溫室分區多時段灌溉控制系統

蔡吉晨，楊 碩，王 秀

(1.中國農業大學 信息與電氣工程學院，北京 100083；2. 國家農業智能裝備工程技術研究中心，北京 100097；3.農業部農業信息技術重點實驗室，北京 100097；4.農業智能裝備技術北京市重點實驗室，北京100097)

0 引言

溫室管理作為溫室產業的關鍵環節，已由大勞動力投入轉向為自動化、智能化控制，實現光照、溫度、水分和二氧化碳濃度等植物生長所需的人為控制，增加了農作物的產量，改變了農作物的產季，提高了經濟效益。溫室水肥灌溉是溫室管理的重要組成部分，主要包括溫室環境監控系統[1-5]、灌溉決策系統[6-7]和水肥實時執行系統[8-9]。

水肥實時執行系統主要解決施用方法、施用量和施用時間的問題。大面積溫室的出現，遠距離有線鋪設不僅浪費材料，也增加了溫室投入成本，使無線控制成為主流；分區種植、分區灌溉的出現，為溫室單體構建局域無線通訊網絡提出了新的問題；統一時段大量灌溉，受植物吸收能力限制，造成水肥浪費，不利于具有針對性的水肥灌溉方法的實施。溫室水肥實時執行系統在實際應用中仍有待完善。

針對以上問題，為解決具有分區種植特點的溫室水肥灌溉問題，采用多時段、分區灌溉方法，搭建溫室單體無線控制局域網絡，采用模塊化的設計思路，設計了一種溫室分區多時段灌溉執行系統，具有易于推廣和擴展的特點。

1 系統方案設計

1.1 系統總體方案

本系統主要由參數設置界面、中心處理單元和各末端控制單元組成，如圖1所示。

圖1 系統總體方案示意圖Fig.1 The structure of the system overall scheme

參數設置界面主要進行分區流量值設置和開啟時間設定，通過232接口與中心處理單元進行通訊，中心處理單元通過232接口連接GW-YL-100IL型電臺數傳模塊。該電臺數傳模塊采用無線電臺進行傳輸，具有收發一體、半雙工及數據收發轉換自動完成的功能，其配置工作頻率為433MHz，串口傳輸速率為9 600bps，信道速率為9 600bps，電臺數傳模塊采用透傳的方式傳輸，可任意擴展接收節點，增強了系統的可擴展性。末端控制單元通過接收電臺數傳模塊傳輸的數據，解析出對應的啟動時間和灌溉量信息，對應溫室各分區實現水肥灌溉。

1.2 參數設置界面

參數設置界面主要具有系統時間顯示、文本輸入、按鈕輸入和數據傳輸接口功能。本系統選擇的系統參數設置界面為DC80600B080_03WK_RTC型串口觸摸屏，以Cortex-M3和高速FPGA雙處理器為核心，具有如按鈕、文本、系統時間等常用組件控件，通過串口與MCU進行交互。觸摸屏應用電路如圖2所示。每觸發一次組態控件事件，串口屏通過配置將會通過串口發送相應的16進制指令，也可通過MCU串口發送相應的指令觸發相應的事件，以利于MCU與觸摸屏之間的交互實現。

圖2 觸摸屏應用電路Fig.2 Application circuit of the touch screen

1.3 中心處理單元

中心處理單元主要由STC12C5A60S2單片機、TTL轉串口模塊參數設置界面及電臺數傳模塊組成，如圖3所示。為適應溫室內供電環境，采用220V轉DC5V開關電源為單片機系統供電。STC12C5A60S2單片機集成雙串口，單片機通過UART1經TTL轉232模塊，通過232交叉串口線與串口觸摸屏進行交互，獲取參數設定信息，通過UART2經TTL轉232模塊與電臺數傳模塊通訊，用于將各設定值發送給末端控制單元。

1.4 末端控制單元

末端控制單元主要由STC12C5A60S2單片機、電臺數傳模塊、流量傳感器、固態繼電器模塊和電磁閥等構成，如圖4所示。整個末端控制單元由AC220V開關電源供電，該開關電源選用具有DC12V和DC5V雙電壓輸出的功能，DC12V為滴灌管路專用電磁閥供電，DC5V為MCU系統及電臺數傳模塊供電。MCU通過電臺數傳模塊接收的啟動指令和流量設定值，打開GTD-W-5A型固態繼電器模塊，打開滴灌管路專用電磁閥，通過USC-HS43TB型流量傳感器記錄流量信息至流量設定值后，從而關閉電磁閥，切斷管路通道，停止滴灌。

圖3 中心處理單元硬件示意圖Fig.3 The hardware structure of the center unit

圖4 末端控制單元硬件示意圖Fig.4 The hardware structure of the terminal control unit

2 控制系統軟件設計

2.1 參數設置界面設計

參數設置界面采用Visual TFT組態編程環境編寫，主要由流量設置界面(見圖5)和時間設置界面(見圖6)組成。流量設置界面主要由分片(以8個分區為例)流量設置文本框、啟動按鈕和時間設置界面切換按鈕構成。中心處理單元MCU可以讀取對應流量設置文本框的ID號碼解析出各區流量設置值；通過讀取啟動按鈕的事件觸發指令對末端控制單元發出啟動、停止指令及各文本框參數信息；通過時間設置界面切換按鈕實現時間設置界面的切換。時間設置界面主要由時間輸入文本框(以4個時間段為例)、系統時間顯示和啟動/禁用時間段設置按鈕組成。由于該組態軟件中未設置時間輸入專用文本框功能，本文通過兩個文本框組合，即HH(0～24)和MM(0～60)進行以24h制為參考的啟動時間設置，中心處理單元MCU通過比對讀取系統時間數值與時間輸入文本框的數值向末端控制單元發送啟動/停止指令；啟動/禁用按鈕用于設置該啟動時間是否處于工作狀態，將啟動時間段設置在1～4個之間靈活變化。

圖5 流量設置界面圖Fig.5 The chart of flow setting interface

圖6 時間設置界面Fig.6 he chart of time setting interface

2.2 中心處理程序

中心處理程序主要完成與參數設置界面進行數據交互和發送指令至末端執行程序兩部分功能。為了保證數據傳輸的可靠性，分別通過UART1和UART2來實現參數設置界面和末端執行程序之間的數據傳輸，中心處理程序的程序流程圖如圖7所示。

圖7 中心處理程序流程圖Fig.7 The flow chart of central processing

程序開始后，首先對串口UART1、UART2和定時中斷等參數進行初始化，串口1打開后，UART1中斷程序開始等待接收指令，當串口觸摸屏觸發事件向中心MCU發出指令后，首先將接收到的數據存入暫存數組，進行完整性判斷，當接收到一條完整的數據后，通過結構體預定義函數，執行對應的子程序。執行的子程序主要有流量設置文本框子程序、時間設置文本框子程序、系統時間設置子程序、程序啟動/停止事件和時間段啟動/禁用事件子程序。在流量設置子程序中根據文本框的ID號碼區分出對應的文本框位置，提取出文本框數值，同時將流量設置數值嵌入到字符“$Flowa,0000.0,#”的第7～12位中，對應1～8個分區，字符串第5位分別對應字符a～h，并將該字符串發送至UART2進行發送。當至少啟動一個時間設置啟動/禁用按鈕后，系統定時向UART1發送讀取系統時間的指令，獲取系統時間后，將16進制系統時間數據截取出HH和MM信息，轉換為整型與時間設置文本框子程序中接收到的HH和MM信息進行對比，當二者相等時，發送打開電磁閥指令“$KEYON”至UART2。當系統啟動按鈕事件發生后，MCU間隔200ms向UART1發送讀取各文本框、按鈕指令，發送完成后，UART1接收到各文本框和按鈕數據，并將各數據暫存入UART2發送數組中進行依次發送，以保證系統每次啟動時向電臺數傳模塊發送最新的設置參數信息。工作結束后，當按下系統停止按鈕后，發送關閉電磁閥指令字符串“$KEYOF”，停止工作。

2.3 末端執行程序

末端執行程序主要完成接受啟動/停止系統指令、接收對應分區流量設置信息、進行流量統計計數及開關滴灌管路電磁閥的功能，程序流程圖如圖8所示。初始化串口打開后，開始接收指令，根據數據前6位指令差異，進行指令判別；確定指令后，繼續接收指令字符串，將對應指令標志位置1，跳出串口程序。主程序中判斷各子程序入口標志位是否為1，當流量截取指令表位為1時，截取第7～12位數值，得到流量設定值，并存入流量設置變量；接收到“$KEYON”指令后，打開外部中斷0入口，啟動電磁閥。外部中斷0入口打開，等待中斷響應，獲得流量傳感器的流量脈沖信號，計數值Spray_Count++，根據試驗測定流量累計數值為250Pulse/L，每100mL計數1次，計數值Spray_100ml++，由于流量設定值為帶1位小數的數值，通過將流量設定值x10轉換為整數進行比較；當到達流量設定值后，關閉電磁閥，同時將各計數值清零，關閉外部中斷。接收到“$KEYOF”指令后，系統會強制將電磁閥關閉。同時，將各計數值清零，關閉外部中斷0，作為急停開關指令使用。

圖8 末端執行程序流程圖Fig.8 The flow chart of the terminal control processing

3 系統試驗

本系統主要用于溫室內分區灌溉，關鍵控制參數包括有效通訊距離、通訊準確率及管路流量的控制精度。有效通訊距離測試中，試驗地點為北京市農林科學院小湯山試驗基地溫室大棚(長51m，寬8m)內進行，每個通訊距離重復100次試驗，接連發送字符串長度為112個，對數據完整性進行判定。試驗測定結果表明：通訊距離為30m，通訊準確率為80%；通訊距離為25m，通訊準確率為100%。

管路流量控制精度測試，在溫室管路中工作壓力為0.2MPa，經標定流量傳感器參數為34.2Pulse/100mL，測量10組數據(見圖9)，在設定1 000mL下，管路總流量平均值為1 087mL，流量控制精度為92%。

圖9 管路流量控制精度試驗結果Fig.8 The results of pipeline flow control accuracy test

4 結論

1)基于電臺無線傳輸模塊，設計了一種溫室分區多時段灌溉控制系統，能夠實現管路流量設置及分時段無線控制。該系統采用模塊化的封裝設計，利于安裝和推廣。

2)該系統設計并實現了多流量值、多時段參數設置，利用文本框組合的形式構建了24h制以分鐘計時、串口屏時間設置的方法，以及串口數據交互程序，使系統應用局域網絡工作可靠。

3)試驗結果表明：該系統有效通訊距離為25m，通訊準確率為100%，對大面積溫室(60～100m2)單體進行組網時， 通過設置中轉收發站實現大面積溫室內

數據傳輸；管路流量準確率為92%，標準差為15.52mL，說明管路流量控制具有較好的穩定性，可滿足滴灌管路流量控制的農業應用要求。