基于物聯網的水肥精準管控系統設計

王高弟,白皓然,宋晨勇,郭若皓,付小波,張 凱,付 杰

(青島農業大學 機電工程學院,山東 青島 266109)

0 引言

農業自古以來作為我國的基礎行業,“三農”問題一直是關系國計民生的根本性問題。2019年的中央一號文件明確指出:必須堅持把解決好“三農”問題作為全黨工作的重中之重。

在很長的一段時期內,我國的農業種植大多遵循的是農民經驗,生產方式落后一直是制約我國農業發展的重要因素之一。隨著社會綜合實力的不斷提升,我國的農業生產逐步與現代科技相融合,發展了一系列新型農業技術,并取得了一定的成效。

水肥一體化技術是一種節水節肥的重要灌溉方式,實現了水分、養料的綜合協調和一體化管理,有效地提高了資源利用率和農業綜合生產能力[1]。國外水肥一體化技術起步比較早,自20世紀30年代開始將噴灌技術用于庭院花卉、草坪的灌溉[2],現在已形成了較為完善的設備生產、肥料配置、推廣服務體系。我國水肥一體化技術的起源可追溯到20世紀70年代從墨西哥引進滴灌設備開始[3],幾十年的時間內已由小范圍示范發展為大面積推廣,應用在設施栽培、大田生產和蔬菜、花卉及果樹等多種作物中[4]。

21世紀以來,物聯網技術的興起為傳統農業提供了新的發展道路[5]。農業物聯網是我國農業從傳統邁向現代的重要環節,運用了各類傳感器對環境信息進行采集,通過特定的協議建立起通訊傳輸,然后將獲取的數據進行處理后控制相應的智能化終端,最終實現對整個產業鏈的優化控制[6]。目前,應用較廣的信息傳輸通信標準有ZigBee技術、藍牙(Bluetooth)傳輸、無線寬帶(Wi-Fi)及4G網絡等[7]。這些技術雖然各有優勢但也存在著一定的問題:如ZigBee通訊信號穿透能力弱、抗干擾能力低;藍牙與Wi-Fi的傳輸距離較短、穩定性較差[8]。為了解決上述問題,最終采用LoRaWAN通訊協議作為本設計的數據傳輸媒介,以此來構建農業物聯網的系統架構。

1 系統的整體設計

整個系統共分為上位機和下位機兩大部分:上位機主要是開發設計的網站界面;下位機包含節點、PLC、單片機、變頻器、水泵電機及傳感器等部件。用戶可在上位機界面監測到傳感器傳送回的實時數據,并可操作相應的開關來控制下位機的工作,達到了遠程監測與控制水肥灌溉系統的目的。

低功耗廣域網(Low Power Wide Area Network,LPWAN)技術產生之后,一定程度上解決了遠距離和低功耗之間的矛盾問題,最大程度地實現更長距離通信和更低功耗[9],其主要代表有LoRa、NB-IOT、Sigfox等技術。

LoRa是一種基于擴頻技術的超遠距離無線傳輸方案,主要由終端(可內置LoRa模塊)、網關(也稱基站)、云服務器和客戶端等部分組成[10],其網絡架構如圖1所示。

圖1 LoRaWAN網絡架構Fig.1 LoRaWAN network architecture。

LoRaWAN 網絡是一個典型的星形拓撲結構,各節點通過點到點的方式連接到1個中央節點上,由中央節點向各個目的節點進行信息的傳送[11]。因LoRaWAN傳輸協議作具有功耗較低、通信距離遠、穩定性好等優勢[12],所以選擇其作為本水肥灌溉控制系統的通訊控制策略。

2 上位機設計與實現

設備的上位機部分主要是自主開發的基于LoRaWAN的智慧農業管理系統網站,該網站使用Eclipse軟件、Apache Tomcat服務器開發搭建,應用JavaWeb 中的MVC架構,主要包括前臺搭建、后臺搭建及數據交互3個部分。

2.1 前臺搭建

本網站設計中,前臺的搭建主要應用了CSS和Bootstarp框架,通過form表單等形式將后臺數據顯示在前臺,前臺主要包含登錄、注冊、主控、查詢等界面。操作人員從登陸界面的登錄,進入主控界面,輸入正確的登錄信息后網站會跳轉到主控頁面,主控面顯示水肥灌溉設備采集到的各種環境參數及控制組件。在JavaScript中判斷Java Server Pages頁面是否支持WebSocket,然后創建WebSocket連接到LoRaWAN云平臺的WebSocket接口。

主界面連接成功后網站會通過WebSocket. Onmessage()方法接收來自云平臺的數據幀,并通過JSON.parse()方法解析并提取數據,然后將信息顯示在前臺頁面,通過WebSocket.send()方法向私有云平臺發送控制指令數據幀,實現上位機對下位機的操作。

2.2 后臺搭建

MySQL數據庫中創建了分別用來存儲用戶登錄信息、下位機采集上傳信息、用戶對下位機的操作信息3個數據庫。建立JavaBean實體類、DAO接口類及DAOImpl接口實現類,通過DBUtils操作C3P0數據連接池連接數據庫,來對MySQL數據庫進行增、刪、改、查等操作,實現對用戶歷史操作記錄的管理。

2.3 前后臺數據交互

網站使用Servlet處理前臺JSP頁面的post請求來實現對數據庫的操作和跳轉顯示頁面,Servlet使用request.getParameter()方法來接受從前臺傳遞來的參數,并通過實體類方法對MySQL數據庫進行操作。頁面通過request.getAttribute()方法獲取信息,并使用form表單等形式將信息在前臺界面顯示,使用Session來進行網站各個頁面之間的數據傳輸。

3 下位機構建與實現

本設計的下位機部分是水肥灌溉系統的主控設備,硬件主要包括LoRaWAN網關、終端節點模塊、STM32單片機、西門子S7-200型PLC及其EM235拓展模塊、臺達VFD-M變頻器、DN20及DN25型超聲波流量計、土壤及空氣溫濕度傳感器、24V直流電機、0.75kW三相交流水泵、水肥灌溉管路等系列器材。整個硬件系統的框架結構如圖2所示。

圖2 系統硬件結構框圖Fig.2 System hardware block diagram。

3.1 LoRaWAN網關與節點

設備采用的LoRaWAN工業級網關主要起數據包轉發的作用,將射頻模塊上傳的數據轉發給服務器,以及將服務器發出的下行命令轉發給終端節點;終端節點也稱為射頻模塊,主要作用是負責水肥灌溉系統的數據收集及將采集完畢的數據打包上傳給網關終端。

射頻模塊用到的主控芯片是LPMD系列的STM32L151CBU6單元,是一款高性能、低功耗、低成本、小體積的LoRaWAN模塊,支持CLASS A、CLASS B、CLASS C等3種傳輸協議。使用STM32單片機的串口向節點模塊發送符合LoRaWAN協議棧的精簡AT指,令實現下位機對上位機的數據傳輸。這種開發方式靈活快捷,便于用戶的調試。

3.2 STM32單片機

STM32F103單片機在系統中主要起環境數據的上傳和與LPMD節點模塊通訊的作用。土壤和空氣溫濕度、EC值、pH值傳感器將獲取到的信息通過485總線的方式匯入到單片機中;之后,將信息打包通過終端節點模塊發送至網關;網關再通過WebSocket傳輸到上位機網站,便于用戶通過網絡實時監測和管理。

單片機與PLC之間用485總線建立起通訊關系,單片機在收到上位機發送的指令時會對該控制指令數據進行解析處理,它會先向PLC發送數據指令幀,PLC接收到后對其進行判別比對并返回數據響應幀,或者根據指令幀完成不同的操作。

3.3 西門子PLC

西門子S7-200型 PLC及其拓展模塊是整個系統的中央處理單元(CPU),程序中包括水泵電機PID閉環控制、占空比方式控制直流電機通斷時間、自由口協議設定變頻器頻率、MODBUS協議讀取流量計參數等若干網絡,在水肥灌溉設備運行的過程中起到至關重要的作用。

安裝在主輸出管路上的流量計將采集到的實時流量信息傳入到PLC中,PLC會對其進行相應的換算并自動進行PID調節,然后從它的模擬量輸出端子輸出特定范圍的電壓信號。該信號傳送至臺達變頻器的模擬量輸入端,根據送入電壓信號的大小調節變頻器的輸出頻率,從而改變三相水泵電機的轉速,使主管路的水肥流速控制在一個較為穩定的范圍,不出現較大幅度的波動,實現給定速率下肥液的恒速輸出。

3.4 直流與三相電機

兩個24V直流型電動機安裝在進肥管路上,每個電機控制一路肥液的輸入,采用PWM占空比的方式控制電機的通斷時間,相同的時間段內各支路以不同的速率抽取肥液,進而實現多種環境下不同肥料的精準配比功能。

三相水泵電機安裝在主供水管路上,根據變頻器輸出的實時頻率從水源處進行抽水工作,直流電機抽取的肥液在供水管道中與灌溉用水混合,水肥混合液在水泵驅動力的作用下經過管路中的pH值、電導率傳感器和超聲波流量計,最終流到灌溉區。

3.5 超聲波流量計

下位機設備使用到一個DN25型、兩個DN20型超聲波流量計。DN25型流量計安裝在主輸出管路上,用于監測水肥混合溶液的實時流量情況;DN20型流量計安裝在兩路肥液的輸入管路上,用于監測直流電機在不同的速率下運轉時進肥管路的肥液流速情況。

流量計遵從MODBUS協議的RTU通訊方式,支持MODBUS命令碼的03H讀寄存器、06H寫單個寄存器和10H寫多個寄存器指令。流量計的通訊線頭與PLC的PORT端口之間用RS485串口線連接起來,通過MODBUS協議流量計將獲取到的瞬時流量、累計流量等數據傳送至PLC,以實現閉環反饋和信息的獲取。

4 系統運行測試

目前,水肥一體化設備的整體調試已基本完成,在此針對上位機的網站及下位機流量計的PID調節部分做相應的介紹。

4.1 上位機網站

在瀏覽器網址欄輸入正確的地址后即可進入網站首頁,在該頁面用戶可以進行賬號的注冊及登錄操作,頁面布局如圖3所示。

圖3 系統網站首頁界面Fig.3 Home page interface of system website。

首次進入網站的用戶須注冊新的賬號,注冊完成后點擊“登錄”按鈕就可彈出登錄對話框,如圖4所示。

圖4 網站登錄對話框Fig.4 Website login dialog box。

在輸入正確的賬號與密碼后,網站會跳轉到主控制臺界面,該界面設置有控制面板、備忘錄、數據匯總等若干分欄。用戶可從控制面板界面讀取到傳感器監測到的各種環境信息(如空氣溫濕度、土壤酸堿度等),控制面板的網頁界面如圖5所示。該頁面下部是設備的控制平臺,用戶可選擇相應的開關實現上位機對下位機的操作,如變頻器加減頻率、電機啟動與停止等。

圖5 網站控制面板界面Fig.5 Website control panel interface。

本網站在備忘錄分欄中可以記錄重要的數據信息,為后續的生產試驗提供參考;用戶只需點擊相應的時間節點即可彈出任務輸入框,輸入要記錄的內容就可實現備忘錄的創建。 在備忘事件列表中羅列出了常用的工作任務,用戶可根據實際情況選擇對應的條目,使整個過程操作起來更加方便、快捷。備忘錄界面如圖6所示。

圖6 網站備忘錄界面Fig.6 Website memorandum interface。

為了更直觀地表現各種環境參數的變化趨勢,在控制面板中設計了數據匯總頁面,如圖7所示。在該界面上各種傳感器采集到信息以圖線的形式表現出來,數據的變化情況一目了然。

圖7 網站數據匯總界面Fig.7 Website data summary interface。

匯總圖表下還有若干子圖表,便于人們了解其中某一項參數的變化情況(如土壤溫濕度變化曲線),如圖8所示。

圖8 土壤溫濕度變化曲線示意Fig. 8 Indication of soil temperature and humidity change curve。

4.2 流量PID調節

由于設備進行PID調節的時間非常短,為了更直觀地說明各類曲線的變化情況,特選取以下幾個時間節點來分析其調節過程。

在上位機界面對設備的主輸出管路流速進行設定,當流量設定在以30的速率下工作時,PLC內部的PID調節曲線如圖9所示。1號線即給定值,代表設定的初始比率;2號線即過程量,代表流量計監測到的管內實時流速;3號線即輸出值,代表PLC輸出的電壓信號。

圖9 PID調節過程示意(30比率下)Fig.9 Indication of PID adjustment process (under 30 ratio)。

圖9中,PLC開始時輸出的電壓信號為0,此時變頻器會以設定好的最低頻率驅動電機運轉,管內水流量會下降,代表流量計監測到管內瞬時流量的過程量曲線會向設定值趨近,PLC會即刻輸出經過PID調節轉化后電壓信號。

在該電壓信號下,管內水肥流速依然未達到設置值,系統則會繼續進行PID調節,直至實時流速曲線與用戶設定比率趨向重合。此時,PLC的輸出電壓也漸漸趨于恒定,變頻器在某個頻率范圍下工作,驅動三相水泵電機運轉,如圖10所示。

圖10 PID調節完成示意(30比率下)Fig.10 Completion indication of PID adjustment (under 30 ratio)。

當系統PID調節完成、穩定達到輸出后,用戶可以重新設定水肥流速,系統在35比率下運行的示意曲線如圖11所示。系統開始時,實際流速比設定值高,PLC的輸出電壓值最低,電機轉速較慢,水肥流速下降,過程量曲線開始向設定速率35靠近,PLC在接收到管內流量下降的信息后會立刻輸出經PID運算后的電壓信號,變頻器再驅動三相電機以新的頻率運轉。

圖11 PID調節過程示意(35比率下)Fig.11 Indication of PID adjustment process (under 35 ratio)。

在PID調節的過程中,過程變量、輸出變量曲線會不斷地振蕩、交錯,最終實時流速會逐漸與設定值線條重合,而電壓的輸出值圖線也會穩定在某一個數值左右,如圖12所示。

圖12 PID調節完成示意(35比率下)Fig.12 Completion indication of PID adjustment (under 35 ratio)。

當過程量逐步趨進于給定值、輸出電壓也達到穩定后,三相電機在變頻器的穩定輸出下實現了恒定運轉,不會出現較大幅度的波動,水肥溶液達成了給定比率下的恒速輸出。

若用戶想繼續改變流速,只需重新設定設備工作的初始比率,系統會重復上述PID閉環控制的過程,最終依然可以實現水肥流量穩定輸出。

5 結論

1)設計的水肥一體化設備,在傳統的水肥一體化灌溉技術的基礎上結合了LoRaWAN遠距離傳輸通訊技術,解決了先前設備受控距離比較短的問題;運用PID閉環控制方法解決了水路流速幅度過大的問題;利用PWM占空比的方式控制直流電機的通斷時間實現了多種肥料間的均勻配比;利用JAVA語言設計出網站,并實現了上位機與下位機間的通訊。

2)該水肥精準管控系統實現了農業的精細化、網絡化、智能化管理,具有十分重要的現實意義。