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        基于MBus的水肥一體化施肥機傳感器監(jiān)測系統(tǒng)研制

        2019-11-28 07:49:10高菊玲孫昌權(quán)
        節(jié)水灌溉 2019年11期
        關(guān)鍵詞:實驗

        高菊玲,孫昌權(quán),黃 鋒

        (1. 江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)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(wù)。隨著滴灌、微噴灌、噴灌等技術(shù)的發(fā)展,能夠?qū)⑺式Y(jié)合起來的水肥一體化技術(shù)也在不斷進步[2]。

        水肥一體化技術(shù)是以滴灌和噴灌技術(shù)為基礎(chǔ),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(shù)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(zhì)量方面,無土栽培技術(shù)顯示出強大的發(fā)展?jié)摿3]。但無土栽培面臨著栽培基質(zhì)無法提供充足養(yǎng)分的問題,水肥一體化技術(shù)正是這個問題的解決方法。水肥一體化技術(shù)和無土栽培技術(shù)的結(jié)合可以說是順應(yīng)了農(nóng)業(yè)科技的發(fā)展?,F(xiàn)階段,施肥一體化技術(shù)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(shù)也進入到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中,將物聯(lián)網(wǎng)與作物栽培結(jié)合起來[9],發(fā)揮植物的生產(chǎn)潛能??梢灶A(yù)見,未來的水肥一體化技術(shù),將會是自動化控制、植物生長生理、信息技術(shù)三者的相互結(jié)合。

        與此同時,在工業(yè)控制領(lǐng)域,智能化儀表、電磁閥控制技術(shù)日趨成熟,甚至人們生活中,也出現(xiàn)了遠程抄表技術(shù)[10]。這些技術(shù)能夠提高設(shè)備的自動化程度,減少人的維護復(fù)雜程度,實現(xiàn)實時的遠程監(jiān)管[11]。這些技術(shù)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(luò)展開研究,使用電力線載波技術(shù)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(shù)的可用價值進行評價,以期為該技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用提供參考。

        1 施肥機水肥一體化技術(shù)和MBus技術(shù)

        1.1 施肥機水肥一體化技術(shù)

        水肥一體化技術(shù),以滴灌和噴灌技術(shù)為基礎(chǔ),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(shù)[12]。

        一般而言,水肥一體化技術(shù)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(zhì),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(shù)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(zhì)。

        1.2 MBus技術(shù)

        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(shè)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(jié)構(gòu)見圖1,包括一個主站和多個從站。MBus采用“主站呼叫-從站應(yīng)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(shù)廣泛應(yīng)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(jié)構(gòu)

        與MBus應(yīng)用場景相近的還有RS485技術(shù)。但是RS485技術(shù)存在一些不足:容量少,接入設(shè)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(shè)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(shè)計

        2.1 系統(tǒng)架構(gòu)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(gòu)、電磁閥、控制器和人機交互界面(HMI)。

        為了降低系統(tǒng)復(fù)雜程度,重點驗證MBus技術(shù)在施肥機方面的應(yīng)用,本系統(tǒng)的施肥機架構(gòu)與組成見圖2。

        圖2 施肥機架構(gòu)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(shè)定,按時開啟增壓泵,利用文丘里效應(yīng),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??刂破魍ㄟ^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(shè)備的復(fù)雜度,提高可靠性,本設(shè)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(shè)計見圖3[14]。

        圖3 MBus從站硬件設(shè)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(yīng)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(jié)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(zhuǎn)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(dǎo)致整個設(shè)備的成本增加,本設(shè)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(yīng)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(yīng)答幀中DATA部分格式

        2.2 系統(tǒng)控制流程

        主站部分,設(shè)置HMI的COM2接口使用Free Protocol協(xié)議,編寫宏程序。當(dāng)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(shè)定值進行比較,將控制指令下發(fā)給PLC,進而控制對應(yīng)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(wù),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(shè)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(guān)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(shè)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(zhuǎn)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(guān)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(fù)試驗,取平均值作回歸方程。標定結(jié)果如圖6所示。

        圖6 土壤含水量與ADC讀值標定曲線

        實驗結(jié)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(jié)果與設(shè)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(jié)果和設(shè)定值越相符。

        (5)

        式中:s為系統(tǒng)設(shè)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(jié)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(jié)果的算術(shù)平均值。對A組實驗,濕度設(shè)定閾值為70%。B組實驗設(shè)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(shè)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(shè)計能夠滿足70%的土壤相對含水量設(shè)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(dāng)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(guān)閉電磁閥。對比B組的試驗結(jié)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(shè)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(jié)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(dāng)對比兩種方式與設(shè)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(shè)定值,與實驗數(shù)據(jù)相符。

        4 結(jié) 語

        基于MBus的施肥機傳感器監(jiān)測系統(tǒng),通過Mbus技術(shù)將傳感器直接與施肥機控制設(shè)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?qū)崿F(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(shù)與施肥機相結(jié)合的初步探索,實驗時間有限,兩種技術(shù)的結(jié)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(shù)融合下,改進施肥機的控制算法仍有待進一步驗證。

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