孫思敏，董宇欣，呂 楊

(延安大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，陜西 延安 716000)

0 引言

我國(guó)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國(guó)，每一年的農(nóng)作物產(chǎn)量高達(dá)上千萬(wàn)噸，在保證農(nóng)作生長(zhǎng)方面，灌溉輔助起到了決定性作用[1-2]。我國(guó)是可持續(xù)發(fā)展中國(guó)家，提倡節(jié)約資源，因此，在灌溉過程中也需要極力體現(xiàn)節(jié)水灌溉，相關(guān)人員提出了節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)的研究。

當(dāng)前節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)不斷應(yīng)用，主要有基于物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)，然而當(dāng)前系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，會(huì)無故浪費(fèi)水資源，且灌溉時(shí)間過長(zhǎng)，灌溉面積難以達(dá)到人們的要求，需要不斷投入人力物力資源，擴(kuò)大灌溉面積，減少水資源浪費(fèi)[3]，因此，研究有效的節(jié)水灌溉系統(tǒng)，是當(dāng)前人們迫切需要解決的問題。

針對(duì)上述問題，本文提出基于FDRE的節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)的理念，對(duì)硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了控制系統(tǒng)的可行性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

本文設(shè)計(jì)的基于FDRE的節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)的硬件區(qū)域由中央處理器模塊、無線通信模塊、傳感器模塊、電池模塊、上位機(jī)模塊以及下位機(jī)模塊組成[4-5]。軟件區(qū)域設(shè)計(jì)了無線通信程序、上位機(jī)和下位機(jī)調(diào)控程序和數(shù)據(jù)庫(kù)程序?；贔DRE的節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 基于FDRE的節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)圖1可知，中央處理器模塊是控制硬件設(shè)備工作的核心，無線通信模塊是將采集到的節(jié)點(diǎn)灌溉情況傳輸?shù)杰浖到y(tǒng)中，完成灌溉形式的確定，傳感器模塊視采集土壤情況為灌溉方法提供根據(jù)，上位機(jī)模塊和下位機(jī)模塊通過采集土壤濕度信息合理調(diào)控電磁閥門的狀態(tài)，各個(gè)模塊具體的功能如下進(jìn)行分析，模塊與模塊之間存在聯(lián)系共同工作維持節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)的運(yùn)行。

2 基于FDRE的節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

選用STM24865V5848的單機(jī)片作為中央處理器模塊核心零件，增大控制系統(tǒng)存儲(chǔ)空間，采用STC158345DF5485的單機(jī)片作為節(jié)點(diǎn)中央處理器模塊微控制器，加快控制系統(tǒng)運(yùn)行速度。利用AMS753的電路作為電池模塊，為控制系統(tǒng)提供超長(zhǎng)持久穩(wěn)定的電功率。運(yùn)用ZG763F3278混合信號(hào)微控制器，避免控制系統(tǒng)出現(xiàn)信息遺漏。

2.1 中央處理器模塊設(shè)計(jì)

硬件區(qū)域中央處理器模塊的工作任務(wù)是保證節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，分為基站中央處理器模塊和節(jié)點(diǎn)中央處理器模塊兩部分[6]，每個(gè)部分都是由不同微處理器和不同連接狀態(tài)的濾波電路、晶振電路和復(fù)位電路構(gòu)成，兩個(gè)區(qū)域運(yùn)行的選擇條件是區(qū)別采集到的土壤信息，合理開啟相應(yīng)的處理器模塊，維護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

微處理器是中央處理器的核心組成零件，微處理器的運(yùn)行速度、工作狀態(tài)和耗能情況都間接地影響中央處理器模塊的運(yùn)行。因?yàn)榛局醒肽K的各個(gè)電路只需要串聯(lián)起來就可以正常運(yùn)行，因此選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的STM24865V5848的單機(jī)片，此類型的單機(jī)片具有內(nèi)存存儲(chǔ)空間大，通訊信號(hào)采集敏銳的特點(diǎn)[7]。當(dāng)通信模塊傳輸過來的土壤情況，微處理器進(jìn)行分析，如果土壤狀態(tài)良好，那么選擇基站中央處理器部分；如果土壤狀態(tài)復(fù)雜，那么需要采用節(jié)點(diǎn)中央處理器部分完成處理工作[8]。

基站中央處理器模塊內(nèi)部運(yùn)行電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基站處理器模塊內(nèi)部運(yùn)行電路結(jié)構(gòu)示意圖

本文采用型號(hào)STC158345DF5485的單機(jī)片作為節(jié)點(diǎn)中央處理器模塊微控制器，此類型的單機(jī)片經(jīng)過優(yōu)化更新，其運(yùn)行速度是傳統(tǒng)的單機(jī)片運(yùn)行速度的兩倍。節(jié)點(diǎn)中央處理器模塊的電路結(jié)構(gòu)由時(shí)鐘晶振電路、多根接口線、信道通道、以及定時(shí)器組成。晶振電路的左右串聯(lián)一個(gè)電容就構(gòu)成了時(shí)鐘晶振電路，時(shí)鐘晶振電路可以排除外界的干擾電信號(hào)，穩(wěn)定單機(jī)片的運(yùn)行。多根線口提高了時(shí)鐘晶振的有限調(diào)試性能，具有較強(qiáng)的保密性和抗干擾能力[9-10]。此類型的單機(jī)片在待機(jī)運(yùn)行時(shí)關(guān)閉各個(gè)板塊的功能，通過信號(hào)接收的狀態(tài)調(diào)控節(jié)點(diǎn)處理器結(jié)構(gòu)功能的狀態(tài)，具有低功耗的優(yōu)點(diǎn)，具體的節(jié)點(diǎn)中央處理器模塊電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 節(jié)點(diǎn)中央處理器模塊電路結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 無線通信模塊設(shè)計(jì)

基于FDRE的節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)硬件設(shè)備中的無線通信模塊的工作是完成被灌溉目標(biāo)的信息采集和發(fā)送，比如土壤、菜園、果園等大型灌溉目標(biāo)。無線通信模塊主要由引腳、串口、射頻芯片、時(shí)鐘線、信息備份結(jié)構(gòu)組成。引腳是無線通信模塊的核心，因?yàn)楦鱾€(gè)引腳之間的連接，完成無線通信功能和數(shù)據(jù)的傳輸。各個(gè)引腳的功能如表1所示。

表1 引腳功能

當(dāng)接收到時(shí)鐘信號(hào)穩(wěn)定波動(dòng)時(shí)，就表示有需要接收的數(shù)據(jù)信息，這時(shí)各個(gè)引腳協(xié)同工作將數(shù)據(jù)的全部信息接收進(jìn)入模塊中并及時(shí)備份[11-12]。在數(shù)據(jù)接收過程中模塊的電平值保持在小于0.4 V范圍內(nèi)，因?yàn)樯衔脑O(shè)計(jì)的中央處理器模塊在運(yùn)行過程具有實(shí)時(shí)中斷的功能，因此當(dāng)通信模塊需要向外傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，同時(shí)將模塊的輸出電平值增加到大于2.4 V的穩(wěn)定范圍值，保證通信模塊的正常工作。通過電平值的高低轉(zhuǎn)換，完成通信模塊功能的實(shí)現(xiàn)。具體的通信模塊電路模擬如圖4所示。

圖4 通信模塊電路接收和發(fā)送數(shù)據(jù)模擬電路示意圖

本文設(shè)計(jì)的通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到9 600 bps，數(shù)據(jù)輸送距離最遠(yuǎn)可以傳輸1 000 m，并且工作的輸出頻率一直穩(wěn)定在418 MHz波動(dòng)，具有高效率的特點(diǎn)。

2.3 電池模塊設(shè)計(jì)

基于FDRE的節(jié)水灌溉智能控制電路的電池模塊的工作任務(wù)是為系統(tǒng)提供運(yùn)行基礎(chǔ)。電池模塊的工作電壓為3.3 V，系統(tǒng)不工作時(shí)電池模塊提供的休眠電流大小為10 μA，輸出數(shù)據(jù)電流為30 mA，接收數(shù)據(jù)提供電流提供16 mA。本次電池模塊采用AMS753的電路，此電路可以提供超長(zhǎng)持久穩(wěn)定的電功率，具有超強(qiáng)的輸入輸出電壓通道，穩(wěn)定的電功率轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電壓持續(xù)供電。在節(jié)水灌溉基礎(chǔ)上，本文的電池模塊也具有節(jié)約電能、低功效的設(shè)計(jì)[13-14]。電池模塊選擇低功耗傳感器、單片機(jī)、等供電器件，單片機(jī)在完成工作的基礎(chǔ)上具有休眠功能，在一定程度上減少電池模塊的電流輸出。低功耗傳感器采用脈沖式電磁閥，當(dāng)接收到被灌溉的命令時(shí)，驅(qū)動(dòng)電池閥打開，開始灌溉操作，當(dāng)被灌溉事物將要達(dá)到灌溉要求時(shí)，脈沖信號(hào)會(huì)逐漸消失直到斷開，驅(qū)動(dòng)電磁閥門閉合，完成灌溉操作。

2.4 上位機(jī)和下位機(jī)模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件區(qū)域上機(jī)位設(shè)備的設(shè)計(jì)目的是用于記錄被灌溉事物的數(shù)據(jù)信息以及決策判斷對(duì)事物的灌溉操作方式和用量，下機(jī)位通過上機(jī)位的決策信息通過控制電磁閥門實(shí)現(xiàn)對(duì)被灌溉事物操作。

上機(jī)位設(shè)備安裝在系統(tǒng)內(nèi)部，由AR56開發(fā)板、芯片、操作系統(tǒng)和接口組成[15]。AR56開發(fā)板的工作設(shè)備是微處理器，微處理器通過FDRE技術(shù)對(duì)通信模塊傳輸?shù)男枰喔鹊氖挛飻?shù)據(jù)進(jìn)行分析，綜合提取出一個(gè)最佳的節(jié)水灌溉方法。I/O接口具有高速的數(shù)據(jù)傳輸功能，節(jié)省數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間。

下機(jī)位安裝在需要灌溉的區(qū)域，下機(jī)位的組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要由微控制器、MCU芯片、看門狗定時(shí)器、引腳、存儲(chǔ)器、模擬比較器溫度采集器組成。微控制器的型號(hào)是采用最新控制技術(shù)生產(chǎn)的ZG763F3278混合信號(hào)微控制器，此微處理器對(duì)于硬件設(shè)計(jì)的各個(gè)模塊傳出的信號(hào)和信息都可以快速捕捉，避免出現(xiàn)信息的遺漏?？撮T狗定時(shí)器的設(shè)計(jì)目的是下機(jī)位在實(shí)現(xiàn)灌溉操作時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄時(shí)間并且采集被灌溉的濕度情況，防止灌溉超時(shí)，造成浪費(fèi)。引腳是連接各個(gè)組成結(jié)構(gòu)的中介，溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)被灌溉的濕度情況，如果數(shù)據(jù)分析有誤時(shí)，可以及時(shí)進(jìn)行灌溉方式的修改。

3 基于FDRE的節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)的任務(wù)是調(diào)控基于FDRE的節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)硬件設(shè)備，完成系統(tǒng)的工作。本文軟件區(qū)域設(shè)計(jì)了無線通信程序、上位機(jī)和下位機(jī)調(diào)控程序和數(shù)據(jù)庫(kù)程序3個(gè)部分。

3.1 無線通信的實(shí)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)

對(duì)于硬件區(qū)域的無線通信模塊的調(diào)用，本文通過CRC通信校驗(yàn)方法進(jìn)行調(diào)控。通信實(shí)現(xiàn)程序的調(diào)用過程是將硬件區(qū)域采集到的灌溉數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制字節(jié)形式，通過識(shí)別通信字節(jié)的幀長(zhǎng)度和字節(jié)信息進(jìn)行無線通信的實(shí)現(xiàn)，傳遞出有效的灌溉信息。每個(gè)灌溉信息二進(jìn)制字節(jié)的開始字節(jié)都代表灌溉類型，CRC通信校驗(yàn)方法通過識(shí)別初字節(jié)確定灌溉類型，然后逐步識(shí)別下位次的字節(jié)，完成無線通信的實(shí)現(xiàn)。

3.2 上位機(jī)下位機(jī)調(diào)控程序設(shè)計(jì)

上機(jī)位和下機(jī)位的調(diào)控程序的開發(fā)語(yǔ)言是C語(yǔ)言，調(diào)控程序分為自動(dòng)灌溉選擇、灌溉線程的優(yōu)先級(jí)、設(shè)定灌溉目標(biāo)效率三項(xiàng)選擇，灌溉命令之間存在選擇分配，通過灌溉數(shù)據(jù)之間的通信、灌溉選擇匹配完成灌溉智能控制操作，提高灌溉的效率。

上機(jī)位與下機(jī)位同時(shí)接通電源，首先上機(jī)位進(jìn)行灌溉數(shù)據(jù)信息初始化，接收灌溉指令。然后通過通信實(shí)現(xiàn)程序完成信息的校驗(yàn)，設(shè)定灌溉區(qū)域的灌溉水量、灌溉速度和時(shí)間、水的溫度，將命令傳送給下機(jī)位。最后下機(jī)位接收上機(jī)位的通信命令，根據(jù)命令對(duì)于設(shè)定的安全值，開啟開門狗裝置和電磁閥門，完成灌溉任務(wù)。具體的上機(jī)位和下機(jī)位調(diào)控程序流程如圖5所示。

圖5 上機(jī)位和上機(jī)位調(diào)控流程圖

3.3 數(shù)據(jù)庫(kù)程序設(shè)計(jì)

為了合理并且準(zhǔn)確地調(diào)用硬件系統(tǒng)的各個(gè)模塊功能，本文軟件區(qū)域設(shè)計(jì)了SQL數(shù)據(jù)庫(kù)。SQL數(shù)據(jù)庫(kù)程序包括設(shè)定灌溉對(duì)象、灌溉時(shí)間、識(shí)別灌溉區(qū)域、提取灌溉計(jì)劃、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)五個(gè)步驟。具體的數(shù)據(jù)庫(kù)框架如圖6所示。

基于FDRE的節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)在對(duì)被灌溉區(qū)域識(shí)別后，會(huì)對(duì)比數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，如果出現(xiàn)相同情況的灌溉需求，則可以直接得出灌溉方案。在數(shù)據(jù)庫(kù)中每次灌溉周期完成后，數(shù)據(jù)庫(kù)的表信息會(huì)實(shí)時(shí)更新，軟件系統(tǒng)會(huì)定期清理緩存，數(shù)據(jù)庫(kù)管理人員也可以進(jìn)行修改與刪除。本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)程序的主鍵為灌溉區(qū)域和灌溉時(shí)間。

4 實(shí)驗(yàn)分析

本文通過以上對(duì)基于FDRE的節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)硬件區(qū)域和軟件區(qū)域的研究分析，設(shè)計(jì)了一個(gè)全新的基于FDRE的節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)。為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的性能效果，本文進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，將本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的基于物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。

實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖7所示。

為了保證對(duì)比試驗(yàn)的公平性和結(jié)果數(shù)據(jù)的真實(shí)性，本文選擇兩塊相同質(zhì)地并且面對(duì)太陽(yáng)角度相同的100平方米的土地作為本次實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地。另外需要5名協(xié)助人員和兩臺(tái)計(jì)算機(jī)，協(xié)助人員記錄土地灌溉情況并實(shí)驗(yàn)全程觀看灌溉操作，如果出現(xiàn)意外情況協(xié)助人員及時(shí)切斷電源，防止資源的耗費(fèi)。具體的實(shí)驗(yàn)操作過程如下所示：

1)在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前，協(xié)助人員提前打開節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)單檢測(cè)是否系統(tǒng)出現(xiàn)故障，如果出現(xiàn)故障則換無故障的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)完成后關(guān)閉系統(tǒng)，并將兩個(gè)系統(tǒng)連入兩臺(tái)計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)將實(shí)時(shí)記錄系統(tǒng)工作的全部過程以及數(shù)據(jù)。

2)同時(shí)開啟兩個(gè)節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)，工作人員在必要時(shí)記錄灌溉開始時(shí)間、完成時(shí)間等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中，一旦出現(xiàn)危險(xiǎn)情況立即終止實(shí)驗(yàn)，保證人員及實(shí)驗(yàn)設(shè)備的安全。

3)直至兩個(gè)系統(tǒng)完成灌溉操作，工作人員記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，關(guān)閉電源，整理實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，一切工作完成后，整理人工記錄的數(shù)據(jù)以及計(jì)算機(jī)記錄的數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)整合完成后繪制以下結(jié)果，灌溉效率如圖8所示。

圖8 灌溉效率結(jié)果對(duì)比示意圖

觀察圖8可知，本文研究的基于FDRE的節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)完成時(shí)間比傳統(tǒng)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)的完成時(shí)間短半個(gè)周期。而本文設(shè)計(jì)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)在10分鐘內(nèi)完成了土壤常規(guī)灌溉，此時(shí)常規(guī)系統(tǒng)才開始灌溉。一方面這是因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)中無線通信模塊傳輸灌溉數(shù)據(jù)的速率高達(dá)9 600 bps，在一定程度上節(jié)約了時(shí)間。另一方面因?yàn)楸疚挠布^(qū)域的中央處理器模塊具有超強(qiáng)的數(shù)據(jù)分析功能，接收到通信模塊采集到數(shù)據(jù)信息的同時(shí)，立即進(jìn)行分析，減少灌溉方式的思考時(shí)間。

土壤濕度實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

圖9 土壤濕度結(jié)果對(duì)比示意圖

由圖9可知，本文設(shè)計(jì)的基于FDRE的節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)的灌溉效果優(yōu)于傳統(tǒng)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)。本文灌溉系統(tǒng)操作后土壤的平均濕度為45%，傳統(tǒng)系統(tǒng)灌溉后土壤的平均濕度為30%，根據(jù)我國(guó)規(guī)定土壤的適合農(nóng)作物生長(zhǎng)的土壤濕度為43%，對(duì)比可以知道基于FDRE的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的灌溉效果好。這是因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)系統(tǒng)具有超強(qiáng)功能的上機(jī)位和下機(jī)位調(diào)控程序以及微控制處理器，共同工作，維護(hù)灌溉系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

綜上所述，本文研究的基于FDRE的節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)具有超強(qiáng)的性能和應(yīng)用效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過分析研究基于FDRE的節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)的硬件組成和軟件組成，在原有灌溉智能控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，完善系統(tǒng)的功能并提高節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)的性能。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可以根據(jù)土壤土質(zhì)的不同情況，采用合理的灌溉方法，在一定程度上提高系統(tǒng)的節(jié)水灌溉效率，并且工作流程簡(jiǎn)單，不易出現(xiàn)錯(cuò)誤，在節(jié)水灌溉領(lǐng)域具有重要的意義。