果園節水灌溉控制系統設計與試驗

陳偉森，俞 龍，孫道宗(. 廣州工程技術職業學院信息工程系，廣州，50075；.華南農業大學電子工程學院，廣州 5064)

我國是一個傳統的農業大國，農業用水量占總用水量的70%左右，而農業用水主要體現在農業灌溉。要實現現代農業的可持續發展，必須大力發展節水灌溉。自動化和智能化灌溉可以提高水資源的使用效率，對灌溉進行科學管理，可以節省人力物力，提高勞動生產率[1,2]。推廣智能化的節水灌溉系統，提高農業灌溉自動化水平，是推進農業現代化的必然選擇[3,4]。

節水灌溉技術的應用一定要有前期相關專業知識的指導與培訓[5]。目前采用的節水灌溉技術還是根據經驗判斷、人為灌溉，保持著“寧多勿少”的灌溉原則，造成水資源浪費和灌溉效率低[6]。與現有的大水漫灌、溝灌等傳統的灌溉方式相比，節水灌溉技術具有更多的技術含量和技術難度，在具體的操作和實施過程中會遇到很多問題，在操作的時候需要有專業性的技術指導人員進行協助和管理。但是基于中國農村的基本現狀，農村基層的水利部門以及節水灌溉技術方面的技術指導人員素質相對偏低，技術能力不高，數量相對不足，致使專業技術人員在指導農戶節水技術的具體實施過程中，不免力不從心，很難做到技術出現問題及時解決[7,8]。因而，研究節水灌溉自動控制系統尤為必要，用戶根據專家建議設定灌溉參數，使系統處于自主運行狀態。

目前，農業節水灌溉自動控制系統中所采用的通信方式分為無線和有線兩種。無線方式有使用GSM公網的GPRS方式和采用自組網方式(如ZigBee、Wi-Fi等無線網絡)，有線方式中多采用公用有線電話網或架設專用線路(如RS-485總線式結構)[9-11]。陳輝[12]研究ZigBee與 GPRS技術的溫室遠程智能灌溉系統，結合了ZigBee網絡有分布靈活、部署方便的特點與GPRS傳輸范圍廣的特點，但是也存在GPRS方式的缺點是通信協議復雜，且依賴于網絡的覆蓋和服務的繁忙程度，安全性差，后期需要支付的流量費用太高的問題，而ZigBee在有障礙物的情況下通信距離不足200 m。電力線載波通信(Power Line Carrier Communication, PLCC)技術使用電力線作為傳輸媒介，不需要單獨的信號線。相比RS-485總線等，可以節省大量通信專用電纜，有效降低成本。電力線載波通信方式較現有無線技術通信方式傳輸速度高，信號更加穩定。電力線載波通信方式在灌溉自動控制系統中的使用安裝與使用成本較其他有線通信方式低[13]。

將電力線載波通信技術應用于灌溉的智能控制系統，符合高效農業的發展要求。該技術在農業中的應用不是很廣泛，在農業領域有廣闊的應用前景。

1 輪灌智能控制的硬件設計

1.1 系統的組成

分區輪灌技術適用在山地果園中，既可以降低系統對水源水壓的要求，又可以使用小口徑水管供水。山地果園中，果園果樹通常成行成列整齊排列，輪灌系統通過干管將水從水源引到灌溉地區，再通過支管按行或列將水引至各灌溉位置。安裝在各支管上的控制電磁閥通常位于干管和支管的結合處，故輪灌系統的供電線路通常為沿著干管的總線型網絡拓撲結構。輪灌智能控制系統包括總控制器節點、傳感器節點、水泵控制節點。本設計的系統方案框圖如下圖1所示。

系統通信部分采用電力線載波通信方式，控制部分根據傳感器數據控制繼電器動作。考慮到使用的安全性和電磁閥的供電電壓，220 V交流電并不適合直接應用在農業灌溉系統中，電力線采用24 V直流電。由于實際果園中灌溉區域面積很大而且相對分散，使得通信距離大大增加。

圖1 系統方案框圖Fig.1 System Blockdiagram

1.2 ST7540低壓電力線載波通信模塊的設計

ST7540低壓電力線載波通信模塊是系統的核心部件，它實現了載波信號在24 V直流電力線上的數據傳輸。ST7540芯片是意法半導體(STMicroelectronics，ST)設計生產的新型電力線收發芯片，可適用于交流、直流和不通電導線中。ST7540擁有非常低的功耗，靜態電流5 mA。芯片供電電壓從直流7.5～12.5 V。片內集成輸出電流和電壓控制回路，可以確保數據的安全可靠傳輸。FSK調制信號有多個頻率可選的正弦波，接收靈敏度高達500 μV(rms)，最高通信速率4 800 bps，具有UART/SPI接口。

載波通信模塊的框圖如圖2所示。ST7540內部集成功率放大器、自動增益控制、自動電平控制等功能，可以根據需要動態調整發送的功率。低壓電力線上可能會出現未知的阻抗，ST7540內部的集成的電流、電壓控制回路可以確保數據的可靠傳輸。同時為了克服通信過程中可能受到的干擾，最大限度的恢復出發端原始信號，設計濾波電路就顯得尤為重要。接收數據時，信號經接收無源濾波器濾波后，將從RX_IN被讀入到ST7540進行處理。發送數據時，信號經ST7540調制后通過發送有源濾波器和集成功率放大器，再經發送無源濾波器耦合選頻到電力線上進行信號傳輸[14]。

圖2 PLCC模塊Fig.2 PLCC module

1.3 主控制器節點設計

總控制器節點整個整個系統的決策中心，保證輪灌策略的執行。總控制器節點由微處理器、電力線載波通信模塊、LCD液晶屏、矩陣鍵盤等組成。提供的功能包括：為用戶提供LCD液晶顯示，以顯示輪灌系統的時間和工作參數；通過電力線載波通信模塊與從節點通信；通過從節點返回的土壤水分數據決定是否終止灌溉；根據RTC的時間發送輪灌控制指令。主控制器節點模塊框圖如圖3所示。

圖3 主控制器節點框圖Fig.3 Blockdiagram of Host controller node

主節點采用意法半導體(ST)公司生產的STM32F103微控制器作為主控，STM32微控制器片內集成RTC(Real Time Clock)，只需外部連接32.678 kHz的石英晶振和備用電池(本設計選用CR2032型紐扣電池)即可工作。4個觸碰式微動按鍵用作鍵盤，用于時間的設置、參數的設置。2.4英寸的LCD液晶屏用來顯示系統的當前時間、土壤水分數據等參數。電源模塊電力線得到24 V直流后進行降壓到3.3 V供給微控制器、液晶屏等模塊。

1.4 傳感器節點設計

傳感器節點負責將土壤水分信息及時的上傳給主控制器節點，決定是否停止灌溉。傳感器節點功是輪灌控制系統的監測節點，由微控制器、電力線載波模塊、土壤水分含量傳感器。傳感器節點通過電力線接收到主節點發送的控制指令，回傳通過土壤水分含量傳感器采集的土壤水分數據。傳感器節點框圖如圖4所示。

圖4 傳感器節點框圖Fig.4 Blockdiagram of Sensor node

設計選用由錦州陽光公司生產的TDR-3土壤水分傳感器，測量精度在0～50%(m3/m3)范圍內為±2%。

2 輪灌智能控制系統的軟件設計

系統功能的實現依賴于硬件和軟件的協同工作。主節點程序使用C語言編程，利用Keil uVision4作為編程調試平臺，使用J-Link V8作為調試器。從節點程序利用IAR Embedded Workbench for STM8 V6.3作為編程調試平臺，使用ST-Link V2作為調試器。程序中串口發送過程采用直接發送方式，采用串口中斷方式接收數據。

2.1 通信協議的設計

采用的協議為主—從結構的半雙工通信方式。幀是傳送信息的基本單元。幀結構如圖5所示。每一幀由3個部分組成，分為幀同步頭、地址域和數據域。

圖5 幀結構Fig.5 Frame Construction

每幀一共8個字節。第一個字節為幀同步頭，必須為0x9b。第二個字節為地址域，范圍00H～FFH，用以區分不同的節點。后面的6個字節為傳輸的數據。

采用同步傳輸方式發送，ST7540提供時鐘信號，在CLR的上升沿，TXD的數據被讀到FSK調制器。采用同步方式接收，ST7540將在片內PLL的上升沿恢復時鐘信號，此后，FSK解調器中的值將被讀取到數據接收線RXD上。

ST7540內部僅提供純透明的物理層通信協議，當有噪聲信號混入有用信號時，ST7540無法區分，它將與有用信號一起被解調[15]。因此，為保證通信的可靠性，必須編制MAC通信協議。MAC層設計的考慮的重點是如何避免碰撞并降低傳送次數[16-18]。編制的通信協議如圖6所示。

圖6 通信協議Fig.6 Communication Protocol

在4 800 bps，借鑒計算機網絡通信中退避算法的思想，當節點有發送數據請求時，先檢測總線狀態，若總線繁忙，隨機延時數十毫秒，檢測總線狀態，若總線空閑將數據發送到總線上。通信時采用廣播方式發送，在總線上的所有節點都可以接收到信息。所有節點始終監聽總線上的信息，當有信息時立即接收，各個節點通過判斷節點地址確認信息的歸屬。目標節點將解析接收信息，按照指令執行相關操作。非目標節點則丟棄信息，延時幾十毫秒時間后繼續監聽總線數據。在時間上盡量避開，降低不同節點同時發送數據的概率，提高通信成功率。

2.2 輪灌控制策略及抗干擾措施

輪灌智能控制系統每分鐘輪詢所有總線下的傳感器節點，傳感器節點接收到查詢指令后，采集土壤水分數據，有序上傳到主控制器節點，主控制器節點根據土壤水分含量與預先設定的閾值相比較，如果高于閾值，則關閉電磁閥，停止灌溉。在不超過閾值的情況下，主控制器節點發送輪流灌溉的指令，實現分區域輪灌的目的。

輪灌控制策略如圖7所示。

圖7 輪灌控制策略 Fig.7 Rotation control strategy

針對電力線頻率的脈沖干擾，信號傳輸距離不超過1 000 m，并把數據分組重組[19]，把土壤濕度及控制數據分成若干短數據組，而在接收端給予重組。試驗表明，短分組有利于避開電力線上干擾，并在單個短分組被破壞時將其重傳，提高系統的傳輸效率。同時在各節點與電力線的接口處加裝阻波器，利用電感和分布電容對不同頻率信號呈不同阻抗的特點, 阻擋高頻電磁波的干擾。

3 系統測試

實驗采用果園輪灌系統中常用的聚氯乙烯絕緣雙絞線作為測試電力線，線長100 m，單根線內徑為0.5 mm2，絕緣厚度為0.8 mm，額定電流3 A。測試時，雙絞線接入大功率的直流穩壓電源，穩壓電路輸出24 V直流。在校園內的盆栽柑橘園對系統進行噴灌測試，檢測系統在實際工作過程中，通信的可靠性和分區輪灌系統功能的執行情況。

3.1 測試過程

在盆栽柑橘園選取長勢相近的3盆柑橘樹(其中1盆土壤較緊實，另外2盆土壤疏松)，其中兩盆作為試驗柑橘，另外一盆作為對照組，對照組全天不噴灌。將1個主節點和2個已分配地址的傳感器節點1通過PLCC接入到柑橘園的灌溉系統，其中，傳感器節點1部署在土壤緊實的柑橘盆中，傳感器節點2部署在土壤疏松的柑橘盆中，水泵控制節點1控制1號電磁閥，水泵控制節點2控制2號電磁閥，測試時，兩盆柑橘配置相同的灌溉參數，定時讀取兩盆柑橘樹的土壤含水量，測試場景如圖8所示。

圖8 盆栽柑橘噴灌測試場景Fig.8 Potted citrus spray test scenarios

系統分為兩個噴灌工作時段，早上8∶00開始到11∶00結束和下午17∶00開始到19∶30結束兩個時段。將兩個從節點的灌溉參數設置為每分鐘主節點輪詢兩個從節點的土壤水分含量，兩個從節點輪流噴灌5 min，設定盆栽土壤含水量閾值為33%[20]，當超過閾值且主節點輪詢得到傳感器節點返回信息時停止噴灌，當低于閾值且主節點輪詢得到從節點返回信息時開始噴灌。監測到當前土壤水分含量低于33%時，并不會立即開始新一輪的噴灌，而是需要等到下一個輪灌周期，主節點發送開啟電磁閥的指令，重新開始噴灌任務。噴灌前后土壤水分含量的變化如圖9所示。

圖9 灌溉前后土壤水分含量的變化Fig.9 Changes in soil moisture content before and after irrigation

3.2 試驗結果

從節點1(土質緊實)開始階段30 min內，土壤含水量上升緩慢，中間階段15 min內土壤含水量快速上升到35%，超過閾值然后關閉，停止灌溉，土壤含水量緩慢下降。從節點2(土質疏松)整個階段土壤含水量緩慢上升，兩個從節點經過1 h之后都達到閾值，結束噴灌。在盆栽柑橘測試過程中，每15 min采集一次空氣溫度，平均氣溫為18.9 ℃。試驗結果如圖10所示。每一輪噴灌耗時10 min，期間更新土壤水分數據10次。

圖10 分區輪灌對盆栽柑橘土壤含水量的影響曲線圖Fig.10 Partitions round curves of irrigation on soil moisture of potted citrus

實驗結果表明，主節點與從節點基于PLCC組成的分區輪灌控制系統能夠實現山地果園分區控制灌溉的功能；另一方面可以得知在相同環境參數(溫度、濕度)下，土壤含水量變化會受到土壤的松緊程度的影響。

4 結 語

針對傳統灌溉控制系統通信方式的缺點，結合山地果園電力線分布特點，將電力線載波通信技術應用于分區輪灌控制系統中，在試驗中，系統可以成功將傳感器的土壤濕度數據及控制指令通過電力線載波進行傳輸。

(1)設計了基于PLCC的噴灌智能控制系統，以ST7540電力線載波芯片為核心設計了電力線載波通信模塊，以STM32F103微控制器為主控的主節點，用于傳感器節點和水泵控制節點，設計了基于ST7540的載波通信協議。

(2)系統采用了輪灌控制策略及抗干擾措施，可以實現分時、分區輪灌，通過抗干擾措施提高了通信的可靠性。

(3)盆栽柑橘的節水自動灌溉系統試驗表明， 系統主節點與從節點基于PLCC組成的分區輪灌控制系統能夠實現山地果園分區控制灌溉的功能。

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