雷萬榮，魏 堃，楊 超，孫國亮，楊德軍

（武威職業(yè)學(xué)院，甘肅 武威 733000）

國家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的相關(guān)數(shù)據(jù)和報(bào)告中指出，我國用水量最大的產(chǎn)業(yè)為農(nóng)業(yè)[1]。如何提高農(nóng)業(yè)水資源的利用率，已經(jīng)成為政府管理部門關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容。由于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉采用粗放式的漫灌，或者根據(jù)農(nóng)作物的生長時(shí)期憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行溝灌，農(nóng)業(yè)水資源的有效利用率＜50%，造成了水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。此外，傳統(tǒng)灌溉模式?jīng)]有考慮不同生育期的作物需水量，極易引發(fā)農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量的下降[2]。針對我國農(nóng)業(yè)用水量大且水利用系數(shù)低、用水精細(xì)化程度低等問題，許多地方采用了噴灌、滴灌、膜下灌溉、滲灌等技術(shù)，來提高水資源的利用率[3]。文章針對大面積無覆蓋的廣袤區(qū)域灌溉，基于LoRa通信技術(shù)，擬構(gòu)建智能控制節(jié)水灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用彭曼公式進(jìn)行區(qū)域內(nèi)灌溉量的預(yù)測并將灌溉指令傳輸至上位機(jī)，上位機(jī)接收到灌溉指令后通過無線電臺完成區(qū)域內(nèi)電磁閥的開啟和停止，從而完成自適應(yīng)地智能控制。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于LoRa通信的無線電臺控制智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)中決策系統(tǒng)主要由上位機(jī)、灌溉決策系統(tǒng)、無線控制系統(tǒng)3個(gè)模塊組成。其中上位機(jī)可以完成灌溉決策系統(tǒng)中參數(shù)的設(shè)置，并與灌溉決策系統(tǒng)進(jìn)行信息傳輸；灌溉決策系統(tǒng)主要以單片機(jī)為控制核心，外加其他外圍部件，主要是通過各種傳感器獲取灌溉區(qū)域內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，并經(jīng)過彭曼公式計(jì)算出灌溉量，并下達(dá)灌溉指令；無線控制系統(tǒng)用于接受上位機(jī)傳輸來的灌溉指令，并將指令經(jīng)無線傳輸后下達(dá)各灌溉區(qū)域內(nèi)的電磁閥，從而完成精準(zhǔn)灌溉。

2 灌溉決策控制設(shè)計(jì)

基于LoRa通信的無線電臺控制智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)主要包括前向采集輸入模塊、單片機(jī)控制核心模塊、后向反饋輸出模塊、人機(jī)交互通信模塊、信息交互通信模塊。其中前向采集輸入模塊主要完成灌溉區(qū)域內(nèi)環(huán)境參數(shù)的采集轉(zhuǎn)換；單片機(jī)控制核心模塊是整個(gè)決策系統(tǒng)的大腦，主要用于分析采集的環(huán)境參數(shù)，并根據(jù)彭曼公式計(jì)算出灌溉區(qū)域內(nèi)的需水量，并將灌溉指令通過485通訊輸出至上位機(jī)；后向反饋輸出通道主要是用于控制本系統(tǒng)中的電磁閥的開啟和停止；人機(jī)交互模塊在本系統(tǒng)中采用觸摸屏來實(shí)現(xiàn)，主要完成采用彭曼公式預(yù)測灌溉需水量時(shí)所選用的灌溉區(qū)域內(nèi)最適宜的參數(shù)設(shè)置；信息傳輸模塊主要指灌溉決策系統(tǒng)和上位機(jī)之間的通訊接口。

2.1 單片機(jī)控制核心模塊

在進(jìn)行本系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)后，需要根據(jù)控制系統(tǒng)的功能選擇核心元器件的型號參數(shù)，可選方案有以下幾種。一是STC51系列單片機(jī)：優(yōu)點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源豐富，入門較快，學(xué)習(xí)成本較低。但對于數(shù)據(jù)量存儲較大的應(yīng)用模塊存儲空間不夠用，不利于系統(tǒng)的后續(xù)擴(kuò)展。二是STM32系列單片機(jī)：優(yōu)點(diǎn)為外部通用I/O接口資源豐富，存儲器容量大。單片機(jī)內(nèi)部包含有全雙工異步串行傳輸口、并行輸入輸出口、復(fù)位電路、內(nèi)部時(shí)鐘電路等，可以滿足復(fù)雜應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)。

對比應(yīng)用系統(tǒng)的功能、應(yīng)用場合及擴(kuò)展需求、數(shù)據(jù)存儲需求等，本研究最終選用了體積小、可嵌入的低功耗型的STM32系列單片機(jī)。單片機(jī)控制核心模塊主要用編寫的程序分析采集的溫度、濕度、光照度，并利用彭曼公式計(jì)算出區(qū)域內(nèi)的灌溉需水量，然后將灌溉指令上傳至上位機(jī)，上位機(jī)經(jīng)無線擴(kuò)頻通訊傳輸至無線電臺，最終由無線電臺將灌溉指令下達(dá)至電磁閥完成灌溉的啟動和停止。

2.2 前向采集輸入模塊

主要包括對灌溉區(qū)域內(nèi)的溫度、濕度、光照度數(shù)據(jù)的采集的各類傳感器。其中溫度、濕度的監(jiān)控采用數(shù)字溫濕度變送器，光照度監(jiān)控采用低電壓低功耗的光照度變送器。

2.2.1 溫濕度變送器

溫濕度變送器用于獲取灌溉區(qū)域內(nèi)的環(huán)境空氣溫度、相對濕度數(shù)據(jù)。測量溫濕度采用的數(shù)字傳感器為高精度的溫濕度變送器。該傳感器接線方便，只需要正確連接4根線路即可采集溫濕度信號，采集的信息采用485通訊線傳輸。

2.2.2 光照度變送器

光照度變送器用于獲取灌溉區(qū)域內(nèi)的光照度數(shù)據(jù)，具有較高的防水防塵等級，較強(qiáng)的耐惡劣環(huán)境能力、耐紫外線輻照，采用直流小電壓供電，功耗小，保證在高輻射的工作環(huán)境下有較長的使用壽命。

2.3 后向輸出反饋模塊

本系統(tǒng)中后向通道主要指控制灌溉的電磁閥設(shè)備。當(dāng)電磁閥接收器收到無線電臺傳輸?shù)膩淼目刂菩盘柡?，電磁閥線圈會出現(xiàn)得電或失電情況，影響開關(guān)狀態(tài)，控制灌溉系統(tǒng)的啟停。

2.4 人機(jī)交互通信模塊

本系統(tǒng)人機(jī)交互模塊采用觸摸屏來設(shè)定灌溉區(qū)域最佳修正系數(shù)。因不同的作物在不同季節(jié)、不同生長周期下所需的溫度、濕度、光照度存在較大的差異。因此需在不同季節(jié)選擇不同的修正系數(shù)，以保證計(jì)算出作物所需的最佳灌溉量。

2.5 信息交互傳輸模塊

信息傳輸模塊主要由各種通訊接口組成，有串行傳輸接口和并行傳輸接口，包括觸摸屏與單片機(jī)控制核心模塊的信息傳輸、灌溉決策系統(tǒng)和上位機(jī)之間的通信。

3 無線電臺控制系統(tǒng)

無線電臺控制系統(tǒng)主要用于灌溉決策指令的下達(dá)。

3.1 電磁閥工作系統(tǒng)

電磁閥工作系統(tǒng)主要由電磁閥供電裝置、電磁閥無線信號接收器、電磁閥本體組成。

3.1.1 電磁閥供電裝置

電磁閥供電裝置采用太陽能供電，主要包括太陽能光伏組件、蓄電池、光伏控制器。其中光伏控制器包含有最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）功能，可以保證太陽能光伏組件工作在最佳狀態(tài)。光伏控制器主要用于控制蓄電池的充放電，同時(shí)具有夜間防反充保護(hù)和組件極性反接保護(hù)功能。蓄電池主要用于存儲小型分布式光伏系統(tǒng)中多余的電能，同時(shí)由于光伏發(fā)電受環(huán)境制約因素較多，在夜間以及陰雨天氣發(fā)電不足時(shí)，可以采用蓄電池給電磁閥和無線信號接收器供電。

3.1.2 電磁閥無線信號接收器

無線信號接收器和光伏控制器連接，當(dāng)接收到無線電臺傳輸來的信號后，會將信號傳輸給光伏控制器，控制電磁閥的線圈。

3.1.3 電磁閥本體

電磁閥作為工業(yè)控制領(lǐng)域內(nèi)的一種關(guān)鍵執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在市場上占有一定的地位。常見的電磁閥有直動式電磁閥、先導(dǎo)式電磁閥和分步直動式電磁閥3類。電磁閥的啟停需用無線電信號控制，并且控制系統(tǒng)需要保證在低壓狀態(tài)下可以精準(zhǔn)測定灌溉量。因此系統(tǒng)選用可以應(yīng)用于低壓甚至負(fù)壓場合的直動式電磁閥。

3.2 無線電臺

3.2.1 LoRa無線擴(kuò)頻技術(shù)

與傳統(tǒng)的數(shù)字信號傳輸理念不同，LoRa無線擴(kuò)頻技術(shù)指用遠(yuǎn)大于信號本身的帶寬去傳輸信息。因此，攜帶相同能量的信號在更大的帶寬范圍內(nèi)傳輸會使得信道內(nèi)的信號噪聲比更低，這樣傳輸?shù)男盘柺艿酵獠啃盘柛蓴_和誤碼率隨之降低。LoRa無線擴(kuò)頻技術(shù)即犧牲帶寬來換取信號信噪比以此來提高信號傳輸?shù)目煽啃裕瑫r(shí)可以使在遠(yuǎn)距離信號傳輸前提下保證設(shè)備的功率較低。對于選定的無線電臺，其工作頻譜范圍較窄，顯然頻段不夠用。因此，此系統(tǒng)中無線電臺和電磁閥之間的通信采用時(shí)分多址的方式進(jìn)行控制，即所有接收器和電臺通信時(shí)采用相同的頻率，在時(shí)間上輪流占用信道進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，這樣可以實(shí)現(xiàn)高效率的頻譜利用率，并且可以降低設(shè)備成本，但這樣會使得電臺需要不停地掃描各個(gè)接收器的收發(fā)數(shù)據(jù)狀態(tài)，導(dǎo)致電臺運(yùn)算量較大。

3.2.2 無線電臺選型

無線電臺在使用時(shí)需要考慮其傳輸距離、數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼`碼率、傳輸速率、天線的架設(shè)、接口類型等因素。在本系統(tǒng)中，無線電臺工作于地面全覆蓋無遮擋的廣袤草原地區(qū)，因此不存在被墻體遮擋而導(dǎo)致傳輸距離下降的風(fēng)險(xiǎn)；LoRa無線通信采用擴(kuò)頻技術(shù)，為防止在出現(xiàn)電磁干擾時(shí)造成電臺信息干擾、通信故障或系統(tǒng)崩潰，上位機(jī)發(fā)送來的決策指令轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號需要經(jīng)過加密后傳輸至無線電臺，在電磁閥接收器經(jīng)過解密后得到正確的灌溉指令；無線電臺的傳輸速率和傳輸距離之間存在相悖的關(guān)系，在要求傳輸距離大的前提下，一般會選擇較低的波特率，而波特率的降低勢必會導(dǎo)致傳輸速率變慢，這樣會導(dǎo)致接受端信息接收的延時(shí)會加大。但對于本系統(tǒng)，開啟、停止電磁閥的控制傳遞的數(shù)據(jù)量很小，時(shí)延是在可以接受的范圍之內(nèi)；無線電臺的天線架設(shè)高度和傳輸距離相關(guān)性很大，應(yīng)盡可能高一點(diǎn)，但需做好防雷保護(hù)工作。

4 軟件設(shè)計(jì)

基于LoRa通信的無線電臺控制智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)其控制流程，見圖1。

圖1 決策中心執(zhí)行流程圖Fig.1 The execution flow chart of decision center

本系統(tǒng)中灌溉區(qū)域內(nèi)的蒸發(fā)量ET采用聯(lián)合國糧農(nóng)組織公布的彭曼公式計(jì)算得到，彭曼公式在計(jì)算蒸發(fā)量時(shí)只考慮了天氣因素，但實(shí)際中的蒸發(fā)量還要受到地表的實(shí)際作物的生長情況、生長周期等影響。因此需要對計(jì)算蒸發(fā)量進(jìn)行修正得到每日實(shí)際蒸發(fā)量ETc，其中作物系數(shù)K根據(jù)季節(jié)不同，植物生長周期不同選擇不同的值。

利用彭曼公式計(jì)算出實(shí)際蒸發(fā)量后，若忽略某段時(shí)期土壤內(nèi)地下水補(bǔ)給量、土壤濕潤層增加而增加的水分保有量，根據(jù)土壤得到的水分和被消耗和蒸發(fā)、流失的水分守恒，便可計(jì)算區(qū)域內(nèi)實(shí)際的灌溉需水量Q。

灌溉決策指令的下達(dá)還需要考慮未來一天的降水量H。若未來一天降水量H大于實(shí)際蒸發(fā)量ETc，則無需下達(dá)灌溉指令即灌溉需水量Q=0；若未來一天降水量H小于實(shí)際蒸發(fā)量ETc，則灌溉需水量Q為：

無線電臺接收到灌溉指令后，通過無線傳輸發(fā)送信號至灌溉區(qū)域接收端，從而使相應(yīng)的電磁閥進(jìn)行開關(guān)和通斷；同時(shí)在電磁閥開啟或停止后，接受器將信號反饋至電臺。電磁閥工作過程，見圖2。

圖2 電磁閥執(zhí)行流程Fig.2 The solenoid valve execution process

決策中心進(jìn)行分析后形成灌溉控制指令，再通過無線網(wǎng)絡(luò)將控制信號發(fā)送到灌溉區(qū)太陽能電磁閥執(zhí)行系統(tǒng)，當(dāng)某個(gè)電磁閥無線信號接收器接收到控制中心的電臺發(fā)出的控制信號時(shí)，接收器將控制信號經(jīng)解密后根據(jù)指令決定電磁閥閥口打開或關(guān)閉，從而完成區(qū)域灌溉。

5 結(jié)語

文章提出了一種基于LoRa通信的無線電臺控制智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)，對于大面積無覆蓋的廣袤區(qū)域灌溉，可根據(jù)作物生長情況智能控制灌溉量并能有效的提高用水效率。