基于PLCC的果園輪灌控制系統設計及試驗

陳偉森，俞　龍，孫道宗

(1. 廣州工程技術職業學院信息工程系，廣州 510075，2. 華南農業大學電子工程學院，廣州 510642)

合適的灌溉方式可以提高作物品質和產量，節約水資源[1,2]。在水資源貧乏地區，為了增加灌溉面積并控制成本，果園灌溉系統通常采用分區輪灌的工作方式。在輪灌自動控制系統中，支管的開閉通常由電磁閥的通斷來控制。目前，支管電磁閥的通斷控制主要有電源線直接控制、RS-485總線以及無線網絡控制等幾種控制通信方式。電源線直接控制是將每個電磁閥電源線引入控制室實行單獨控制，控制方式比較簡單，主要適用于控制點比較集中的場合，電源線布線多和成本較高。RS-485等有線的通信方式需要單獨鋪設通信線路，雖然通信距離可達幾公里，但是布線多導致難以維護、成本較高[3]。無線通信安裝方便，布線少，但是通信可靠性易受周圍環境如樹木、丘陵山地以及其他無線電和天氣等影響。

電力線載波通信是用電力線作為信號的傳輸載體，以載波方式將數字或模擬信號進行高速傳輸的技術，具有信息傳輸可靠穩定、成本低、無需重新布線等特點，廣泛應用于電力網智能化改造系統及遠程抄表系統中[4,5]。果園輪灌系統中的電磁閥都需要供電，相比于無線通信而言，電力線載波通信既有效利用了電力線，又避免了野外復雜環境對無線通信的影響，相比有線通信，節約大量通信電纜[6,7]。

本文首先介紹了基于PLCC技術的果園輪灌控制系統通信網絡拓撲結構，并進行了PLCC節點設計；其次，構建了果園輪灌系統低壓電力線的電參數等效模型；最后，進行了多種通信距離下，PLCC節點通信可靠性測試。

1　果園輪灌系統網絡拓撲

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。安裝在各灌溉支路中的電磁閥通常位于主管和支管的結合處，因此輪灌系統的供電線路通常為沿著主管的總線型拓撲結構[8]，如圖1所示。考慮到果園供電的安全性以及各通信節點和電磁閥的供電需求，電力線供電電壓選用直流電壓24 V，由市電220 V交流電經過變壓器降壓整流獲得。

圖1　輪灌控制系統方案框圖Fig.1 System diagram

輪灌控制系統分為主模塊和從模塊，通過24V直流電力線相連，采用主從式通信方式，主模塊定時發出控制或查詢指令，從模塊只在接收到主模塊命令后執行相應動作或返回相關信息。系統組網時，各模塊均位于一個變壓器二次側內。主模塊位于控制室內，其主機是一個PC機，或者是一個觸控屏，和PLCC節點通過串口線相連。從模塊位于各支管電磁閥附近，控制器為一個單片機，與PLCC節點通過串口線連接[9]。

2　PLCC節點設計

PLCC節點主要是實現串口信號到電力線載波調制信號的相互轉換，構建輪灌系統中主機和從機之間的信息傳遞渠道。PLCC節點主要由電源，芯片和耦合濾波電路三部分組成。

2.1　芯片介紹及電源電路

選用 ST7540作為載波通信芯片。ST7540是半雙工同步/異步FSK調制解調器，采用7.5～12.5 V單電源工作，內部含有線路驅動器和兩個線性電源調整器，通過內部寄存器來控制ST7540的工作狀態。ST7540還具有超時輸出、看門狗定時器、輸出電流和電壓控制、載波檢測等功能。ST7540具有8個可編程發送頻率，接收靈敏度可達500 μV (rms)，其可編程波特率最高為4 800 bps，并帶有UART/SPI接口[10]。

ST7540載波通信芯片的通信環境為220VDC以下，空載導線同樣適用。本文果園輪灌系統的電力線電壓為直流24 V，直接驅動電磁閥動作。電力線電壓經過2次降壓分別得到12 V和5 V的電源供給節點中的通信芯片和從機單片機。

2.2　耦合濾波接口電路

PLCC節點的耦合濾波接口電路主要由3個濾波電路組成: 發送有源濾波電路、發送無源濾波電路、接收無源濾波電路，如圖2所示。PLCC節點在接收數據時，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。

圖2　ST7540耦合濾波電路圖Fig.2 Coupling filter circuit

接收無源帶通濾波器由電阻R12串聯一個L2C13并聯諧振回路組成，數據通過耦合進入該諧振回路選頻，濾除帶外噪聲進入ST7540內部功率放大然后解調。諧振回路中心頻率為110 kHz，濾波電路的中心頻率(fc)和品質因數(Q)表達式為：

(1)

(2)

式中：RL為電感L2的直流內阻，大約等于 0.7 Ω。

由式(1)可得：

簡化電路的傳遞函數R(s)在中心頻率點fc的表達式來分析電阻RL與接收信號損耗之間的關系[11]：

(3)

實驗選取Q=3.2，要得到較高的Q值，需要盡可能大的L2值和C13值，也可以從傳遞函數的模的表達式發現C13/L2的值越小信號損耗越小，因此應選擇盡可能大的L2值。可取L2=220 μH，從而可得到相應的C13=9.51 nF，實際取10 nF。根據以上公式，Q=3.2，L2=220 μH，C13=10 nF，中心頻率為110 kHz，計算得R12=463 Ω，實際取精度為1%的貼片電阻470 Ω。

發送有源濾波器是利用芯片ST7540內部集成的放大器組成一個三階發送濾波器，電路由一個R11C11低通濾波電路和一個二階薩倫和凱低通濾波電路組成。參考ST7540數據手冊，本文選取C10=120 pF，R10=4.7 K，R13=13 K，R6=1 K，R8=1.8 K。

3　電力線模型及電參數計算

電力線主要是用來傳輸電能的，載波調制信號在電力線上傳輸，為非理想的隨機參數通信信道，電力線信道的各個電氣參數是影響通信質量的關鍵因素，因而有必要對電力線通信傳輸線的阻抗特性參數進行理論分析和實際測試研究。

3.1　電力線模型

現階段，國內主流的低壓窄帶載波通信中心頻率范圍為80～500 kHz，波長為600～3 000 m，通常認為傳輸線長度大于1/10波長，即可認為是“長線”。低壓配電線路長度通常小于300 m，與信號波長的1/10相當或達到多個波長，此時，沿線電流、電壓幅度變化以及相位的滯后不能忽略，需要建立信號傳輸線的分布參數模型[10]。如果不考慮線路的集膚效應與分布參數，將一定長度的電力線等效為一個電感、電阻、電容及電導等4個電參數的電路，且沿線路全長均勻分布，等效傳輸模型如圖3所示。均勻傳輸線分布參數模型設想由一系列集總元件構成，也就是設想其是由許多無窮小的長度元組成。每一長度單元具有電阻和電感，而兩導線間具有電容和電導，其中R0、L0、G0、C0稱為傳輸線的原參數。R0為單位長度線段上的電阻；L0為單位長度線段上的電感；G0為單位長度線段的兩個導體間的漏電導；C0為單位長度線段兩導體間的電容；i為電力線上的電流[12,13]。

圖3　電力線均勻傳輸線模型Fig.3 Model of power line uniform transmission

3.2　電力線電參數計算

根據經典的均勻傳輸線理論[14,15]，可得：

(4)

(5)

式中：α為衰減常數,Np/m或dB/m；β為相位常數,rad/m；Z0、Y0為單位長度的阻抗和導納；γ為傳輸線的副參數；Zc為傳輸線的副參數特征阻抗。

根據經典傳輸線理論，負載為ZL、長度為l傳輸線，距終端點L處的輸入阻抗大小為：

(6)

如果負載終端短路，即ZL=0，則：

Zis=Zctanh(γl)

(7)

如果負載終端斷路，即ZL->∞，則：

Zio=Zccoth(γl)

(8)

式(6)和式(7)中：Zis為終端短路時，起端輸入阻抗；Zio為終端開路時，起端輸入阻抗。由式(6)和式(7)可得：

(9)

(10)

在實際測量中，測量傳輸線終端開路、短路的輸入阻抗Zio和Zis，通過式(9)和式(10)計算得到傳輸線的副參數特性阻抗和傳播常數的實驗值Zc，γ。代入公式(11)和(12)，進而可以求得傳輸線的原參數R0，L0，G0，C0。

Zcγ=R0+jωL0

(11)

(12)

4　測試與試驗分析

4.1　電力線電參數測量與等效模型

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 mm，絕緣厚度為0.8 mm，額定電流3 A。測量原理如圖4所示，終端開路時的輸入阻抗和終端短路時的輸入阻抗可以通過式(13)進行計算[16,17]。

(13)

式中：k=u1/u2。

圖4　電力線傳輸參數測量原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of measurement principle of power line transmission parameters

測量過程分為兩步：①在相同測量電阻R的情況下測量終端開路、短路時的始端電壓和電流，直接測得k的幅值和相角；②換不同測量電阻重復以上過程。

實驗測量采用的載波頻率f=110 kHz時，R0，L0，C0，G0的值如表1所示。

根據電力線傳輸模型理論由式(14)和(15)可計算出等效阻抗Z和導納Y，其中：l為線長，n為節點數。

表1　電力線傳輸參數Tab.1 Power line transmission parameters

(14)

(15)

本實驗系統中采用100 m的雙絞線作為模擬單元線，故取1/n=100即每100 m為一個節點，對實驗測數據取平均值得傳輸參數R0=0.122 4 Ω，L0=0.918 7 μH，G0=2.420 3 μS，C0=0.040 3 nF。代入公式可得：Z=6.12+j31.748 0；Y=2.420 3×10-4+j2.785 3×10-3。

實際100 m聚氯乙烯絕緣雙絞線等效模型如圖5所示。

圖5　實際電力線等效模型Fig.5 Equivalent model of actual power line

其中電阻R取6.12 Ω，電感L取31.75 μH，電容C取4.03 nF，電導可以忽略不計。在實際的電力線載波通信測試中可以每100 m采集一次數據進行傳輸可靠性的測試。

4.2　通信距離與通信可靠性測試

試驗在24 V直流的模型線上，根據圖3不斷改變電力線的傳輸參數來模擬電力線的距離來測試ST7540的通信成功率，波特率設為4 800 bps，發送速度為24 bit/s，測試結果見表2。

表2　電力載波通信的模擬傳輸通信成功率測試Tab.2 Measurement results of communication success rate

由表2可知，在負載相同的情況下，隨著傳輸距離的增加，通信傳輸的成功率會逐漸降低，輸出信號的幅度大小會隨著傳輸距離衰減，同時可知，ST7540載波通信模塊在2 000 m內的通信成功率變化幅度不大，可以滿足果園分區輪灌電磁閥控制節點通信距離的需求。

但是長距離通信，電力線自身的阻值使得在電力線上的壓降很大。實驗中選用的24 V常閉電磁閥內阻為30 Ω，啟動電流為0.45 A，內徑為0.5 mm雙絞線通過傳輸線模型理論計算得每百米電阻為7 Ω，所以在滿足電磁閥啟動電流的要求下，實際應用中通信距離只能達到300 m。如果需要更遠距離的傳輸，需要選取內徑更粗的雙絞線，內阻更小的電磁閥。

5　結　語

常用的果園分區輪灌通信方式有多種，本文設計了以ST7540為核心的PLCC通信節點，將電力線載波通信技術應用于果園分區輪灌節水控制系統中。

根據電力線模型理論，計算出果園輪灌系統中常用的聚氯乙烯絕緣雙絞線在直流24V低壓工況下的電力線參數，并依據電力線參數進行了不同通信距離下通信可靠性測試，實驗結果表明，ST7540在直流24V電壓工況下，信道通信環境良好，理論上通信距離可以達到2 000 m。

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