基于MBus的水肥一體化施肥機傳感器監(jiān)測系統(tǒng)研制

高菊玲，孫昌權，黃 鋒

(1. 江蘇農(nóng)林職業(yè)技術學院機電工程學院，江蘇 句容 212400；2.江蘇省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程中心，江蘇 句容 212400)

我國人口已有14億人，人均耕地面積小，淡水資源短缺[1]，嚴重威脅著農(nóng)業(yè)的正常生產(chǎn)。因而節(jié)水灌溉研究一直都是一項重要而緊迫的任務。隨著滴灌、微噴灌、噴灌等技術的發(fā)展，能夠將水肥結合起來的水肥一體化技術也在不斷進步[2]。

水肥一體化技術是以滴灌和噴灌技術為基礎，能夠一次性將植物所需的肥料和灌溉水輸送給植物，滿足植物的生長所需。近年來隨著無土栽培技術的普及，在克服土壤連作障礙，提高投入產(chǎn)出比，提高農(nóng)產(chǎn)品質量方面，無土栽培技術顯示出強大的發(fā)展?jié)摿3]。但無土栽培面臨著栽培基質無法提供充足養(yǎng)分的問題，水肥一體化技術正是這個問題的解決方法。水肥一體化技術和無土栽培技術的結合可以說是順應了農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展。現(xiàn)階段，施肥一體化技術的研究，有的是施肥機控制算法的研究[4-6]，有的是施肥機混肥系統(tǒng)的研究[7,8]。為了提高肥料的利用率，降低生產(chǎn)成本，各種信息技術也進入到農(nóng)業(yè)領域中，將物聯(lián)網(wǎng)與作物栽培結合起來[9]，發(fā)揮植物的生產(chǎn)潛能。可以預見，未來的水肥一體化技術，將會是自動化控制、植物生長生理、信息技術三者的相互結合。

與此同時，在工業(yè)控制領域，智能化儀表、電磁閥控制技術日趨成熟，甚至人們生活中，也出現(xiàn)了遠程抄表技術[10]。這些技術能夠提高設備的自動化程度，減少人的維護復雜程度，實現(xiàn)實時的遠程監(jiān)管[11]。這些技術在農(nóng)業(yè)上是否有適用的場合，需要不斷地探索。

本文對水肥一體化施肥機的傳感器網(wǎng)絡展開研究，使用電力線載波技術實現(xiàn)傳感器節(jié)點的供電和通訊，采集施肥區(qū)域的環(huán)境參數(shù)，進而控制施肥機的運作。對該技術的可用價值進行評價，以期為該技術在農(nóng)業(yè)上的應用提供參考。

1 施肥機水肥一體化技術和MBus技術

1.1 施肥機水肥一體化技術

水肥一體化技術，以滴灌和噴灌技術為基礎，使用管道輸送水，配合肥料融合和肥料調(diào)節(jié)施肥裝置，將灌溉水以及作物需要的肥料一次性輸送到植物根系的施肥技術[12]。

一般而言，水肥一體化技術包括兩個層面，一是硬件層面，包括貯肥罐、混肥器、施肥管路和各種電磁閥；二是軟件層面，用于和作物、環(huán)境相耦合，實現(xiàn)精準的肥料施用控制，進而提高肥料的利用率，提升作物的品質，減少對環(huán)境的污染。

在實際的生產(chǎn)實踐中，人們逐漸意識到水肥一體化技術能夠降低生產(chǎn)成本，減少水資源的利用，有效提高作物的產(chǎn)量。如果能夠根據(jù)作物需水需肥規(guī)律，制定合理可靠的灌溉施肥制度，將會更進一步提升作物產(chǎn)量，保證較高的作物品質。

1.2 MBus技術

Metering-Bus簡稱MBus，是一種專門為計量儀表數(shù)據(jù)遠程傳輸而設計的主從式半雙工總線，只需2根線纜，便可完成主站與遠程從站之間的通訊。

MBus系統(tǒng)的一般結構見圖1，包括一個主站和多個從站。MBus采用“主站呼叫-從站應答”的方式通訊，從站之間不能直接進行通訊。Mbus使用兩線制通訊，不區(qū)分正負極、施工簡單、故障率低，總線具有一定的帶載能力，能夠直接給從機遠程供電，使用獨特的電氣特征傳輸信號，擁有優(yōu)秀的抗干擾能力。Mbus技術廣泛應用于測量儀表數(shù)據(jù)數(shù)字化中，比如數(shù)字抄表系統(tǒng)、大型商場的火警監(jiān)測系統(tǒng)等[13]。

圖1 MBus系統(tǒng)的一般結構

與MBus應用場景相近的還有RS485技術。但是RS485技術存在一些不足：容量少，接入設備不能超過128個；通信速率低，隨著距離的延伸，通信速率迅速降低；只能采用非隔離的通訊方式，不適合長距離的戶外通訊；不能給設備直接供電；RS485的芯片功耗較大，容易增加線路上的電壓降；布線方式受限制，只能使用串行方式。這些局限，更能顯示出MBus的先進。

2 基于MBus的施肥機傳感器監(jiān)測系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)架構與組成

一般而言，施肥機組成包括：供水系統(tǒng)、攪拌電機、母液桶、增壓泵、混肥器、施肥管路、終端施肥的執(zhí)行機構、電磁閥、控制器和人機交互界面(HMI)。

為了降低系統(tǒng)復雜程度，重點驗證MBus技術在施肥機方面的應用，本系統(tǒng)的施肥機架構與組成見圖2。

圖2 施肥機架構與組成

選擇三菱公司的Fx3G作為控制器，接口豐富，擴展功能強，易于通過安裝IO模塊增加輸入輸出能力。威綸通公司生產(chǎn)的HMI以可靠穩(wěn)定、支持通信協(xié)議廣泛而聞名，能夠通過簡單的配置和PLC通訊，故選擇該公司的MT8102iP作為HMI。

本系統(tǒng)施肥機的工作原理是：PLC接收用戶的設定，按時開啟增壓泵，利用文丘里效應，母液桶中的濃縮母液經(jīng)過流量控制閥進入到文丘里中，經(jīng)混合后，制成特定比例的工作液。控制器通過對施肥管路中不同區(qū)域電磁閥的開閉，實現(xiàn)對不同區(qū)域的施肥作業(yè)。為了簡化設備的復雜度，提高可靠性，本設備取消了母液的自動化配置，采用手動調(diào)節(jié)流量控制閥，來控制不同的營養(yǎng)液濃度。

電磁閥的安裝靠近施肥機，便于供電和控制。MBus主站安裝在施肥機控制配電板上，與HMI連線通訊，MBus供電直接從配電板取得。

在施肥區(qū)域安裝MBus從站，其中從站的硬件設計見圖3[14]。

圖3 MBus從站硬件設計

從站用于采集施肥區(qū)域的環(huán)境參數(shù)，反饋給控制器。因為MBus模塊的特性，單片機可以直接從MBus總線獲取所需的電能，解除了用電的限制，在單片機的程序上可以增加傳感器的采樣頻率，提高對施肥區(qū)域環(huán)境參數(shù)變化的響應速度。使用銅康銅熱電偶，安裝在土壤下5 cm，用于采集土壤的溫度數(shù)據(jù)。土壤濕度傳感器利用電極測量土壤的電阻率，測量結果為電壓輸出型，輸出范圍為0～3.7 V，使用MCU的ADC模塊將電壓值轉化為土壤相對含水量。

主站部分，如果使用Fx3G的擴展板增加一個串行通信接口，那么會導致整個設備的成本增加，本設計充分利用威綸通HMI多出來的DB9接口，使用Free Protocol通信協(xié)議，在威綸通的宏命令中使用INPORT和OUTPORT函數(shù)，自行定義數(shù)據(jù)幀的格式，具體格式見表1。主站和從站的數(shù)據(jù)幀均遵守MBus儀表總線協(xié)議。采集的數(shù)據(jù)存儲在人機交互界面中，每5 min保存一次記錄。同時約定從站應答的數(shù)據(jù)格式，見表2。

表1 MBus數(shù)據(jù)幀格式

表2 從站應答幀中DATA部分格式

2.2 系統(tǒng)控制流程

主站部分，設置HMI的COM2接口使用Free Protocol協(xié)議，編寫宏程序。當機器開機以后，主站以10 s為一個周期向從站發(fā)送查詢幀，向從站輪詢采集的環(huán)境參數(shù)。接收到從站返回的數(shù)據(jù)幀后，對從站發(fā)回的數(shù)據(jù)進行解析，存放在HMI的寄存器中。HMI根據(jù)區(qū)域的環(huán)境參數(shù)與設定值進行比較，將控制指令下發(fā)給PLC，進而控制對應區(qū)域電磁閥的開閉。主站查詢與控制流程圖見圖4。

圖4 主站查詢與控制流程圖

從站在UART的中斷中偵聽主站的查詢請求，一旦MBus從站模塊獲取到詢問幀，從站則進入UART中斷服務，將從站連接的傳感器數(shù)據(jù)組裝后，按照MBus協(xié)議的要求遞交給MBus從站模塊，然后數(shù)據(jù)發(fā)送到主站中。從站中斷工作流程圖見圖5。

圖5 從站中斷工作流程圖

從站使用STM32F1x芯片的TIM，定期對傳感器進行數(shù)據(jù)的采集，由于DHT11自身已經(jīng)對數(shù)據(jù)進行了處理，故每次直接讀取該傳感器的數(shù)據(jù)作為最新值。

(1)

式中：x為最新的采樣值；yi為更新前的數(shù)值；yi+1為更新后的值。

銅康銅熱電偶、土壤濕度傳感器的數(shù)據(jù)有一定的波動，為了減少波動對數(shù)據(jù)的影響，使用式(1)更新地溫數(shù)值。

3 試驗驗證

3.1 試驗方案

試驗在江蘇農(nóng)博園的連棟塑料溫室中進行，對機器進行兩種工作模式下的驗證。實驗實際采用的是一主一從的方式，A組試驗和B組試驗交替進行，兩組試驗間隔4 h。

A組實驗，使用基于MBus通訊的傳感器采集區(qū)域的濕度情況。對比土壤濕度閾值，決定電磁閥的通斷。具體策略見式(2)。

(2)

式中：yi為i區(qū)域采集回來的濕度值；t為濕度設定的閾值，上下浮動10%，作為模糊區(qū)間，不作控制；YV為電磁閥，YV=on表示電磁閥開啟，YV=off表示電磁閥關閉。

實驗每次2 h，記錄土壤相對含水量。

B組實驗，在HMI上寫排程，用于定時控制PLC開啟電磁閥。設定形式為每半小時開啟電磁閥5 min，試驗同樣進行2 h，記錄土壤相對含水量。

使用土壤相對含水量表示土壤濕度，即土壤含水量占該土壤田間持水量的百分比，見下式。

(3)

在從站部分使用了片上自帶的ADC模塊，該模塊為12位逐次逼近型，可以將電壓、電流等模擬量信號轉化為0～4 096之間的數(shù)值。為了建立土壤相對含水量與傳感器數(shù)值之間的關系，需要對土壤含水量與ADC輸出數(shù)值進行標定。采集溫室內(nèi)土壤，進行3次重復試驗，取平均值作回歸方程。標定結果如圖6所示。

圖6 土壤含水量與ADC讀值標定曲線

實驗結果的均勻性使用Christiansen計算法計算，見下式。

(4)

式中：ci為第i個采樣；n為樣本容量；Cu為樣本點的均勻性值。

實驗結果與設定的相符程度用平均誤差平方和來描述，值越小，那么實驗結果和設定值越相符。

(5)

式中：s為系統(tǒng)設置的濕度閾值；ci為所采的樣本；n為樣本容量；Qc-s為平均誤差平方和。

3.2 結果與分析

實驗對2 h內(nèi)的變化進行了細致的記錄，數(shù)據(jù)為3次實驗結果的算術平均值。對A組實驗，濕度設定閾值為70%。B組實驗設計為每經(jīng)過30 min，打開電磁閥灌溉5 min。兩組實驗下相對土壤含水量見圖7。

圖7 兩組實驗下土壤相對含水量

從圖7可以看出，兩種模式下，土壤的相對含水量都呈現(xiàn)鋸齒狀變化，分別在打開電磁閥灌溉后約5 min，土壤相對含水量達到峰值，之后緩慢下降，最終在25 min后，濕度下降到低于設定值。B組實驗，采用的是定時灌溉模式，土壤相對含水量上升的時機比較一致，灌溉5 min的設計能夠滿足70%的土壤相對含水量設計指標，但是土壤相對含水量有不斷增高的趨勢。

A組實驗，每當達到土壤相對含水量下閾值的時候，則開啟電磁閥進行灌溉，一直到相對含水量達到上閾值，則關閉電磁閥。對比B組的試驗結果，可以看出，A組實驗雖然也呈現(xiàn)出鋸齒狀的土壤相對含水量變化，但變化范圍始終圍繞在設定值附近。B組實驗采用定時灌溉的策略，隨著時間的增加，土壤相對含水量實際處于一個逐漸升高的狀態(tài)中，穩(wěn)定性不如A組實驗。Christiansen計算法的結果也印證了這個觀察，其中A組實驗的均勻系數(shù)為92.157 3%，B組實驗的均勻性系數(shù)為90.837 5%。

當對比兩種方式與設定值的相符程度時，A組平均誤差平方和為54.892，B組為142.929，B組顯著高于A組，說明A組更加接近設定值，與實驗數(shù)據(jù)相符。

4 結 語

基于MBus的施肥機傳感器監(jiān)測系統(tǒng)，通過Mbus技術將傳感器直接與施肥機控制設備相連，有效解決了定時方式的傳統(tǒng)施肥機無法精確對水肥施用控制的問題。與傳統(tǒng)的定時控制相比，使用從站節(jié)點獲取區(qū)域的環(huán)境參數(shù)能夠實現(xiàn)更加準確的施肥控制，避免水肥的浪費，具有良好的研究推廣價值。

本系統(tǒng)僅是MBus技術與施肥機相結合的初步探索，實驗時間有限，兩種技術的結合還有很多方面可以挖掘，如何提高施肥的準確性，提高MBus從站節(jié)點的數(shù)量，在新的技術融合下，改進施肥機的控制算法仍有待進一步驗證。