基于Zigbee的多節點管道噴霧壓力控制系統研究

吳偉鋒，洪添勝，代秋芳，宋淑然，李 震

(1.華南農業大學 南方農業機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣州 510642；2.國家柑橘產業技術體系機械化研究室，廣州 510642；3.廣東省山地果園機械創新工程技術研究中心，廣州 510642；4.華南農業大學 a.工程學院；b.電子工程學院，廣州 510642)

0 引言

我國多山地果園，往往采用低矮密植型種植模式，移動式噴霧機械很難進入。許多果農仍采用背負式噴霧機進行噴藥作業，勞動強度大，效率低[1-3]。落后的施藥設備和技術造成了農產品中農藥殘留超標、環境污染等問題[4-6]。管道噴藥技術自20世紀80年代中期引入我國后，因其無需機具在果園中移動、省工省能、噴藥速度快、投資少及效益高等優點而發展迅速[7-10]。管道噴霧依靠藥液泵形成的較高壓力，將藥液在噴頭處進行霧化并施向靶標，可多點同時噴霧[11]；但管道內藥液壓力隨作業人數不同而波動，同時藥液在管道中流動會有壓力損失[12]，導致管網內藥液壓力各不相同，因此壓力成為影響管道噴霧效果的最重要的因素之一[13-15]。

噴霧壓力的改變會對噴霧量、噴霧角、霧滴參數和霧滴譜產生影響，從而影響噴霧效果[16-21]。為了使得出藥口的壓力穩定，宋淑然[22]等研發了基于微機的管道恒壓噴霧控制裝置，提出自整定PID控制[23]，可有效解決壓力不穩定的問題；但是，該系統僅控制水泵出藥口壓力，不能使管道中每個出藥口壓力達到最優。為此，本文設計了基于ZigBee的管道噴霧多點藥液壓力控制系統，對整個噴霧管網的壓力進行了有效的控制，提高了噴霧效果，為噴頭選型、管道噴霧控制裝置的優化提供了一定的參考。

1 系統整體設計

噴霧支管根據果園面積，安裝N個ZigBee無線壓力發送節點，泵房安裝1個控制箱，控制箱包括單片機主控制器、ZigBee無線接收模塊、輔助電源、按鍵模塊及顯示模塊。其中，ZigBee無線接收模塊采取廣播模式，用于接收無線壓力發送節點發送過來的數據。節點處壓力傳感器監測出藥口的壓力值，通過信號轉換電路，傳輸給ZigBee無線模塊，所有的無線壓力發送節點把數據傳輸給無線壓力接收模塊。無線壓力接收模塊接收N個無線壓力發送節點傳輸過來的壓力值，經過運算，實時調節變頻器的頻率值，從而保證管道壓力穩定。系統框圖如圖1所示，ZigBee無線壓力發送節點系統框圖如圖2所示。

系統主要有以下功能：實時監測噴霧支管出藥口壓力值，無線壓力發送節點分別監測各自出藥口出的壓力值，傳輸給無線接收模塊，求平均值，控制系統將平均值作為PID算法的輸入值，調節電機轉動的頻率，使得支管道中的壓力穩定在設定工作壓力誤差范圍內。

圖1 系統框圖

圖2 Zigbee無線壓力發送節點系統框圖

各種模塊作用如下：

1)單片機主控模塊：完成各種信號的處理和控制協調各單元模塊的工作。

2)無線壓力發送節點模塊：噴霧支管上N個節點分別監測出藥口的壓力值，并把壓力值傳輸給ZigBee無線接收模塊。

3)ZigBee無線接收模塊：負責接收無線壓力發送節點傳輸過來的壓力值，并進行數據的處理。

2 硬件設計

2.1 節點硬件電路

節點采用致遠電子的ZM5161P2-2C型號的ZigBee模塊，基于NXPJN5168芯片開發的低功耗、高性能型ZigBee模塊，它提供一個完整的基于IEEE802.15.4標準ISM(2.4～2.5GHz)頻段的應用集成方案。采用FastZigBee協議，可快速應用于工業控制、工業數據采集、農業控制、礦區人員定位、智能家居及智能遙控器等場合。

節點采用直流3.3V供電，有4路ADC、6路IO口、1個串口，本地網絡地址范圍為0x0000～0xFFFF，目標網絡地址為0x0000～0xFFFF，通道號為CH11～26，可設定為廣播模式或單播模式。該模塊主要參數如表1所示。

表1 ZigBee模塊主要參數

系統節點號分別設定為2001～2001+N-1，設定為廣播模式，在通常情況下節點處于休眠狀態。當ZigBee無線接收模塊(節點號2010，采用廣播模式)向無線壓力發送節點發送讀取ADC值的命令(如DEDFEFD7200100)，無線壓力發送節點就會向無線壓力接收模塊返回該節點的ADC值。

無線壓力發送節點的硬件電路如圖3所示。采用PTB203S壓力傳感器監測出藥口的壓力值，壓力傳感器采用10～36VDC供電，輸出4～20mA電流信號。由于ZigBee模塊的參考電壓為2.47V，硬件電路需并聯一個120Ω的電阻，以防止最大電壓超過模塊參考電壓。將電流信號轉換為電壓信號，單向TVS管可抑制壓力傳感器啟動時的瞬間電流，以防止擊穿ZigBee模塊。ZigBee模塊的ADC1監測壓力傳感器的值，最后通過串口將ADC1的值傳輸給無線壓力接收模塊。

圖3 無線發送節點硬件電路

2.2 控制箱硬件電路

控制箱部分包括單片機主控電路、OLED顯示電路、ZigBee無線接收電路和外部按鍵電路。

2.2.1 單片機主控電路

單片機主控電路由單片機最小系統和變頻器控制電路組成。

1)單片機最小系統。單片機最小系統包括電源電路、晶振電路及復位電路。其中，單片機采用基于ARM Cortex-M3內核STM32F103CBT6芯片，時鐘頻率達到72MHz，其各引腳對應連接關系及意義如表2所示。

表2 單片機各引腳對應連接

2)變頻器控制電路。在無線壓力接收模塊接收到無線壓力發送節點的數據后，由數字信號轉換為模擬信號，求平均值。經過PID算法處理，平均值作為輸入信號，設定工作壓力為目標值，得出實時的頻率值，通過變頻控制電路傳輸給變頻器，其電路如圖4所示。電路采用MAX485芯片，單片機的串口接485芯片的串口接口，由A、B兩相進行輸出。

圖4 變頻器控制電路

2.2.2 ZigBee無線接收電路

ZigBee無線接收電路在工作過程中，先分別向節點發送讀取ADC值的命令，無線壓力發送節點就會向無線壓力接口模塊返回該節點的ADC值。

ZigBee無線接收電路如圖5所示。其由3.3VDC供電，串口連接單片機的串口2，當接收到無線壓力發送節點返回的ADC值時，就將ADC值傳輸給單片機。

圖5 ZigBee無線接收電路Fig.5 ZigBee wireless receiver circuit

2.2.3外部按鍵電路

控制箱主要有4個按鍵，分別是電源按鍵、啟動停止按鍵、模式選擇按鍵及升壓降壓按鍵。

電源按鍵采用正泰的自鎖按鍵，用來控制電路板上面的電源。按下時，給電路板供電，系統可以正常工作；彈開時，電路板斷電，系統不能啟動。啟動停止按鍵控制系統的啟動和停止，模式選擇按鍵用來選擇系統工作模式。該系統有打藥和灌溉2種工作模式，本文主要介紹打藥工作模式。升壓降壓按鍵用來設定極限壓力和工作壓力，采用的是洪波數字式編碼波段開關，共有24個檔位，可循環旋轉。

2.2.4 OLED顯示電路

OLED顯示電路采用SPI協議的6腳OLED液晶屏顯示模塊，系統采用模擬SPI協議，將各個節點的壓力值、平均值顯示在OLED顯示屏上。硬件電路如圖6所示。

圖6 OLED硬件電路

3 軟件設計

系統軟件部分主要包括主程序、壓力設定子程序、ADC處理子程序、頻率調節子程序及顯示子程序。

3.1 主程序

管道藥液多點壓力控制系統軟件流程圖如圖7所示。程序首先選擇系統的工作模式，打藥模式下，設定管道極限壓力值、工作壓力值；啟動系統，每2s無線壓力接收模塊向各個無線壓力發送節點發送讀取壓力值的命令，包含各個無線壓力發送節點的節點號；無線壓力發送節點接收到無線壓力接收模塊發來的指令后，向無線壓力接收節點發送自身監測到的數值；無線壓力接收模塊接收到數據后求平均值，作為PID算法的輸入值，經過PID算法進行計算，得出輸出值，得到實時的壓力值；通過變頻器控制電路向變頻器發送指令，實時改變變頻器的頻率，進而控制變頻電機的頻率，改變水泵的轉速及管道中的壓力值，使得管道中的壓力值慢慢的趨近于設定的工作壓力值。

3.2 壓力設定子程序

壓力設定子程序用于設定管道中的極限壓力值和工作壓力值，設定壓力每次調節的幅度為±0.1MPa。

3.3 ZigBee無線壓力接收模塊處理子程序

ZigBee無線壓力接收模塊處理子程序為中斷服務處理程序，用來檢測節點傳來的ADC值，一旦節點接收到數據即向單片機發送中斷服務請求信號。若USART_IT_RXNE有效，則設置接收到數據標志位data_received為1，同時關閉中斷響應并等待。

3.4 頻率處理子程序

頻率處理子程序用來實時調節變頻器的頻率，當平均壓力小于設定工作壓力時，系統通過變頻器控制電路增加變頻器的頻率；反之，系統減小變頻器的頻率。

圖7 管道藥液多節點壓力控制系統軟件流程圖

4 田間試驗

4.1 試驗方法

在華南農業大學國家柑橘產業技術體系試驗基地的果園進行田間試驗，選取2條噴霧支管進行試驗，節點間距為10m，每條噴霧支管安裝4個節點，共8個節點；離泵房近的一條支管道分別為節點1～4，離泵房較遠的支管道分別為節點5～8。試驗介質為常溫清水，泵房離噴霧支管的距離分別為20、40m。每次試驗時先進行單節點系統的試驗，再進行多節點系統的試驗，設定工作壓力范圍為0.6～1.6MPa，記錄兩種噴霧方式下的壓力分布情況，試驗重復3次。

4.2 試驗結果與分析

單節點系統的試驗結果如表3所示，多節點系統的試驗結果如表4所示。

表3 單節點系統的試驗結果

續表3

表4 多節點系統的試驗結果

通常采用式(1)計算各個節點相對于設定工作壓力的偏離程度，定義為節點壓力方差；采用式(2)計算相對于設定工作壓力的相對偏離程度，定義為壓力吻合度。

節點壓力方差表達式為

(1)

式中Pi—每個節點的壓力值(MPa)；

P0—設定工作壓力值(MPa)；

N—節點的個數。

壓力吻合度表達式為

(2)

P0—設定工作壓力值(MPa)。

單節點系統節點壓力方差為0.050～0.31，壓力吻合度為62.67%～65.93%；多節點系統節點壓力方差為0.000 70～0.003 5，壓力吻合度為98.29%～99.85%。多節點系統相對于單節點系統，各個節點的壓力都會更接近于設定工作壓力，說明多節點系統相對于單節點系統，可顯著提高噴霧支管壓力值。

5 結論

1)多節點系統采用32位的STM32單片機作為主控芯片，多個無線壓力發送節點用于監測噴霧支管出藥口的壓力值。該系統可以實現實時調節噴霧支管壓力的功能，從而實現各出藥口的平均壓力與設定工作壓力保持一致(誤差為±5%)。

2)系統采用的ZigBee模塊傳輸距離為2km，發射功率為+20dbm，傳輸距離遠，發射功率大，適合山地果園復雜的地形，滿足試驗的要求。

3)對單節點系統和多節點系統進行對比試驗，結果表明：單節點系統節點壓力方差為0.050～0.31，壓力吻合度為62.67%～65.93%；多節點系統節點壓力方差為0.000 70～0.003 5，壓力吻合度為98.29%～99.85%。研究結果表明：相對于單節點系統，多節點系統可顯著提高各節點壓力與設定工作壓力的吻合度，從而提高噴霧效果。