務執(zhí)行狀態(tài)。如果沒有檢測到任務，控制器進入休眠狀態(tài)。它會通過軟件定時自動喚醒，然后檢查控制信號，并進入到任務查詢狀態(tài)(程序流程圖如圖5所示)。它包含一個主回路和若干子程序，如閥門控制、狀態(tài)檢測、參數(shù)設定，使單片機執(zhí)行以下任務：初始化硬件，包括端口初始化，看門狗初始化，系統(tǒng)時鐘初始化，變量初始化；在同一網(wǎng)絡中注冊路由節(jié)點，報告設備信息；要求上級任務；查詢?nèi)蝿眨邮者h程控制命令;處理遠程命令以確定任務類型, 執(zhí)行任務; 存儲控制信息,時間，控制器內(nèi)存中的閥門狀態(tài)；從遠程控制中心接收控制命令以驅(qū)動灌溉閥。

圖4 特定狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖Fig.4 Diagram of specific state transition

圖5 控制器程序流程圖Fig.5 Flow diagram of controller program

2.3 灌溉閥控制器測試

測量閥門控制器的性能，一個電阻電路是用來串聯(lián)連接的控制器(如圖6所示)。該電路是由電池供電。使用一個小電阻，電路上的電阻可以忽略不計的能量。用示波器測量了電阻的電壓，在串聯(lián)電路中可獲得電流值，計算出閥門控制器的能耗。

圖6 用于計算閥門控制器能耗的電阻電路Fig.6 Resistor circuit used to calculate the valve controller energy consumption

閥門控制器在運行過程中包括初始狀態(tài)、任務查詢狀態(tài)、任務執(zhí)行狀態(tài)和睡眠狀態(tài)。為了便于分析，上述條件分為工作和睡眠狀態(tài)。利用該方程可以計算出有效的消費量:

pw=Iw×Tw

(1)

Iw是有功電流，Tw是閥門控制器的工作時間。平均有功電流Iwa可以由以下方程得到:

(2)

在Ts是睡眠時間。同樣，平均睡眠電流Isa可以計算公式：

(3)

在Is是休眠電流。Iwa平均有功電流之間的關(guān)系，Isa平均睡眠電流和平均電流Iav如下：

Iav=Iwa+Isa

(4)

因此，在一天中Pwa消耗是每小時乘以每天24 h的平均電流消耗，計算公式可以得到：

Pwa=Iav×24

(5)

通過對某一天在不同狀態(tài)下的閥門裝置的能耗分析，我們估計實際工作時間如下。

天:

(6)

月:

(7)

3 結(jié)果與討論

通過實驗對控制器的性能進行了評價，為了驗證硬件和軟件的充分運作，以及在根區(qū)的實際基礎上，對控制器進行了測試，在實驗室模擬一個特定地點的灌溉系統(tǒng)。我們選擇了其中一個數(shù)據(jù)來分析它的消耗。

3.1 系統(tǒng)硬件和軟件的性能

控制器的硬件和軟件設計完成所有任務。從控制器下載的數(shù)據(jù)顯示，灌溉控制系統(tǒng)不斷測量設備參數(shù)和狀態(tài)信息，并在需要時打開或關(guān)閉電磁閥無故障。

3.2 工作和睡眠狀態(tài)下的消耗

使用普通電池功率閥控制器，約1 200 mAh，具體測試結(jié)果如下。

閥控器在工作和睡眠狀態(tài)下的功率消耗電流如表2所示，工作電流 范圍是20～140 mA之間, 工作電流大多數(shù)時間里是50 mA，睡眠電流0.3 mA，總工作時間為114 ms。

表2閥控器在主動和睡眠狀態(tài)下的功率消耗電流
Tab.2Valvecontrollerpowerconsumptioncurrentinactiveandsleepstate

Iw/mATw/msPw/(mA·s)Is/mA10．00020．00040．00070．00040．000140．00060．000140．00050．0002．52．01．51．52．52．03．51．0100．00．0250．0400．0600．1050．1000．2800．2100．1405．0000．3000．3000．3000．3000．3000．3000．3000．3000．300

3.3 平均能耗和工作時間

由于睡眠時間是由軟件設置，不同的睡眠時間程序?qū)⒂绊懩茉聪模覀儨y試在不同的情況下的不同平均電流，我們可以進一步計算在工作中灌溉控制器可以無需外部充電的天數(shù)。

表3顯示控制器的平均能耗和工作時間，程序中的睡眠時間 是默認的。表中列出了10 s到10 min的睡眠時間。平均能耗可以按不同時間計算。從表2可以看出，睡眠時間越長，控制器可以工作的時間越長。此外，研究結(jié)果表明，1 200 mAh電池足以維持灌溉期。灌溉控制器的性能是令人滿意的，2電池能夠保證灌溉控制器在正常灌溉期工作。如果休眠時間為10 min以上，控制器在根區(qū)的實際應用中是有效的。

4 結(jié) 論

這種無線智能灌溉閥門控制器系統(tǒng)開發(fā)和測試。該控制器被證明是可靠的并且在無線實踐中有效，帶有控制單元的無線智能閥門控制器，結(jié)合低功耗微處理器芯片和一個由電池供電的外部電路，接收來自遠程控制中心的控制命令，執(zhí)行任務，如信息采集、遠程控制、參數(shù)設置、狀態(tài)反饋，而閥門控制的任務必須由繼電器升壓驅(qū)動單元驅(qū)動。無線通信模塊中所反映的無線收發(fā)功能，該閥門控制器可以廣泛應用于不同的灌溉區(qū)域。

表3 控制器平均能耗和工作時間Tab.3 Controller average energy consumption and the working duration

無線智能閥門控制器充分考慮了應用領(lǐng)域的能量，根據(jù)用戶需求設置采集/控制頻率。增加太陽能充電裝置，以保證控制器的供電是下一步的研究工作。無線智能閥門控制器結(jié)構(gòu)簡單，維護方便，成本低，具有良好的應用前景。

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