基于國產微控制器節水灌溉首部樞紐控制系統設計

李曉樂 朱 梅 范 舟 栗昕羽

(1.安徽農業大學 工學院，合肥 230036；2.安徽省水文局 王家壩水文站，安徽 阜陽 236312)

水資源是農業生產不可缺少的生產要素，是實現我國農業發展的重要條件保障[1-2]。隨著我國農業生產的發展，農業用水呈現遞增趨勢，水資源緊缺與農業生產的矛盾日漸凸顯[3]。水肥一體化技術可有效實現節水節肥，灌溉施肥設備是水肥一體化技術的核心[4-6]。目前國內市場主流智能灌溉施肥設備基本具備灌溉電磁閥控制、EC/PH測量與控制、施肥通道控制、遠程通信等功能，提高了灌溉施肥的自動化控制效率和水肥管理水平[7-9]。在電磁閥控制方面，陳川等[10]利用無線通信技術和嵌入式開發技術研發一種基于4 G的無線遙控電磁閥裝置，實現以地面實測土壤水分數據為輸入的精準灌溉控制。在施肥控制方面，鄭雪松等[11]模擬傳統農民配肥施肥過程，設計了一款基于泵注肥法全自動施肥機，支持時間邏輯、人機交互觸發、內部程序觸發等模式，可通過手機、電腦App遠程操控，實現一人同時控制多臺設備。在農業遠程通信方面，冀榮華等[12]設計了一種基于遠程通信的農田信息管理系統，實現農田信息的無線與實時采集、處理、可視化和傳輸。

已有研究較多針對灌溉施肥設備控制系統部分功能，存在設備集成度不夠高，操作不夠簡便，成本較高等問題，在實際應用中難以滿足農業節水灌溉裝備操作便捷、成本低的需求[13-14]。微控制器芯片是控制系統的核心組成部分，但在2021年，全球芯片產業因疫情原因受到一定程度沖擊，造成芯片短缺[15-16]，特別地，國外對芯片相關產業的壟斷，部分芯片價格甚至上漲5倍導致控制系統成本大幅增長[17-18]。有鑒于此，本研究擬采用基于RISC-V開源指令集CH32V103國產微控制器芯片，擺脫國外芯片封鎖并減少因芯片引起的潛在安全性問題，設計灌溉系統首部樞紐模塊化控制系統，具有灌溉、過濾、施肥、智能控制等功能，以期提升控制系統集成度并簡化用戶操作，降低使用成本。

1 首部樞紐控制系統模塊化設計

1.1 首部樞紐控制系統

灌溉系統工程由首部樞紐、輸配水管網和灌水器等組成。本研究設計的控制系統用于首部樞紐控制，按照功能分為灌溉管理控制模塊、反沖洗過濾控制模塊、施肥控制模塊、采集處理裝置、主控制器等。控制系統由主控制器、灌溉管理控制器、反沖洗過濾器控制器、施肥設備控制器、墑情采集處理裝置、遠程通信裝置、操作界面及互聯總線、網絡等組成(圖1)。

圖1 首部樞紐控制系統Fig.1 Irrigation control system

1.2 控制系統模塊化功能設計

1.2.1灌溉管理控制模塊

灌溉管理控制模塊用于控制水泵從水源取水，通過壓力傳感器監測管道壓力，通過變頻器等調速裝置控制水泵的啟停和轉速，通過改變水泵的流量和揚程，為灌溉主管道提供所需的流量和壓力并保持管道內水壓力穩定。灌溉管理控制模塊可通過墑情采集處理裝置采集土壤墑情信息，通過控制灌區電磁閥的啟閉管理不同灌區灌溉的水量，在灌區灌溉完成后關閉灌區，最后停止水泵(圖2)。對于無墑情信息采集要求的實際項目，不安裝墑情監測裝置。

圖2 灌溉管理控制模塊結構Fig.2 Structure of irrigation management control module

灌溉管理控制模塊設計支持2種控制模式：1)通信控制模式：灌溉管理控制器與主控制器通信，或直接與現場操作界面通信；此模式下可完成灌溉設備的啟停控制、管道壓力控制、灌區管理等多種功能；2)數字輸入控制模式：灌溉管理控制器檢測輸入端子電壓，作為整個設備的啟停控制，以及少量灌區的控制；此模式適用于簡易現場手動控制場景，其灌溉壓力為預設值，灌區管理數量有限，但操作直觀，易于排除故障。

在通信控制模式下，對于灌區管理有如下3種控制方式：1)手動控制，手動啟停設備，控制特定灌區灌溉；2)自動閾值控制，為灌區設定土壤含水量閾值區間，控制器按照閾值控制灌區與水泵的自動啟停；3)可調閾值控制，為不同灌區提供上下限可調的閾值，根據作物類型和作物生長周期調節閾值以滿足不同作物對土壤墑情的需求。

1.2.2反沖洗過濾控制模塊

節水灌溉灌水器如噴頭、滴頭等對水質要求較高，灌溉設備需要采用過濾器以降低灌水器堵塞的概率。反沖洗過濾器可實現不停機自動清洗。對于2通道反沖洗過濾器，在過濾工作狀態下，進水經2個過濾單元過濾后進入出水管；在反沖洗工作狀態下，其中一個過濾單元保持過濾狀態，另一個過濾單元通過閥門改變水流方向，使過濾后的水從出水管反向進入過濾單元，沖洗過濾單元中的雜質排入排污管，沖洗完成后，閥門恢復原狀態，未沖洗的過濾單元重復上述流程直至所有過濾單元反沖洗完成(圖3)。

圖3 反沖洗過濾器工作原理Fig.3 Schematic diagram of backwashing filter

反沖洗過濾控制模塊設計具有3種啟動模式：1)壓差啟動模式，控制器通過壓差傳感器或壓力傳感器采集過濾器進水管和出水管的壓差值，達到預設值后啟動反沖洗流程，適用于大多數工況；2)定時啟動模式，無論是否達到預設的壓力差值，控制器按照預設時間，定時啟動反沖洗流程，適用于水中雜質附著性強或傳感器損壞的場合；3)手動啟動模式，手動啟動反沖洗，多用于調試工況。

反沖洗過濾器控制器具有2種控制模式：1)通信控制模式，與主控制器通信，或直接與現場操作界面通信，此模式可靈活設置反沖洗過濾器的啟動模式，根據壓差調整沖洗間隔、沖洗順序等多種參數以滿足不同的場景；2)數字輸入控制模式，控制器檢測輸入端子電壓，作為整個設備的啟停控制，適用于簡易控制場景。

1.2.3施肥設備控制模塊

施肥系統用于將特定濃度的可溶肥料，以特定速率注入灌溉管道；肥料與水充分均勻混合后，通過灌溉管道進入灌區，實現隨水施肥。施肥設備控制器采集灌溉管道流量，通過調速裝置控制施肥泵轉速調節注肥量。施肥設備控制系統結構見圖4。

圖4 施肥設備控制系統結構Fig.4 Structure of fertilization equipment control system

施肥設備控制模塊設計支持2種控制模式：1)通信控制模式，控制器與主控制器通信，或直接與現場操作界面通信，此模式下可完成施肥設備的啟停、注肥量、注肥速率調節等多種功能；2)數字輸入控制模式，控制器檢測輸入端子電壓控制整個設備的啟停和注肥速率，此模式適用于簡易現場手動控制場景，用戶調節旋鈕即可直觀的調節注肥速率。

通信控制模式下注肥管理支持4種控制模式：1)手動控制，手動啟停設備，控制注肥量和注肥速率；2)自動閾值控制，為灌區設定土壤EC值閾值區間，控制器按照閾值控制水泵及施肥設備啟停；3)可調閾值控制，為不同灌區提供上下限可調的閾值，根據作物類型調節閾值以滿足不同作物對肥料的需求；4)多種肥料配比控制，采用多個施肥設備，可實現不同種類肥料的靈活配比，滿足不同類型、不同生長周期作物對多種肥料配比的需求。

1.2.4采集處理裝置

墑情采集處理裝置(圖5)連接多個墑情傳感器采集土壤墑情，將數據匯總后發送至主控制器。墑情信息包括溫度、水分、EC值等。墑情采集處理裝置采用通信方式與主控制器連接，既可以代替主控制器與傳感器通信，降低主控制器處理負擔，簡化現場走線，也可以在通信網絡中將傳感器與主控制器分隔開，降低一個區域部分傳感器的損壞導致主控制器損壞的概率。

圖5 墑情采集處理裝置Fig.5 Moisture collection and processing device

墑情采集處理裝置支持透明傳輸模式和采集處理模式2種工作模式：1)透明傳輸模式為默認工作模式。此模式下墑情采集處理裝置僅轉發主控制器和傳感器的數據，在通信網絡中處于透明狀態。2)采集處理模式下墑情采集處理裝置按照預先配置的數據處理模式，采集并處理所連接傳感器的數據，并與主控制器通信。此模式將不同生產廠家、不同規格的傳感器數據統一為標準報文格式，有利于簡化主控制器設計，增強主控制器工作穩定性。

1.2.5主控制器

主控制器是灌溉控制系統的核心，協同各模塊完成對節水灌溉首部樞紐設備系統的復雜控制動作，保障節水灌溉設備穩定、高效運行。主控制器與各模塊均基于RISC-V開源指令集的國產CH32V103系列微控制器芯片研發。控制系統開發充分利用該型微控制器片上資源，其USART接口與操作界面、墑情采集處理裝置、遠程傳輸模塊及各被控模塊通信，IIC接口、SPI接口用于連接屏幕、遠程傳輸模塊等高速模塊。

2 功能試驗及結果

2.1 試驗環境

試驗控制平臺由PC監控軟件、主控制器、采集處理裝置、單片機監測模塊、被控模塊等組成(圖6)。主控制器通過總線連接灌溉管理控制模塊、反沖洗過濾控制模塊、施肥設備控制模塊等被控模塊。PC端監控軟件基于Qt 5.15和C#.Net 4.0集成開發環境，與主控制器程序固件同步開發以便于調試。試驗由PC端監控軟件發起控制，通過單片機監測模塊采集主控制器和被控模塊的輸出信息。

圖6 試驗控制平臺組成Fig.6 Composition of test control platform

2.2 模塊功能試驗

2.2.1啟停試驗

啟停試驗用于檢測控制器能否控制水泵正常啟停，能否按照預設閾值控制水泵啟停，能否處理來自其他模塊的水泵啟停信息，包括水泵啟停測試、自動反沖洗啟停測試和施肥啟停測試。試驗采用控制器的通信控制模式，由監控軟件向控制器發送啟停信息，并采用單片機采集控制器輸出端信號，分別對水泵、自動反沖洗過濾單元和施肥模塊進行1 000次模擬啟停測試，啟停測試均成功。

2.2.2調速試驗

水泵轉速調節試驗用于測試水泵轉速能否按照控制器要求進行調整。包括灌溉泵轉速測試與施肥泵轉速測試。試驗采用控制器的通信控制模式，由監控軟件向控制器發送轉速調節信息，同時對控制器的通信輸出和電壓輸出進行測試，采用單片機采集控制器輸出端信號，并采集電壓輸出。對灌溉泵調速和施肥模塊調速進行通信輸出試驗各100次，并對灌溉泵調速和施肥模塊調速進行電壓輸出試驗各30次，測試均成功。

2.2.3管道壓力與灌區管理試驗

管道壓力測試用于測試管道壓力穩定性。試驗采用控制器的通信控制模式，由監控軟件向控制器發送壓力調節信息，采用單片機采集管道壓力并將壓力信息發送到PC上的壓力監測控制軟件。灌區電磁閥啟閉測試用于測試灌區電磁閥的功能，可以配合管道壓力變化確定電磁閥啟閉狀態。試驗采用控制器的通信控制模式，由監控軟件向控制器發送閥門啟閉信息，采用單片機采集管道壓力變化與控制器輸出端信號，采用隨機順序控制，固定順序控制，全開全關控制等多種控制模式進行多次灌區電磁閥啟閉測試。

在隨機順序控制模式下，具有2個灌區的灌溉管道壓力變化試驗結果見圖7，閥門開啟時，管道壓力下降；閥門關閉時，管道壓力上升；閥門開啟數量相同時，管道壓力近似相等。主控制器可通過管道壓力變化推斷閥門啟閉狀態，同時也可通過啟閉閥門數量推斷管道是否有漏損點，并可通過遠程通信模塊與物聯網技術及時通知用戶進行維護。

圖7 灌區灌溉管道壓力變化Fig.7 Pressure change of irrigation pipeline in irrigation area

2.2.4墑情采集處理試驗

墑情采集處理裝置模塊應能采集不同傳感器的墑情并按照統一格式處理墑情信息并接收輸出信息。試驗采用PC端監控軟件發送墑情傳感器的模擬信息，分為單傳感器單指令、單傳感器多指令、多傳感器單指令、多傳感器多指令4種工作模式。經多次測試，主控制器可正常識別模擬傳感器數值，并對模擬傳感器報文準確回復。

2.3 灌溉首部樞紐整體試驗

將首部樞紐中的控制模塊、灌溉管理控制模塊、反沖洗過濾模塊、施肥模塊等組合在一起，進行整體試驗。試驗內容包括同步施肥測試和閾值調節控制試驗。

同步施肥測試用于測試灌溉模塊和多個施肥模塊的協同工作，控制器通過預設程序控制多個施肥模塊按照預先設定的肥料配比進行施肥。試驗采用監控軟件通過總線向多個控制器發送控制信息，采用單片機采集控制信息，對施肥模塊1、施肥模塊2以及施肥模塊1、2混合進行同步啟停測試，經1 000次模擬測試，各模塊均可正常完成啟停。

閾值調節控制試驗用于測試各模塊通過預設程序，按照不同閾值自動控制各模塊啟動或停止。試驗由主控制器發出控制信號，由監控軟件采集數據總線上的控制信息。試驗分為單模塊單閾值、單模塊多閾值、多模塊單閾值、多模塊多閾值等多種工況，各工況經30次測試均可正常完成相應的閾值控制。

3 討論及結論

本研究采用PC端監控程序監控控制系統數據總線，進行了啟停試驗、調速試驗、管道壓力與灌區管理試驗、墑情采集處理裝置試驗4項分項試驗和同步施肥試驗、閾值調節控制試驗2項灌溉首部整體試驗。經大量測試，各模塊監控功能正常，組合模塊通信、控制、監測功能完備，各功能測試正常。

灌溉系統首部樞紐控制系統采用模塊化設計，便于工廠化批量生產，降低造價。各模塊集成化高，并采用不同規格型號覆蓋多種工作區間，便于安裝、維護、升級，并可進一步降低使用成本。其控制系統操作設計具有簡單界面和高級界面，其簡單界面易于使用，高級界面適用性廣。

本研究將灌溉系統首部樞紐控制系統分解為各功能模塊，采用國產CH32V103系列微控制器突破國外芯片壟斷，使其具有集成度高、適用面廣、成本低、操作簡便等優點，符合農業灌溉實際應用需求，有利于農機化推廣。