駱寅，韓岳江，董健

(江蘇大學(xué)國家水泵及系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

先進(jìn)的農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)，對于農(nóng)業(yè)的健康發(fā)展起著重要的促進(jìn)作用.國家“十三五”發(fā)展規(guī)劃明確指出要加快現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)科技創(chuàng)新，大力提高農(nóng)機(jī)裝備等領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)的智能化水平[1].近年來，中國在提高農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備智能化水平方面進(jìn)展迅速，但是由于起步較晚，未形成產(chǎn)業(yè)化等原因，中國灌溉設(shè)備在產(chǎn)品質(zhì)量、技術(shù)性能、可靠性方面仍與國外同類產(chǎn)品存在著較大差距[2-3].

目前，國外一些發(fā)達(dá)國家將信息化發(fā)展成果與灌溉技術(shù)相結(jié)合，在提高農(nóng)業(yè)用水效率及生產(chǎn)力方面取得顯著成果[4].其中包括利用無線控制節(jié)點技術(shù)實現(xiàn)農(nóng)作物的精準(zhǔn)灌溉[5].利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)及GSM通訊技術(shù)對農(nóng)作物生長環(huán)境進(jìn)行實時監(jiān)測，并自動生成智能灌溉方案[6].基于智能模糊邏輯設(shè)計溫室溫濕度關(guān)聯(lián)控制系統(tǒng)自動控制溫室環(huán)境以達(dá)到節(jié)水節(jié)能目的[7].基于光伏灌溉管理器模型自動根據(jù)季節(jié)天氣調(diào)節(jié)灌溉水量[8].結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和邊緣控制技術(shù)，實現(xiàn)包括精準(zhǔn)灌溉在內(nèi)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)場景控制[9]等.

在國內(nèi)，郭建昌等[10]基于STC單片機(jī)設(shè)計了一套智能農(nóng)田灌溉潛水泵控制器.俞衛(wèi)東等[11]基于PLC控制技術(shù)與模糊控制理論研發(fā)出一套智能水肥灌溉系統(tǒng).韓貴黎等[12]將PLC控制技術(shù)與GPRS和ZigBee無線通訊技術(shù)相結(jié)合，建立了智能灌溉控制規(guī)則庫以進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉.虞佳佳[13]利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與專家決策系統(tǒng)匯總農(nóng)作物生長信息，實現(xiàn)精細(xì)化灌溉作業(yè).

從上述研究現(xiàn)狀中可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段國內(nèi)外發(fā)展智能灌溉的思路，基本上是通過傳感器技術(shù)、通訊技術(shù)搜集農(nóng)作物生長及環(huán)境信息，匯總后生成智能灌溉計劃，再具體調(diào)節(jié)灌溉泵、噴頭等灌溉設(shè)備以達(dá)到精細(xì)作業(yè)，節(jié)水節(jié)能的目的.而灌溉泵作為農(nóng)業(yè)灌溉的關(guān)鍵設(shè)備，其自身運(yùn)行狀態(tài)往往缺乏智能監(jiān)測.中國已建成機(jī)電排灌排水設(shè)備裝機(jī)功率2 700多萬kW.遍布廣大農(nóng)村地區(qū)的灌溉泵在缺乏監(jiān)測調(diào)節(jié)的條件下有可能會偏離設(shè)計工況運(yùn)行，造成能源浪費(fèi)[13]，因此，以智能監(jiān)測灌溉泵各項運(yùn)行參數(shù)作為突破口，對于提高灌溉設(shè)備智能化水平，減少能源浪費(fèi)有著重要意義.

目前，在泵性能監(jiān)測方面，國內(nèi)外較為有效的方法是搭建測試試驗臺，通過各類傳感器收集泵性能數(shù)據(jù)以實現(xiàn)監(jiān)測[14].類似方法在工業(yè)用泵監(jiān)測上通常能取得一定成效，但是這些方法大部分缺乏專門的農(nóng)業(yè)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計，例如灌溉用水水質(zhì)與糧食安全密切相關(guān)，而以往的大部分泵性能監(jiān)測設(shè)備不具備水質(zhì)監(jiān)測功能.且一些特殊的農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境也不具備搭建大型測試臺的條件.同時，大量侵入式傳感器的安裝也會破壞泵體完整性.

基于上述分析，文中設(shè)計一種具備灌溉用水水質(zhì)監(jiān)測功能和灌溉泵性能參數(shù)監(jiān)測功能，侵入性弱，易攜帶，適用于灌溉作業(yè)環(huán)境的灌溉泵智能運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng).

1 灌溉泵運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測方案

設(shè)計的灌溉泵智能運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)，擬監(jiān)測的灌溉泵運(yùn)行參數(shù)包括轉(zhuǎn)速、流量、揚(yáng)程、效率以及灌溉用水水質(zhì).為減少監(jiān)測設(shè)備侵入性，除灌溉用水水質(zhì)以外的其他監(jiān)測參數(shù)，一律通過非接觸方式監(jiān)測，即通過霍爾傳感器從驅(qū)動電動機(jī)電信號中提取.

灌溉泵轉(zhuǎn)速的監(jiān)測流程如圖1所示，具體步驟：由霍爾電壓傳感器、霍爾電流傳感器對驅(qū)動電動機(jī)的輸入電壓電流信號進(jìn)行采集，并通過單片機(jī)的DSP功能對采集的離散的驅(qū)動電動機(jī)電壓電流數(shù)字信號進(jìn)行FFT分析以獲取各次諧波.在此過程中，為減少頻譜中基頻能量的泄漏，避免電動機(jī)負(fù)載波動和虛假頻率產(chǎn)生，系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了加漢寧窗處理，得到電壓諧波和電流諧波后，由其二者的比值構(gòu)造各次諧波的阻抗譜.

圖1 轉(zhuǎn)速計算流程圖

在各次諧波阻抗譜中，偏心諧波頻率在電源基波頻率的兩側(cè)形成邊帶，其幅值與轉(zhuǎn)子偏心程度成正比，計算公式為

(1)

去除高于3倍基波頻率的各奇次諧波后，所剩幅值最大的諧波的頻率即為1階轉(zhuǎn)子齒諧波的頻率ft，將ft代入式(2)，取能使結(jié)果與ft最接近的偶數(shù)Z1，即得到轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z.

(2)

在獲得轉(zhuǎn)子齒數(shù)Z后，可按照式(3)計算灌溉泵轉(zhuǎn)速,即

(3)

灌溉泵驅(qū)動電動機(jī)的輸出功率計算流程如圖2所示.根據(jù)測得的驅(qū)動電動機(jī)輸入電壓、電流信號，計算出驅(qū)動電動機(jī)的輸入功率，結(jié)合繞組相電阻和電動機(jī)空載特性，利用氣隙轉(zhuǎn)矩法計算電動機(jī)效率，進(jìn)而獲得電動機(jī)輸出功率，即灌溉泵的輸入功率.

圖2 灌溉泵驅(qū)動電動機(jī)輸出功率計算流程圖

灌溉泵的轉(zhuǎn)速、流量、揚(yáng)程、效率，是隨其所處工況變化而發(fā)生變化的，但各項運(yùn)行參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián).由于泵的轉(zhuǎn)速已獲得，可根據(jù)轉(zhuǎn)速相似定律，將泵特性曲線轉(zhuǎn)化為瞬時旋轉(zhuǎn)速度下的特性方程，將灌溉泵的輸入功率代入特性方程中，即可求解灌溉泵的流量.

P(Q,k)=p0k3+p1k2Q+p2kQ2+p3Q3,

(4)

式中:k為調(diào)速比，k=當(dāng)前轉(zhuǎn)速/額定轉(zhuǎn)速.將得到的Q值分別代入到式(5)和(6)中，即可求解灌溉泵揚(yáng)程H和效率η.

H(Q,k)=h0k3+h1k2Q+h2kQ2,

(5)

η(Q,k)=a0k2+a1kQ+a2Q2.

(6)

灌溉泵的流量、揚(yáng)程、效率計算流程圖如圖3所示.

圖3 灌溉泵的流量、揚(yáng)程、效率計算流程圖

灌溉用水水質(zhì)信息則直接由水質(zhì)監(jiān)測探頭獲取，并通過串口傳至單片機(jī).

灌溉泵各項運(yùn)行參數(shù)由MCU核心控制模塊進(jìn)行匯總計算，并發(fā)送至監(jiān)測信息顯示模塊進(jìn)行顯示，從而實現(xiàn)灌溉泵的運(yùn)行監(jiān)測.

2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體嵌入式設(shè)計

整個監(jiān)測系統(tǒng)在硬件上由6個功能模塊組成，系統(tǒng)的功能框架如圖4所示.

圖4 灌溉泵智能運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)功能框架圖

其中驅(qū)動電動機(jī)電壓電流信號采集模塊負(fù)責(zé)采集灌溉泵驅(qū)動電動機(jī)的輸入電壓信號、輸入電流信號.水質(zhì)監(jiān)測模塊負(fù)責(zé)采集灌溉用水水質(zhì)信息.MCU核心控制模塊負(fù)責(zé)對采集的灌溉泵運(yùn)行信息進(jìn)行匯總、計算、發(fā)送，以及驅(qū)動其他功能模塊.監(jiān)測信息顯示模塊由LCD屏和Android移動客戶端組成，負(fù)責(zé)實時顯示灌溉泵運(yùn)行信息.GPRS通訊模塊負(fù)責(zé)MCU核心控制模塊和Android移動客戶端之間的無線通訊.供電模塊負(fù)責(zé)給各功能模塊供電.

監(jiān)測系統(tǒng)功能模塊的主體部分集成在PCB板上.相較于傳統(tǒng)的分散式傳感器監(jiān)測，該系統(tǒng)具有抗干擾能力強(qiáng)、侵入性弱、結(jié)構(gòu)緊湊易攜帶、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)勢.

2.2 驅(qū)動電動機(jī)電壓電流信號采集模塊設(shè)計

文中以三路TBV10/25A霍爾電壓傳感器和三路WCS1800閉環(huán)霍爾電流傳感器構(gòu)成灌溉泵驅(qū)動電動機(jī)電壓電流信號的采集電路.以三相三線制接法為例，將A,B,C三相連接線分別穿過霍爾電流傳感器過孔，并將此三相接口引線兩兩接于霍爾電壓傳感器接線端，電流互感器可以感應(yīng)每一相的電流，電壓互感器可以感應(yīng)兩相之間的電壓.

采集獲得的灌溉泵驅(qū)動電動機(jī)的輸入電壓電流動態(tài)信號通過MAX291低通濾波器進(jìn)行抗混疊處理以消除高頻分量干擾，從而適應(yīng)MCU核心控制模塊的AD采集要求.

驅(qū)動電動機(jī)電壓電流信號采集模塊電路圖如圖5所示.

圖5 驅(qū)動電動機(jī)電壓電流信號采集模塊電路圖

2.3 水質(zhì)監(jiān)測模塊設(shè)計

灌溉泵智能運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)對水質(zhì)信息的監(jiān)測指標(biāo)包括水溫、pH、溶解氧、電導(dǎo)率、濁度5項.

水質(zhì)監(jiān)測模塊的主體部分是YSI 6920V2水質(zhì)監(jiān)測探頭.該水質(zhì)監(jiān)測探頭對水溫的測量范圍達(dá)-5 ℃～+60 ℃；對pH的測量范圍達(dá)0～14；對光學(xué)溶解氧的測量范圍達(dá)0～50 mg/L；對電導(dǎo)率的檢測范圍達(dá)0～100 μS/cm；對濁度的檢測范圍達(dá)0～1 000 NTU.符合文中對灌溉用水水質(zhì)信息監(jiān)測的監(jiān)測范圍要求.

水質(zhì)監(jiān)測探頭的具體安裝步驟如下：在灌溉泵泵體靠近出口處的上表面開設(shè)導(dǎo)水孔，水質(zhì)分析探頭即安裝在導(dǎo)水孔內(nèi).水質(zhì)分析探頭的安裝處外壁開有螺紋.導(dǎo)水孔上方設(shè)有轉(zhuǎn)接頭A，轉(zhuǎn)接頭A為一個加工有內(nèi)螺紋的中空圓柱體.水質(zhì)分析探頭外部套有轉(zhuǎn)接頭B，其外部加工有可與轉(zhuǎn)接頭A匹配的內(nèi)螺紋.密封墊圈安裝在轉(zhuǎn)接頭A上部的環(huán)形槽內(nèi)，將與轉(zhuǎn)接頭B相連的水質(zhì)分析探頭扭入轉(zhuǎn)接頭A內(nèi)，通過壓緊密封墊圈進(jìn)行密封，具體安裝細(xì)節(jié)如圖6所示.

圖6 水質(zhì)監(jiān)測探頭安裝示意圖

在灌溉泵工作時，流經(jīng)泵內(nèi)的水流在葉輪帶動下通過泵體進(jìn)入導(dǎo)水孔，與水質(zhì)監(jiān)測探頭相接觸，水質(zhì)監(jiān)測探頭通過串口線將采集到的水質(zhì)信息傳輸至MCU核心控制模塊，再由MCU核心控制模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)整合和信息發(fā)送，實現(xiàn)水質(zhì)信息監(jiān)測.

2.4 MCU核心控制模塊設(shè)計

文中灌溉泵智能運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)中的MCU核心控制模塊采用STM32F103ZET6單片機(jī)作為核心處理器.

在監(jiān)測系統(tǒng)各模塊的功能實現(xiàn)上，驅(qū)動電動機(jī)電壓電流信號采集通過單片機(jī)的ADC和DMA功能實現(xiàn)；水質(zhì)監(jiān)測模塊與MCU核心控制模塊之間的數(shù)據(jù)通訊通過單片機(jī)的串口通訊功能實現(xiàn)；GPRS模塊與MCU核心控制模塊的數(shù)據(jù)傳遞通過單片機(jī)的串口通訊功能實現(xiàn)；LCD屏與MCU核心控制模塊的數(shù)據(jù)傳遞以及LCD屏上的信息顯示通過單片機(jī)的并口通訊功能以及單片機(jī)對ILI9488液晶控制器的驅(qū)動功能實現(xiàn)；定時采樣以及定時數(shù)據(jù)刷新通過單片機(jī)的通用定時器定時功能實現(xiàn).根據(jù)上述監(jiān)測系統(tǒng)功能實現(xiàn)原理以及資源配置需求，可設(shè)計出MCU核心控制模塊的電路圖如圖7所示.

圖7 MCU核心控制模塊電路圖

MCU核心控制模塊的工作流程具體如圖8所示.在各功能模塊工作前，MCU核心控制模塊先對各功能模塊進(jìn)行初始化配置，然后對水質(zhì)分析儀獲得的水質(zhì)信息以及采集到的驅(qū)動電動機(jī)電壓電流信號進(jìn)行相應(yīng)的計算處理，并通過灌溉泵特性曲線和特性方程計算灌溉泵轉(zhuǎn)速及工況數(shù)據(jù).最后將各個參數(shù)信息發(fā)送至監(jiān)測信息顯示模塊，并定時進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新以實現(xiàn)實時監(jiān)測.

圖8 MCU核心控制模塊工作流程圖

綜合考慮數(shù)據(jù)處理精度和單片機(jī)內(nèi)存，文中在設(shè)計上將灌溉泵智能運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)的信號采樣率設(shè)為2 000 Hz，即MCU核心控制模塊通過定時器定時功能每0.5 ms進(jìn)行AD采樣1次.同時，把信息顯示模塊顯示信息的刷新率也設(shè)為2 000 Hz，做到MCU核心控制模塊的AD采樣頻率和信息顯示模塊的信息刷新率一致，保證監(jiān)測信息的實時性.

2.5 GPRS通訊模塊設(shè)計

灌溉泵在無人值守的情況下運(yùn)行時，若監(jiān)測人員要對灌溉泵進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測，就需要通過無線通訊實現(xiàn)監(jiān)測信息傳遞.灌溉泵智能運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)針對性設(shè)計了GPRS通訊模塊，以實現(xiàn)MCU核心控制模塊和信息顯示模塊中的Android移動客戶端之間的無線通訊.GPRS通信模塊以ATK-SIM900芯片作為通訊芯片，模塊照片如圖9所示.

圖9 GPRS通訊模塊

GPRS通訊模塊通過串口與MCU核心控制模塊相連，并通過串口接收單片機(jī)發(fā)送的AT指令控制以進(jìn)行工作.考慮灌溉泵運(yùn)行現(xiàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境的影響，GPRS通訊模塊選擇數(shù)據(jù)傳輸過程相對穩(wěn)定的基于AT指令的Text mode短信發(fā)送方式與Android移動客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊.GPRS通訊模塊的工作流程如圖10所示，具體描述如下：① GPRS通訊模塊接受MCU核心控制模塊通過串口向發(fā)送的AT指令“AT+CMGF”，即選擇通過短信發(fā)送的方式與Android移動客戶端進(jìn)行數(shù)據(jù)交互.并設(shè)置“AT+CMGF=1”，即選擇通訊數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)類型為文本；② 接收AT指令“AT+CSCS=GSM”，設(shè)置TE字符集；③ 接收AT指令“AT+CMGS=“xxxxxxxxxxx””，其中“xxxxxxxxxxxx”指Android移動客戶端所安裝的手機(jī)的手機(jī)號，例如AT+CMGS=“18361817375”；④ MCU核心控制模塊通過GPRS通訊模塊向Android客戶端發(fā)送包含灌溉泵運(yùn)行參數(shù)信息的數(shù)組，數(shù)組發(fā)送完畢后，GPRS通訊模塊返回“+CMGS：xx”，表示數(shù)據(jù)發(fā)送成功.

圖10 GPRS通訊模塊工作流程圖

通過上述步驟，MCU核心控制模塊即可通過GPRS通訊模塊向Android移動客戶端發(fā)送監(jiān)測信息.

2.6 監(jiān)測信息顯示模塊設(shè)計

為實時顯示灌溉泵運(yùn)行信息，在模塊化設(shè)計上以LCD屏和Android移動客戶端作為灌溉泵智能運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)的2種監(jiān)測信息顯示平臺.

LCD屏即薄膜晶體管液晶顯示屏，設(shè)計的灌溉泵智能運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)所選用的LCD屏尺寸為2.8寸，顯示分辨率為320×240，通過16位數(shù)據(jù)線及5位信號線與MCU核心控制模塊相連.與其他嵌入式屏顯設(shè)備相比，LCD屏占用單片機(jī)的IO口多，占用單片機(jī)的內(nèi)存資源大，但信息傳輸速度快，實時性好，抗干擾性強(qiáng).故灌溉泵智能運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)選用LCD屏作為監(jiān)測信息的顯示平臺之一.在軟件設(shè)計上，由于LCD屏的外部連接和控制時序與SRAM設(shè)備類似，故可以直接將LCD當(dāng)做SRAM設(shè)備，并通過單片機(jī)的FSMC控制器對其進(jìn)行控制操作.反映在程序編寫上，直接在keil平臺調(diào)用ST官方提供的FSMC相關(guān)庫函數(shù)即可對LCD屏的顯示界面進(jìn)行開發(fā).LCD通訊端口如圖11所示.

為實現(xiàn)灌溉泵運(yùn)行信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測，通過搭建Android Studio開發(fā)環(huán)境構(gòu)建了Android移動客戶端作為遠(yuǎn)程監(jiān)測信息顯示平臺.Android移動客戶端圖層包括視圖層和業(yè)務(wù)處理層.視圖層主要負(fù)責(zé)灌溉泵各項運(yùn)行監(jiān)測信息的顯示.業(yè)務(wù)處理層主要負(fù)責(zé)Android移動客戶端與GPRS通訊模塊之間的數(shù)據(jù)交互，即GPRS通訊模塊將計算處理好的灌溉泵實時運(yùn)行參數(shù)通過Android廣播機(jī)制發(fā)送至Android移動客戶端.Android移動客戶端圖層分布及其功能結(jié)構(gòu)如圖12所示.

圖12 Android移動客戶端圖層

Android移動客戶端與GPRS通訊模塊數(shù)據(jù)交互的具體流程如下：根據(jù)Android系統(tǒng)信息廣播機(jī)制，當(dāng)Android客戶端收到GPRS通訊模塊發(fā)送的包含灌溉泵運(yùn)行參數(shù)信息的短信時會產(chǎn)生一條action屬性值為andriod.Provider.Telephone.SMS的響應(yīng)廣播，該廣播的Intent中包含了灌溉泵的運(yùn)行參數(shù)信息，在業(yè)務(wù)處理層中注冊對應(yīng)事件的Broadcast Receiver子類，即可對短信信息進(jìn)行解碼，獲取廣播信息中的灌溉泵運(yùn)行參數(shù)信息.文中在Android移動客戶端開發(fā)過程中，設(shè)計了Broadcast Receiver的子類SMSBroadcast Receiver，并對SMSBroadcast Receiver中的onReceiver()函數(shù)進(jìn)行了修改，將在AndriodManifest.xml 中注冊的廣播接收類屬性與響應(yīng)廣播屬性設(shè)置為一致.通過上述操作可對與短信相應(yīng)的廣播進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼，將解碼得到的信息輸入onReceiver()后，即可獲取灌溉泵的運(yùn)行參數(shù)信息.Android客戶端短信處理流程如圖13所示.

圖13 Android移動客戶端短信處理流程圖

2.7 供電模塊設(shè)計

DC-DC電路如圖14所示.

圖14 DC-DC轉(zhuǎn)換電路

灌溉泵智能運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)的各功能模塊中，MCU核心控制模塊需要外接+5 V電壓；驅(qū)動電動機(jī)電壓電流信號采集模塊中的霍爾電壓傳感器和霍爾電流傳感器需要外接±15 V電壓，AD采集通路上的MAX291運(yùn)放需要外接±5 V電壓，水質(zhì)監(jiān)測模中的YSI 6920V2水質(zhì)監(jiān)測探頭需要外接+12 V電壓.根據(jù)上述各功能模塊的供電需求，設(shè)計供電模塊以提供±5 V，±15 V，12 V 5路輸出電壓.

選用ATX0250F5WA電腦電源作為供電模塊的主體部分，該電腦電源可提供+3.3 V，+5 V，±12 V 4路輸出電壓.-5 V，±15 V 3路輸出電壓由基于TPS5340芯片設(shè)計的DC-DC轉(zhuǎn)換電路外接電腦電源提供的+12 V電壓轉(zhuǎn)換而得.

3 系統(tǒng)試驗驗證

為驗證灌溉泵智能運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，文中搭建了試驗臺并設(shè)計了驗證試驗方案.

3.1 試驗臺及試驗方案設(shè)計

驗證試驗所選用的灌溉泵模型為IS-65-50-160型單級單吸離心泵，其具體參數(shù):設(shè)計流量Qd=50 m3/h,設(shè)計揚(yáng)程Hd=34 m,額定轉(zhuǎn)速N=2 930 r/min，效率η=72.8%，葉片數(shù)Z=6.

圖15為試驗臺示意圖.為驗證灌溉泵智能運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，另行搭建了1套對比監(jiān)測系統(tǒng)以進(jìn)行數(shù)據(jù)對比.對比監(jiān)測系統(tǒng)的測量設(shè)備主要包括WIKA S-10型壓力傳感器、SGDN-50動態(tài)扭矩、LDG-SIN-CN65-Z2電磁流量計及NI USB-6343數(shù)據(jù)采集卡.在試驗臺出口管路上安有電磁閥，通過控制其開度以調(diào)節(jié)流量，可以對這2套系統(tǒng)在灌溉泵小流量工況運(yùn)行，設(shè)計流量工況下運(yùn)行及大流量工況下運(yùn)行時的運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對分析.由于對灌溉泵0～65 m3/h的全流量范圍內(nèi)的不同工況進(jìn)行了可靠性試驗驗證，且對比系統(tǒng)所用測量設(shè)備的測量精度高于文中對灌溉泵監(jiān)測的精度要求，故2套設(shè)備同時同臺條件下進(jìn)行重復(fù)試驗后所得的數(shù)據(jù)和對比結(jié)果具有代表性，可以用來檢驗灌溉泵智能運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)對轉(zhuǎn)速、流量、揚(yáng)程及效率進(jìn)行監(jiān)測的可靠性.

圖15 試驗臺示意圖

對于監(jiān)測系統(tǒng)水質(zhì)監(jiān)測信息的可靠性驗證，在灌溉用水加入儲水罐之前直接使用YSI 6920V2水質(zhì)監(jiān)測探頭對灌溉用水進(jìn)行了水質(zhì)信息采樣，并與灌溉泵運(yùn)行時灌溉泵智能運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)所獲取的灌溉用水水質(zhì)信息進(jìn)行對比分析.文中取5種典型水質(zhì)分別進(jìn)行了驗證試驗，由于2套系統(tǒng)使用的是相同型號的水質(zhì)監(jiān)測設(shè)備，且水質(zhì)監(jiān)測探頭對水溫、pH、光學(xué)溶解氧、電導(dǎo)率、濁度的監(jiān)測精度分別達(dá)到了±0.15 ℃，±0.1，±0.2～0.6，±0.5%以及2 NTU，超出文中對水質(zhì)的監(jiān)測精度要求，故水質(zhì)監(jiān)測對比試驗也具有代表性.

3.2 試驗結(jié)果

通過改變電磁閥開度使灌溉泵在全流量范圍內(nèi)14個不同的工況點下運(yùn)行，每個工況點下兩套系統(tǒng)同時采集數(shù)據(jù)10 s，并分別取平均值.全流量范圍下變工況試驗重復(fù)實施5次，再取平均值.所獲灌溉泵智能運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)和對比系統(tǒng)監(jiān)測的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表1，2所示.

表1 灌溉泵智能運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)

為量化對比灌溉泵智能運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，定義δ為灌溉泵智能運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)的相對誤差，其表達(dá)式為

(7)

式中：m1，m2分別為灌溉泵智能運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)和對比監(jiān)測系統(tǒng)所監(jiān)測的灌溉泵運(yùn)行參數(shù)值.計算所得的相對誤差如圖16所示.

表2 對比監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)

圖16 兩系統(tǒng)泵性能參數(shù)相對誤差圖

灌溉泵智能運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)所監(jiān)測的灌溉泵轉(zhuǎn)速、流量、揚(yáng)程、效率的相對誤差均控制在0.5%以下，符合國家泵性能測試的最低標(biāo)準(zhǔn).來自供電模塊的雜波是導(dǎo)致誤差產(chǎn)生的主要因素，灌溉泵智能運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)的供電電壓來自于供電模塊中的電腦電源部分和DC-DC電路部分，兩者受復(fù)雜電磁環(huán)境的干擾，會使供電電壓產(chǎn)生雜波，由于灌溉泵智能運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)是從驅(qū)動電動機(jī)輸入電信號中提取灌溉泵性能參數(shù)的，而供電雜波與輸入電信號相調(diào)制，誘生諧波，導(dǎo)致了灌溉泵智能運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速、流量、揚(yáng)程及效率的監(jiān)測結(jié)果上存在輕微誤差.

在水質(zhì)監(jiān)測模塊驗證試驗上，文中取5種不同的水質(zhì)進(jìn)行了監(jiān)測和數(shù)據(jù)對比分析，每種水質(zhì)下的驗證試驗重復(fù)實施5次，再取平均值，兩套系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對比如表3所示，表中θ為水溫，DO為溶解氧，EC為電導(dǎo)率，TUR為濁度.

表3 水質(zhì)信息監(jiān)測對比

通過計算可知，監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測的水質(zhì)信息的相對誤差也能夠控制在0.5%以內(nèi).灌溉用水在劇烈流動時，其水溫、pH、溶氧、電導(dǎo)、濁度會輕微改變，這是導(dǎo)致此誤差產(chǎn)生的主要原因，但誤差在可接受范圍內(nèi)，不影響系統(tǒng)判別灌溉用水水質(zhì)的正常功能.

4 結(jié) 論

文中基于嵌入式單片機(jī)技術(shù)，初步設(shè)計了一種灌溉泵智能運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)，通過系統(tǒng)試驗驗證，總結(jié)結(jié)論如下：

1)灌溉泵智能運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)樣機(jī)對灌溉泵的各項運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測的結(jié)果相對誤差都控制在0.5%以內(nèi).灌溉泵智能運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)刷新率穩(wěn)定保持在2 000 Hz，監(jiān)測灌溉泵運(yùn)行參數(shù)的功能基本實現(xiàn).

2)相較于傳統(tǒng)的泵運(yùn)行監(jiān)測設(shè)備，灌溉泵智能運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)增加了水質(zhì)監(jiān)測功能，且僅從驅(qū)動電動機(jī)電信號中獲取灌溉泵性能參數(shù)，減少了侵入式傳感器的使用，整個系統(tǒng)集成程度高，結(jié)構(gòu)緊湊，適用于復(fù)雜的灌溉作業(yè)環(huán)境，提高了灌溉泵的智能化水平.

3)通過對灌溉泵進(jìn)行實時監(jiān)測，可以及時判斷灌溉泵所處的工作狀態(tài)并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，以優(yōu)化灌溉泵運(yùn)行，減少灌溉泵在非設(shè)計工況下工作造成的能源浪費(fèi).

4)通過對灌溉用水水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測，可以判斷灌溉用水是否符合灌溉標(biāo)準(zhǔn)，避免類似于堿水的劣質(zhì)水源污染土壤，危害糧食安全.