彭 炫，常翠平，周建平，趙冬梅，許 燕

(1. 新疆大學(xué)工程訓(xùn)練中心，烏魯木齊 830047；2. 新疆大學(xué)機械工程學(xué)院，烏魯木齊 830047)

在我國新疆地區(qū)，由于土地干旱、降雨量少、水資源缺乏等原因，滴灌、微灌等先進的節(jié)水灌溉方式在該地區(qū)得到了廣泛推廣和應(yīng)用[1]，工業(yè)中許多先進的控制方法也逐漸引入農(nóng)業(yè)自動灌溉控制系統(tǒng)中[2]。在以色列、美國、日本等發(fā)達國家已經(jīng)開發(fā)出智能化程度較高的自動灌溉控制系統(tǒng)[3]。但由于其系統(tǒng)復(fù)雜且龐大，價格昂貴，無法在我國農(nóng)業(yè)灌溉中大面積推廣和使用[4]。由于新疆地區(qū)土壤蓄水能力較弱，常規(guī)自動灌溉控制方式容易導(dǎo)致水分下滲和蒸發(fā)，造成大量的水資源浪費[5]。因此，研制出一款價格低廉，能根據(jù)土壤濕度數(shù)據(jù)和農(nóng)作物需水量實現(xiàn)智能灌溉的閥門控制器具有重要意義[6]。

本課題以新疆喀什地區(qū)的棉花種植為研究對象，研制了一款以單片機為控制核心，采用太陽能供電的智能閥門控制器。該控制器可以存儲農(nóng)作物不同生長周期的最適土壤含水量數(shù)據(jù)，根據(jù)土壤濕度傳感器數(shù)據(jù)進行灌溉判斷，控制閥門開啟或關(guān)閉。經(jīng)過實驗分析表明，該控制器運行穩(wěn)定，能的將土壤含水量控制在合適的范圍。具有良好的節(jié)水灌溉控制效果。

1 閥門控制器整體結(jié)構(gòu)

太陽能智能灌溉閥門控制器主要包括：單片機控制電路、土壤濕度采集電路、太陽能充電控制電路、閥門驅(qū)動電路、無線通信電路、閥門狀態(tài)反饋電路等?？刂破饕詥纹瑱C為控制核心，農(nóng)作物整個生長周期中的最佳土壤含水量數(shù)據(jù)存儲在單片機的FLASH存儲中。土壤濕度傳感器通過RS485總線與單片機相連接。閥門控制器通過讀取的土壤濕度值進行灌溉決策。當(dāng)土壤含水率低于作物最適宜生長下限時控制閥門開啟，當(dāng)土壤含水率達到最大田間持水量時控制閥門關(guān)閉。由于在農(nóng)田中供電不方便，閥門控制器設(shè)計了太陽能供電系統(tǒng)。通過太陽能對蓄電池充電為閥門控制器提供穩(wěn)定的電源。為使閥門控制器具有更長的續(xù)航能力，控制器整體采用低功耗設(shè)計。在閥門控制器不工作時自動進入休眠狀態(tài)。閥門控制器通過GPRS無線模塊連接云服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交換。為使閥門控制器與服務(wù)器通訊穩(wěn)定可靠，便于系統(tǒng)集成和功能擴展通，訊協(xié)議采用標(biāo)準(zhǔn)Modbus-TCP協(xié)議。太陽能智能閥門控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 太陽能智能灌溉閥門控制器系統(tǒng)框圖Fig.1 System diagram of solar intelligent irrigation valve controller

2 控制器硬件設(shè)計

2.1 單片機控制核心設(shè)計

閥門控制器采用STM32F103RBT6單片機為控制核心。該單片機具有成本低廉，功耗低，處理速度較快，資源豐富等特點[7]。單片機片內(nèi)集成128kbytes的Flash存儲空間，可以將農(nóng)作物整個生長周期中的最適土壤含水量數(shù)據(jù)存儲在單片機的FLASH存儲中，并能通過手機APP對參數(shù)更新與修改。單片機包含有3個USART通信接口，可同時與土壤濕度傳感器、GPRS模塊和其他Modbus-Rtu協(xié)議設(shè)備進行通訊，方便同時與多設(shè)備間進行數(shù)據(jù)交換。單片機內(nèi)部含有2個12位的AD轉(zhuǎn)換電路，能通過閥門狀態(tài)反饋電路實時采集閥門開度值。該單片機還具有3組內(nèi)置SPI串型總線，能與內(nèi)存卡連接，將土壤濕度數(shù)據(jù)、閥門開度數(shù)據(jù)和閥門控制器操作日志儲存在本地內(nèi)存卡中。閥門控制器主控制核心最小系統(tǒng)如圖2所示。包含手動復(fù)位電路、上電自動復(fù)位電路、啟動模式選擇電路和程序下載電路。

圖2 閥門控制器主控制核心最小系統(tǒng)Fig.2 Minimum system of main control core of valve controller

根據(jù)閥門控制器的功能，對閥門控制器主控制核心最小系統(tǒng)上的IO資源進行分配和功能定義。各引腳定義和功能介紹如表1所示。

表1 閥門控制器IO分配表Tab.1 IO distribution table of valve controller

2.2 外圍電路設(shè)計

(1)電源模塊。為方便閥門控制器在農(nóng)田中使用，閥門控制器需要采用了太陽能供電的方式。電源模塊由太陽能充電控制電路和穩(wěn)壓電路兩部分組成。太陽能充電控制電路采用UC3909芯片對蓄電池充電管理。UC3909芯片可以根據(jù)蓄電池的狀態(tài)實現(xiàn)涓流充電、恒流充電、恒壓充電和浮充充電四個階段合理充電[8]。穩(wěn)壓電路采用AMS1117-3.3V穩(wěn)壓芯片對蓄電池輸入電壓進行調(diào)節(jié)。經(jīng)過電容整流濾波后，為閥門控制提供穩(wěn)定的電源，保證閥門控制器正常工作。

(2)閥門控制電路。對閥門的控制包括驅(qū)動閥門開關(guān)和檢測閥門開度狀態(tài)兩部分。用兩個繼電器組成的H橋換相電路驅(qū)動閥門開啟和關(guān)閉。單片機通過ULN2003芯片驅(qū)動繼電器的吸合，從而實現(xiàn)對閥門的控制。閥門的開度狀態(tài)經(jīng)過閥門狀態(tài)反饋電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，使用單片機內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換電路采集電壓信號，通過單片機運算轉(zhuǎn)換為閥門開度值并緩存在單片機內(nèi)部寄存器中。

(3)無線通信模塊。無線通信模塊選用SIM900A通訊模塊。該模塊支持聯(lián)通和移動的GPRS網(wǎng)絡(luò)，具有信號穩(wěn)定、功耗低等優(yōu)點[9]。單片機的串口與SIM900A無線通信模塊相連接，通過AT指令控制該模塊與遠程控制端進行數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)采用透傳模式。

閥門控制器內(nèi)部集成Modbus-Rtu協(xié)議的01、03、05、06功能指令。通過對應(yīng)的功能碼控制閥門控制器執(zhí)行相應(yīng)的操作。功能控制指令的具體對應(yīng)的作用如表2所示。

表2 閥門控制器功能碼作用Tab.2 Function code of valve controller

3 閥門控制器控制程序和APP設(shè)計

3.1 單片機程序設(shè)計

閥門控制器程序采用Keil uVision4編寫。程序運行流程圖如圖3所示。程序運行后先對閥門控制器初始化，包括單片機GPIO的設(shè)置與初始化，系統(tǒng)時鐘的初始化，控制參數(shù)的初始化等。初始化完成之后閥門控制器進入工作狀態(tài)。

閥門控制器先與土壤濕度傳感器進行通訊，獲取土壤濕度值。然后將土壤濕度值與單片機中存儲的農(nóng)作物當(dāng)前最佳土壤含水量值比較。若低于農(nóng)作物當(dāng)前最佳土壤含水量下限，則農(nóng)作物處于缺水狀態(tài)，控制閥門開啟。閥門開啟后，繼續(xù)采集土壤濕度值。當(dāng)土壤含水量達到田間持水量時，土壤水分含量達到飽和，控制閥門關(guān)閉。在閥門開啟和關(guān)閉過程，單片機調(diào)用AD轉(zhuǎn)換子程序?qū)﹂y門的開度進行采集，并將閥門的開度狀態(tài)存儲在寄存器中。

在整個程序執(zhí)行過程中，如無線模塊接收到控制數(shù)據(jù)，通過外部中斷喚醒單片機。單片機首先對接收的控制指令進行CRC校驗計算，檢查該幀數(shù)據(jù)的CRC校驗位是否正確。若校驗通過，再核比對該幀數(shù)據(jù)的地址是否與本閥門控制器地址一致。若地址也一致，則執(zhí)行該幀指令。執(zhí)行完畢后通過無線通信模塊返回執(zhí)行后的應(yīng)答數(shù)據(jù)。若校驗不通過或地址不一致，則忽略該幀指令[10]。為降低閥門控制器的整體功耗，延長閥門控制器的續(xù)航時間。在一段時間內(nèi)系統(tǒng)無任何操作，閥門控制器會自動進入休眠狀態(tài)。進入休眠狀態(tài)后，GPIO保持當(dāng)前狀態(tài)。內(nèi)部定時器定時喚醒單片機采集土壤濕度值，并判斷是否需要執(zhí)行閥門開關(guān)操作。

3.2 手機APP控制

手機APP使用TeslaMultiSCADA設(shè)計，APP通過Modbus-TCP協(xié)議與服務(wù)器進行數(shù)據(jù)交換。使用前需要在參數(shù)設(shè)置界面中配置服務(wù)器IP地址和端口號。APP中包含有閥門控制、趨勢曲線、參數(shù)設(shè)置和管理員4個功能界面。

閥門控制界面如圖4(a)所示，在閥門控制界面下，用戶可以實時監(jiān)控土壤濕度值和閥門狀態(tài)信息。同時也可以設(shè)置閥門開度值，控制閥門開啟和關(guān)閉。趨勢曲線如圖4(b)所示，用戶可以直觀的獲取土壤濕度的變化趨勢曲線和調(diào)取歷史溫濕度數(shù)據(jù)。參數(shù)設(shè)置如圖4(c)所示，包含服務(wù)參數(shù)設(shè)置、傳感器參數(shù)設(shè)置、灌溉參數(shù)設(shè)置和系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，可以通過手機APP對閥門控制器運行參數(shù)進行修改。

圖4 遠程閥門控制APPFig.4 Valve control app

4 實驗驗證與分析

以新疆喀什地區(qū)麥蓋提縣棉花試驗田進行灌溉控制實驗，對閥門控制器灌溉控制效果測試和分析。閥門控制器現(xiàn)場安裝實物圖如圖5所示。將閥門控制器安裝在試驗田中，對閥門進行智能開關(guān)控制。土壤濕度傳感器安裝在深度40 cm左右的根系附近，每隔15 min通過遠程控制端獲取一次土壤濕度值。

圖5 太陽能智能灌溉閥門控制器Fig.5 Solar intelligent irrigation valve controller

棉花在不同生長時期需水量有所不同，在開花結(jié)鈴期灌溉需水量最大，現(xiàn)蕾期、苗期次之，吐絮期灌溉需水量最少[11]。不同生長時期的灌溉需水量都表現(xiàn)為減少趨勢，開花結(jié)鈴期減少趨勢最為明顯[12]。根據(jù)該試驗田往年土壤含水量檢測數(shù)據(jù)分析，棉花在苗期、現(xiàn)蕾期、開花結(jié)鈴期、吐絮期的植株生長最適含水量和該試驗田的土壤最大持水量如圖6所示。將該數(shù)據(jù)作為棉花的灌溉控制參數(shù)通過手機APP發(fā)送到閥門控制器中。

圖6 棉花生長最適含水量和土壤最大持水量Fig.6 Optimum water content for cotton growth and maximum soil water capacity

設(shè)置閥門開度20%，土壤最大持水量值70%，棉花生長階段最適土壤含水量為65%，當(dāng)土壤含水量低于50%將影響棉花正常生長。選取閥門控制器在24 h采集到的土壤含水量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。土壤含水量變化曲線如圖7所示。從圖7可以看出，當(dāng)土壤含水量低于棉花生長所需的最適含水量時，閥門控制器控制閥門開啟，此時土壤含水量開始上升。當(dāng)土壤含水量達到土壤最大持水量時，閥門控制器控制閥門關(guān)閉。實驗驗證了該閥門控制器具有良好的節(jié)水灌溉控制效果。能實現(xiàn)閥門的智能灌溉控制。閥門控制器運行穩(wěn)定可靠，響應(yīng)速度快，控制精準(zhǔn)。

圖7 土壤含水量變化曲線Fig.7 Change curve of soil moisture conten

5 結(jié) 論

本文針對新疆地區(qū)獨特的地理位置和農(nóng)田環(huán)境和現(xiàn)有智能灌溉系統(tǒng)的不足，研發(fā)了一款成本低廉、適用性更強的閥門控制器。該控制器以實時土壤濕度值和作物生長最適土壤含水量為控制依據(jù)智能決策，自動控制閥門何時灌溉，何時停止。該控制器能遠程更新內(nèi)部的控制參數(shù)，使該控制器具有更強的實用性。通過實驗驗證了該閥門控制器在節(jié)水灌溉方面的良好控制效果。該閥門控制器價格低、使用簡單，兼容性強，具有一定的市場推廣價值。