基于DTMF技術的農田節水灌溉遠程自動控制系統開發

黃景劍鄭崇寧雷興誼吳新成梁兆新

（1.廣西柳源農業發展有限公司，廣西 柳州 545000；2.柳州市農機局，廣西 柳州 545026；3.柳州市農機推廣站，廣西 柳州 545006；4.南寧市厚誠科技有限公司，廣西 南寧 530031；5.廣西蔗糖產業協同創新中心，廣西 南寧 530003）

基于DTMF技術的農田節水灌溉遠程自動控制系統開發

黃景劍1，5鄭崇寧2雷興誼3吳新成4梁兆新1，5

（1.廣西柳源農業發展有限公司，廣西 柳州 545000；2.柳州市農機局，廣西 柳州 545026；3.柳州市農機推廣站，廣西 柳州 545006；4.南寧市厚誠科技有限公司，廣西 南寧 530031；5.廣西蔗糖產業協同創新中心，廣西 南寧 530003）

文章闡述國內外田節水灌溉采用監控的種類、技術現狀及存在的不足，研發基于DTMF技術的農田節水灌溉遠程自動控制系統，并開展系統基于DTMF技術的硬件、軟件設計研究，系統通過實際使用表明；設計合理、開發周期短、運行穩定、節水效果明顯，既減輕了工作人員的勞動強度，又提高了自動化管理水平，相比較比人工管理效率提高8倍以上，具有較高的實用和推廣價值。

DTMF；灌溉；遠程；自動；系統；設計；應用

長期以來，農田節水灌溉多采用有線監控的方法，其本身存在的局限性逐漸凸顯出來。有線監控要求有專門的布線，而且容易受到雷電、農機作業、地下動物的損壞，可靠性低，維護成本高。相比于有線控制，無線控制方法具有防雷性強、可靠性高、施工維護成本低等優點，目前大多數遠程控制精準化實時灌溉系統通過手機短信或者專用數據線路控制灌溉，成本高，數據流量低, 維護困難[1]。鑒于此，本研究提出一種利用無線電臺、DTMF技術的農田節水灌溉遠程控制系統，控制范圍半徑可達5公里左右，具有適用性好、成本低、可靠性高的特點[2]，滿足了遠程控制精準化灌溉系統中的需要。

1 雙音多頻（DTMF）技術

雙音多頻(DTMF)是在通信中實現電話號碼快速傳輸的一種可靠技術，它以其很強的抗干擾能力和較高的傳輸速度廣泛用于電話通信系統和數據通信系統。這種技術是用兩個特定的單音頻組合信號來代表數字信號以實現其功能的一種編碼技術。信號對傳鏈路的質量要求較低，且不會出現錯號的現象。一般在控制系統中有10個數字鍵和6個功能鍵*、#、A、B、C、D。在信號的傳輸過程中，需要信號的發送方將要發送的號碼轉換成一對雙音多頻信號送至線路傳輸，信號的接收方需要將接收到的雙音多頻信號還原成控制數據信號進行識別，從而達到控制目的。

2 系統主要硬件構成

2.1 DTMF無線通信

無線服務器與田間控制器、數據采集器之間的數據通信時基于DTMF技術的無線遠程通信，DTMF即雙音多頻，具有易識別、抗干擾能力強、傳輸數據量小等優點，本系統采用MITEL公司的MT8880芯片來編解碼DTMF信號。MT8880具有與微控制器相連的數據總線接口，可直接由單片機控制，內部包含5個寄存器，由引腳RSI和R／W進行選擇，MT8880與單片機接口如圖1所示。

圖1 MT8880與單片機接口

DTMF信號由TONE腳輸出，IN-腳輸入，R2／R1的值決定內部接收運放的放大倍數，比值越大接收靈敏度越高。電阻R4和電容C2的值影響接收數據的穩定性，D0～D3數據口輸出鎖存器的更新時間與（R4·C2）的值成正比，若（R4·C2）的值偏小會導致 DTMF信號解碼后數據抖動，造成接收錯誤。

MT8888系列是為實現低功耗、高性能而專門設計的定點DSP芯片[3]，MT8880具有6種工作模式，由內部控制寄存器CRA、CRB進行切換。當同時工作在DTMF發送模式和突發模式時，MT8880向外發送持續（51± 2）ms的DTMF信號；當工作在DTMF接收模式時，通過讀取MT8880內部狀態寄存器SR的D2位判斷接收數據是否有效，并由D0～D3送入解碼后的數據；當同時工作在呼叫處理模式和中斷模式時，MT8880通過IN-腳檢測忙音信號，并由IRQ／CP腳輸出同頻率的方波供單片機識別。

2.2 單片機控制單元

本系統由于硬件模塊較多，軟件設計需要大量數據和運算，決定其需要一款存儲空間較大的單片機，這里采用STC公司的STC89C52單片機。STC89C52單片機是采用通用8051內核的增強型51單片機，指令代碼與傳統51單片機完全兼容；含8K Flash程序存儲空間，可充分滿足空間需求；32個雙向輸入/輸出通用I/O口；6個中斷源支持2層中斷嵌套；內部自帶看門狗和EEPROM；特別方便的是通過串行口可直接下載程序，無需專用編程器和仿真器，大大降低開發成本。單片機程序主要包括與上位機軟件的通信、MT8880的控制、閥門驅動等功能的實現。程序開始時首先對系統進行初始化，主要是對中斷、變量和標志位等進行定義、設置以及ROM指令的讀取。初始化完畢后進入運行狀態，需要時刻監控DTMF信號和通信標志。當系統接收到有效的DTMF信號時即進入指令對比流程，隨時根據指令要求進行閥門開閉、狀態查詢、故障檢測和數據采集。

2.3 硬件結構特點

系統模塊化設計，可以根據用戶需要靈活組合和功能增減，軟件界面根據實際竣工圖制作，軟件界面上控制器、閥門、數據采集器的位置與實際地塊位置對應，操作直觀、維護簡便，控制器采用“防呆”設計，各接頭一一對應，接錯插不進去，無需專門人員安裝和操作，一般農民經過簡單培訓后就可以現場安裝和使用，首部電腦對各控制器和數據采集器的狀態進行實時跟蹤，有故障自動告警，用戶自行更換故障模塊，不需要技術人員現場服務，模塊先更換后維修，不耽誤用戶使用。各田間控制器還可以作為數據再生中繼器，對無線信號進行中轉和接力，可以無限擴大無線通信的距離，從而解決了無線控制受距離影響的難題。

3 系統控制軟件設計

3.1 控制面板

軟件視圖（圖2）根據項目實際竣工圖制作，圖上每一個編號代表一個閥門，綠色表示閥門處于開啟狀態、紅色代表閥門處于關閉狀態，黃色代表閥門通信故障。

閥門可以分區管理也可以單個開啟或關閉，閥門編號由用戶根據喜好或使用習慣自行定義。

圖2 軟件視圖

3.2 視圖控制

視圖控制（圖3）是指直接在地圖上選擇要控制的閥門，當選擇“按灌區選擇設備”時，只要選擇灌區中的一個閥門其整個灌區的所有閥門都會被選上，然后對所選擇的閥門作“開閥”或“關閥”控制，在“施肥情況”欄輸入肥料使用情況，將會一并記錄數據庫，供日后查詢和報表生成。

圖3 視圖控制

3.3 參數面板

參數面板（圖4）主要用于新增閥門的錄入和閥門控制關系的設置。

圖4 參數面板

3.4 列表視圖

列表視圖（圖5）主要是以表格的形式來顯示閥門工作狀態，和工作記錄。

圖5 列表視圖

3.5 歷史視圖

歷史視圖（圖6）主要用于歷史數據查詢和各種報表生成，主要生成的報表有：各閥門或輪灌區閥門開啟時間，施肥數據統計等。

圖6 歷史視圖

4 結束語

本系統設計已制作為實際電路，各模塊經調試后均能正常工作。實際使用結果表明，系統可由操作者發出指令碼控制田間閥門開閉。該系統主要是針對農業田間灌溉的實際需求設計，功耗低、抗干擾、防雷擊、可靠性高，功能實用。

本系統已成功地應用于柳州市桂中農場思源公司甘蔗“雙高”基地設施農業智能化信息管理系統建設高效節水灌溉示范項目中。系統經過實施對面積1520畝甘蔗地共8次24天自動定時地埋滴水灌溉運行證明：設計合理、開發周期短、運行穩定、節水效果明顯，既減輕了工作人員的勞動強度，又提高了自動化管理水平，相比較比人工管理效率提高 8倍以上，具有較高的實用和推廣價值。

[1] 宋培卿,陸昊,胡鋼.節水灌溉遠程控制系統的結構及其通信設計[J].河海大學常州分校學報,2003,17(2):59-63.

[2] 郭旭,魏加元.基于DTMF信號的數據傳輸技術[J].工礦自動化,2004(4):27-29.

[3] 楊峰,柳永勝,殷小貢.新型DTM F信號收/ 發芯片MT8888及其應用[J].現代電子技術,2001(1):89-91.

Development of remote automatic control system for water saving irrigation based on DTMF technology

In this paper, introduce the type of intelligence remote control system for water saving irrigation at home and abroad、technologies and its existing problems, research and development of remote automatic control system for water saving irrigation based on DTMF technology, and development the hardware for the system based on the DTMF technology、software design research. Through the actual use of instructions : design reasonable, short development cycle, stable operation, water saving effect is obvious, it not only reduces the labor intensity, but also improves the level of automation management, compared to more than 8 times the efficiency of labor management, and has a high practical and promotional value.

DTMF; irrigation; long-range; automatic; system; design; application

S274;TP13

A

1008-1151(2016)07-0106-03

2016-06-13

柳州市2014年農業設施資金（農機項目）計劃（柳農機計〔2014〕4號）；廣西科學研究與技術開發計劃（桂科重12118002-1）。

黃景劍（1961－），男，廣西柳源農業發展有限公司高級工程師，從事農業機械化研究、推廣應用。