李曉樂(lè) 朱 梅 范 舟 栗昕羽

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，合肥 230036；2.安徽省水文局 王家壩水文站，安徽 阜陽(yáng) 236312)

水資源是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可缺少的生產(chǎn)要素，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要條件保障[1-2]。隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)用水呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，水資源緊缺與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的矛盾日漸凸顯[3]。水肥一體化技術(shù)可有效實(shí)現(xiàn)節(jié)水節(jié)肥，灌溉施肥設(shè)備是水肥一體化技術(shù)的核心[4-6]。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)主流智能灌溉施肥設(shè)備基本具備灌溉電磁閥控制、EC/PH測(cè)量與控制、施肥通道控制、遠(yuǎn)程通信等功能，提高了灌溉施肥的自動(dòng)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(wú)線通信技術(shù)和嵌入式開(kāi)發(fā)技術(shù)研發(fā)一種基于4 G的無(wú)線遙控電磁閥裝置，實(shí)現(xiàn)以地面實(shí)測(cè)土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)為輸入的精準(zhǔn)灌溉控制。在施肥控制方面，鄭雪松等[11]模擬傳統(tǒng)農(nóng)民配肥施肥過(guò)程，設(shè)計(jì)了一款基于泵注肥法全自動(dòng)施肥機(jī)，支持時(shí)間邏輯、人機(jī)交互觸發(fā)、內(nèi)部程序觸發(fā)等模式，可通過(guò)手機(jī)、電腦App遠(yuǎn)程操控，實(shí)現(xiàn)一人同時(shí)控制多臺(tái)設(shè)備。在農(nóng)業(yè)遠(yuǎn)程通信方面，冀榮華等[12]設(shè)計(jì)了一種基于遠(yuǎn)程通信的農(nóng)田信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田信息的無(wú)線與實(shí)時(shí)采集、處理、可視化和傳輸。

已有研究較多針對(duì)灌溉施肥設(shè)備控制系統(tǒng)部分功能，存在設(shè)備集成度不夠高，操作不夠簡(jiǎn)便，成本較高等問(wèn)題，在實(shí)際應(yīng)用中難以滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)節(jié)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(tǒng)的核心組成部分，但在2021年，全球芯片產(chǎn)業(yè)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(guó)外對(duì)芯片相關(guān)產(chǎn)業(yè)的壟斷，部分芯片價(jià)格甚至上漲5倍導(dǎo)致控制系統(tǒng)成本大幅增長(zhǎng)[17-18]。有鑒于此，本研究擬采用基于RISC-V開(kāi)源指令集CH32V103國(guó)產(chǎn)微控制器芯片，擺脫國(guó)外芯片封鎖并減少因芯片引起的潛在安全性問(wèn)題，設(shè)計(jì)灌溉系統(tǒng)首部樞紐模塊化控制系統(tǒng)，具有灌溉、過(guò)濾、施肥、智能控制等功能，以期提升控制系統(tǒng)集成度并簡(jiǎn)化用戶(hù)操作，降低使用成本。

1 首部樞紐控制系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

1.1 首部樞紐控制系統(tǒng)

灌溉系統(tǒng)工程由首部樞紐、輸配水管網(wǎng)和灌水器等組成。本研究設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)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(guò)濾控制模塊、施肥控制模塊、采集處理裝置、主控制器等?？刂葡到y(tǒng)由主控制器、灌溉管理控制器、反沖洗過(guò)濾器控制器、施肥設(shè)備控制器、墑情采集處理裝置、遠(yuǎn)程通信裝置、操作界面及互聯(lián)總線、網(wǎng)絡(luò)等組成(圖1)。

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

1.2 控制系統(tǒng)模塊化功能設(shè)計(jì)

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(guò)壓力傳感器監(jiān)測(cè)管道壓力，通過(guò)變頻器等調(diào)速裝置控制水泵的啟停和轉(zhuǎn)速，通過(guò)改變水泵的流量和揚(yáng)程，為灌溉主管道提供所需的流量和壓力并保持管道內(nèi)水壓力穩(wěn)定。灌溉管理控制模塊可通過(guò)墑情采集處理裝置采集土壤墑情信息，通過(guò)控制灌區(qū)電磁閥的啟閉管理不同灌區(qū)灌溉的水量，在灌區(qū)灌溉完成后關(guān)閉灌區(qū)，最后停止水泵(圖2)。對(duì)于無(wú)墑情信息采集要求的實(shí)際項(xiàng)目，不安裝墑情監(jiān)測(cè)裝置。

圖2 灌溉管理控制模塊結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of irrigation management control module

灌溉管理控制模塊設(shè)計(jì)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(xiàn)場(chǎng)操作界面通信；此模式下可完成灌溉設(shè)備的啟?？刂啤⒐艿缐毫刂?、灌區(qū)管理等多種功能；2)數(shù)字輸入控制模式：灌溉管理控制器檢測(cè)輸入端子電壓，作為整個(gè)設(shè)備的啟?？刂?，以及少量灌區(qū)的控制；此模式適用于簡(jiǎn)易現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制場(chǎng)景，其灌溉壓力為預(yù)設(shè)值，灌區(qū)管理數(shù)量有限，但操作直觀，易于排除故障。

在通信控制模式下，對(duì)于灌區(qū)管理有如下3種控制方式：1)手動(dòng)控制，手動(dòng)啟停設(shè)備，控制特定灌區(qū)灌溉；2)自動(dòng)閾值控制，為灌區(qū)設(shè)定土壤含水量閾值區(qū)間，控制器按照閾值控制灌區(qū)與水泵的自動(dòng)啟停；3)可調(diào)閾值控制，為不同灌區(qū)提供上下限可調(diào)的閾值，根據(jù)作物類(lèi)型和作物生長(zhǎng)周期調(diào)節(jié)閾值以滿(mǎn)足不同作物對(duì)土壤墑情的需求。

1.2.2反沖洗過(guò)濾控制模塊

節(jié)水灌溉灌水器如噴頭、滴頭等對(duì)水質(zhì)要求較高，灌溉設(shè)備需要采用過(guò)濾器以降低灌水器堵塞的概率。反沖洗過(guò)濾器可實(shí)現(xiàn)不停機(jī)自動(dòng)清洗。對(duì)于2通道反沖洗過(guò)濾器，在過(guò)濾工作狀態(tài)下，進(jìn)水經(jīng)2個(gè)過(guò)濾單元過(guò)濾后進(jìn)入出水管；在反沖洗工作狀態(tài)下，其中一個(gè)過(guò)濾單元保持過(guò)濾狀態(tài)，另一個(gè)過(guò)濾單元通過(guò)閥門(mén)改變水流方向，使過(guò)濾后的水從出水管反向進(jìn)入過(guò)濾單元，沖洗過(guò)濾單元中的雜質(zhì)排入排污管，沖洗完成后，閥門(mén)恢復(fù)原狀態(tài)，未沖洗的過(guò)濾單元重復(fù)上述流程直至所有過(guò)濾單元反沖洗完成(圖3)。

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

反沖洗過(guò)濾控制模塊設(shè)計(jì)具有3種啟動(dòng)模式：1)壓差啟動(dòng)模式，控制器通過(guò)壓差傳感器或壓力傳感器采集過(guò)濾器進(jìn)水管和出水管的壓差值，達(dá)到預(yù)設(shè)值后啟動(dòng)反沖洗流程，適用于大多數(shù)工況；2)定時(shí)啟動(dòng)模式，無(wú)論是否達(dá)到預(yù)設(shè)的壓力差值，控制器按照預(yù)設(shè)時(shí)間，定時(shí)啟動(dòng)反沖洗流程，適用于水中雜質(zhì)附著性強(qiáng)或傳感器損壞的場(chǎng)合；3)手動(dòng)啟動(dòng)模式，手動(dòng)啟動(dòng)反沖洗，多用于調(diào)試工況。

反沖洗過(guò)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(xiàn)場(chǎng)操作界面通信，此模式可靈活設(shè)置反沖洗過(guò)濾器的啟動(dòng)模式，根據(jù)壓差調(diào)整沖洗間隔、沖洗順序等多種參數(shù)以滿(mǎn)足不同的場(chǎng)景；2)數(shù)字輸入控制模式，控制器檢測(cè)輸入端子電壓，作為整個(gè)設(shè)備的啟?？刂疲m用于簡(jiǎn)易控制場(chǎng)景。

1.2.3施肥設(shè)備控制模塊

施肥系統(tǒng)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(guò)灌溉管道進(jìn)入灌區(qū)，實(shí)現(xiàn)隨水施肥。施肥設(shè)備控制器采集灌溉管道流量，通過(guò)調(diào)速裝置控制施肥泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)注肥量。施肥設(shè)備控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。

圖4 施肥設(shè)備控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of fertilization equipment control system

施肥設(shè)備控制模塊設(shè)計(jì)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(xiàn)場(chǎng)操作界面通信，此模式下可完成施肥設(shè)備的啟停、注肥量、注肥速率調(diào)節(jié)等多種功能；2)數(shù)字輸入控制模式，控制器檢測(cè)輸入端子電壓控制整個(gè)設(shè)備的啟停和注肥速率，此模式適用于簡(jiǎn)易現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制場(chǎng)景，用戶(hù)調(diào)節(jié)旋鈕即可直觀的調(diào)節(jié)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(dòng)控制，手動(dòng)啟停設(shè)備，控制注肥量和注肥速率；2)自動(dòng)閾值控制，為灌區(qū)設(shè)定土壤EC值閾值區(qū)間，控制器按照閾值控制水泵及施肥設(shè)備啟停；3)可調(diào)閾值控制，為不同灌區(qū)提供上下限可調(diào)的閾值，根據(jù)作物類(lèi)型調(diào)節(jié)閾值以滿(mǎn)足不同作物對(duì)肥料的需求；4)多種肥料配比控制，采用多個(gè)施肥設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)不同種類(lèi)肥料的靈活配比，滿(mǎn)足不同類(lèi)型、不同生長(zhǎng)周期作物對(duì)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(gè)墑情傳感器采集土壤墑情，將數(shù)據(jù)匯總后發(fā)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(fù)擔(dān)，簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)走線，也可以在通信網(wǎng)絡(luò)中將傳感器與主控制器分隔開(kāi)，降低一個(gè)區(qū)域部分傳感器的損壞導(dǎo)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(rèn)工作模式。此模式下墑情采集處理裝置僅轉(zhuǎn)發(fā)主控制器和傳感器的數(shù)據(jù)，在通信網(wǎng)絡(luò)中處于透明狀態(tài)。2)采集處理模式下墑情采集處理裝置按照預(yù)先配置的數(shù)據(jù)處理模式，采集并處理所連接傳感器的數(shù)據(jù)，并與主控制器通信。此模式將不同生產(chǎn)廠家、不同規(guī)格的傳感器數(shù)據(jù)統(tǒng)一為標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文格式，有利于簡(jiǎn)化主控制器設(shè)計(jì)，增強(qiáng)主控制器工作穩(wěn)定性。

1.2.5主控制器

主控制器是灌溉控制系統(tǒng)的核心，協(xié)同各模塊完成對(duì)節(jié)水灌溉首部樞紐設(shè)備系統(tǒng)的復(fù)雜控制動(dòng)作，保障節(jié)水灌溉設(shè)備穩(wěn)定、高效運(yùn)行。主控制器與各模塊均基于RISC-V開(kāi)源指令集的國(guó)產(chǎn)CH32V103系列微控制器芯片研發(fā)?？刂葡到y(tǒng)開(kāi)發(fā)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(yuǎn)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(yuǎn)程傳輸模塊等高速模塊。

2 功能試驗(yàn)及結(jié)果

2.1 試驗(yàn)環(huán)境

試驗(yàn)控制平臺(tái)由PC監(jiān)控軟件、主控制器、采集處理裝置、單片機(jī)監(jiān)測(cè)模塊、被控模塊等組成(圖6)。主控制器通過(guò)總線連接灌溉管理控制模塊、反沖洗過(guò)濾控制模塊、施肥設(shè)備控制模塊等被控模塊。PC端監(jiān)控軟件基于Qt 5.15和C#.Net 4.0集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，與主控制器程序固件同步開(kāi)發(fā)以便于調(diào)試。試驗(yàn)由PC端監(jiān)控軟件發(fā)起控制，通過(guò)單片機(jī)監(jiān)測(cè)模塊采集主控制器和被控模塊的輸出信息。

圖6 試驗(yàn)控制平臺(tái)組成Fig.6 Composition of test control platform

2.2 模塊功能試驗(yàn)

2.2.1啟停試驗(yàn)

啟停試驗(yàn)用于檢測(cè)控制器能否控制水泵正常啟停，能否按照預(yù)設(shè)閾值控制水泵啟停，能否處理來(lái)自其他模塊的水泵啟停信息，包括水泵啟停測(cè)試、自動(dòng)反沖洗啟停測(cè)試和施肥啟停測(cè)試。試驗(yàn)采用控制器的通信控制模式，由監(jiān)控軟件向控制器發(fā)送啟停信息，并采用單片機(jī)采集控制器輸出端信號(hào)，分別對(duì)水泵、自動(dòng)反沖洗過(guò)濾單元和施肥模塊進(jìn)行1 000次模擬啟停測(cè)試，啟停測(cè)試均成功。

2.2.2調(diào)速試驗(yàn)

水泵轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)試驗(yàn)用于測(cè)試水泵轉(zhuǎn)速能否按照控制器要求進(jìn)行調(diào)整。包括灌溉泵轉(zhuǎn)速測(cè)試與施肥泵轉(zhuǎn)速測(cè)試。試驗(yàn)采用控制器的通信控制模式，由監(jiān)控軟件向控制器發(fā)送轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)信息，同時(shí)對(duì)控制器的通信輸出和電壓輸出進(jìn)行測(cè)試，采用單片機(jī)采集控制器輸出端信號(hào)，并采集電壓輸出。對(duì)灌溉泵調(diào)速和施肥模塊調(diào)速進(jìn)行通信輸出試驗(yàn)各100次，并對(duì)灌溉泵調(diào)速和施肥模塊調(diào)速進(jìn)行電壓輸出試驗(yàn)各30次，測(cè)試均成功。

2.2.3管道壓力與灌區(qū)管理試驗(yàn)

管道壓力測(cè)試用于測(cè)試管道壓力穩(wěn)定性。試驗(yàn)采用控制器的通信控制模式，由監(jiān)控軟件向控制器發(fā)送壓力調(diào)節(jié)信息，采用單片機(jī)采集管道壓力并將壓力信息發(fā)送到PC上的壓力監(jiān)測(cè)控制軟件。灌區(qū)電磁閥啟閉測(cè)試用于測(cè)試灌區(qū)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(tài)。試驗(yàn)采用控制器的通信控制模式，由監(jiān)控軟件向控制器發(fā)送閥門(mén)啟閉信息，采用單片機(jī)采集管道壓力變化與控制器輸出端信號(hào)，采用隨機(jī)順序控制，固定順序控制，全開(kāi)全關(guān)控制等多種控制模式進(jìn)行多次灌區(qū)電磁閥啟閉測(cè)試。

在隨機(jī)順序控制模式下，具有2個(gè)灌區(qū)的灌溉管道壓力變化試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7，閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)，管道壓力下降；閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，管道壓力上升；閥門(mén)開(kāi)啟數(shù)量相同時(shí)，管道壓力近似相等。主控制器可通過(guò)管道壓力變化推斷閥門(mén)啟閉狀態(tài)，同時(shí)也可通過(guò)啟閉閥門(mén)數(shù)量推斷管道是否有漏損點(diǎn)，并可通過(guò)遠(yuǎn)程通信模塊與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及時(shí)通知用戶(hù)進(jìn)行維護(hù)。

圖7 灌區(qū)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(yàn)

墑情采集處理裝置模塊應(yīng)能采集不同傳感器的墑情并按照統(tǒng)一格式處理墑情信息并接收輸出信息。試驗(yàn)采用PC端監(jiān)控軟件發(fā)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(jīng)多次測(cè)試，主控制器可正常識(shí)別模擬傳感器數(shù)值，并對(duì)模擬傳感器報(bào)文準(zhǔn)確回復(fù)。

2.3 灌溉首部樞紐整體試驗(yàn)

將首部樞紐中的控制模塊、灌溉管理控制模塊、反沖洗過(guò)濾模塊、施肥模塊等組合在一起，進(jìn)行整體試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容包括同步施肥測(cè)試和閾值調(diào)節(jié)控制試驗(yàn)。

同步施肥測(cè)試用于測(cè)試灌溉模塊和多個(gè)施肥模塊的協(xié)同工作，控制器通過(guò)預(yù)設(shè)程序控制多個(gè)施肥模塊按照預(yù)先設(shè)定的肥料配比進(jìn)行施肥。試驗(yàn)采用監(jiān)控軟件通過(guò)總線向多個(gè)控制器發(fā)送控制信息，采用單片機(jī)采集控制信息，對(duì)施肥模塊1、施肥模塊2以及施肥模塊1、2混合進(jìn)行同步啟停測(cè)試，經(jīng)1 000次模擬測(cè)試，各模塊均可正常完成啟停。

閾值調(diào)節(jié)控制試驗(yàn)用于測(cè)試各模塊通過(guò)預(yù)設(shè)程序，按照不同閾值自動(dòng)控制各模塊啟動(dòng)或停止。試驗(yàn)由主控制器發(fā)出控制信號(hào)，由監(jiān)控軟件采集數(shù)據(jù)總線上的控制信息。試驗(yàn)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(jīng)30次測(cè)試均可正常完成相應(yīng)的閾值控制。

3 討論及結(jié)論

本研究采用PC端監(jiān)控程序監(jiān)控控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線，進(jìn)行了啟停試驗(yàn)、調(diào)速試驗(yàn)、管道壓力與灌區(qū)管理試驗(yàn)、墑情采集處理裝置試驗(yàn)4項(xiàng)分項(xiàng)試驗(yàn)和同步施肥試驗(yàn)、閾值調(diào)節(jié)控制試驗(yàn)2項(xiàng)灌溉首部整體試驗(yàn)。經(jīng)大量測(cè)試，各模塊監(jiān)控功能正常，組合模塊通信、控制、監(jiān)測(cè)功能完備，各功能測(cè)試正常。

灌溉系統(tǒng)首部樞紐控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，便于工廠化批量生產(chǎn)，降低造價(jià)。各模塊集成化高，并采用不同規(guī)格型號(hào)覆蓋多種工作區(qū)間，便于安裝、維護(hù)、升級(jí)，并可進(jìn)一步降低使用成本。其控制系統(tǒng)操作設(shè)計(jì)具有簡(jiǎn)單界面和高級(jí)界面，其簡(jiǎn)單界面易于使用，高級(jí)界面適用性廣。

本研究將灌溉系統(tǒng)首部樞紐控制系統(tǒng)分解為各功能模塊，采用國(guó)產(chǎn)CH32V103系列微控制器突破國(guó)外芯片壟斷，使其具有集成度高、適用面廣、成本低、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，符合農(nóng)業(yè)灌溉實(shí)際應(yīng)用需求，有利于農(nóng)機(jī)化推廣。