楊淳清

(成都錦城學院，四川 成都 611731)

0 引言

農(nóng)田灌溉是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)模式下，主要依靠手工灌溉或半自動化灌溉管理，存在效率低下、灌溉水量難以精確度量等問題，不利于田間灌溉作業(yè)效能的提升。基于嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和PLC技術(shù)設(shè)計一體化的農(nóng)田自動灌溉系統(tǒng)，通過傳感器精確采集田間溫度、光照、濕度等數(shù)據(jù)，反饋給嵌入式STM32處理器綜合運算，將田間溫度、光照和濕度作為確定灌溉水量的綜合依據(jù)，建立起灌溉數(shù)據(jù)Web存儲平臺，再通過PLC對灌溉水泵電機進行精準控制，可實現(xiàn)無人值守自動化灌溉的目標。

1 系統(tǒng)設(shè)計需求與整體結(jié)構(gòu)

1.1 設(shè)計需求

本系統(tǒng)設(shè)計包括控制需求和功能需求兩部分。首先，控制需求，通過引入嵌入式技術(shù)，實現(xiàn)對農(nóng)田灌溉作業(yè)的全自動化控制，并能夠及時采集、存儲和反饋農(nóng)田灌溉現(xiàn)場的環(huán)境數(shù)據(jù)，為用戶提供可查詢、編輯、修改的農(nóng)田灌溉依據(jù)；其次，功能需求，設(shè)計農(nóng)田灌溉現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)采集功能、數(shù)據(jù)組網(wǎng)存儲功能、灌溉數(shù)據(jù)運算整理功能、灌溉電機自動控制功能等，通過嵌入式技術(shù)對各功能進行整合，圍繞農(nóng)田自動灌溉需求進行控制，最終實現(xiàn)灌溉功能。其功能為：①農(nóng)田現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集反饋響應平均時間<2 s。②灌溉電機控制水泵出水量與預設(shè)量誤差<3%。③灌溉管理自動化作業(yè)響應準確度>90%。

1.2 整體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)分為3個模塊：①采集傳感模塊。由溫度傳感器DS18B20、濕度傳感器HIH-4000、光照傳感器FM-GZ和嵌入式微控制器STM32F407組成。實際工作時，傳感器實時采集田間的溫度、濕度和光照度數(shù)據(jù)，作為是否進行灌溉作業(yè)以及灌溉水量的依據(jù)，反饋給STM32微控制器處理。②網(wǎng)絡存儲控制模塊。由TLG09UA01 WIFI模塊、WEB服務器和移動終端組成。實際工作時，WIFI模塊實時接收STM32傳輸?shù)奶镩g灌溉數(shù)據(jù)，上傳至WEB服務器，用戶可使用移動終端登錄服務器查看，并進行灌溉參數(shù)設(shè)置，再反饋給STM32處理。③自動灌溉輸出模塊。由西門子S7-200型PLC、MM440變頻器和水泵電機組成。實際工作時，PLC與STM32通過RS485進行實時通信，根據(jù)田間灌溉的需求，基于USS通信協(xié)議自動控制變頻器輸出頻率，實現(xiàn)對水泵電機啟停及轉(zhuǎn)動頻率的調(diào)整，達到對農(nóng)田精準灌溉的控制目的。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 Wi-Fi模塊設(shè)計

Wi-Fi模塊作用是連接STM32和Web服務器，實現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)絡人機交互控制，搭建物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)控制體系的橋梁。本項目選擇北京大中華電子設(shè)計有限公司研發(fā)的TLG09UA01模塊，該模塊自帶UART接口，具有連接便利、通信穩(wěn)定、網(wǎng)絡輸入輸出特性優(yōu)越等特點，能夠與STM32通過插針的方式便捷連接和通信。在具體的硬件連接上，STM32通過UART1接口與外部傳感器相連，通過UART2接口與TLG09UA01模塊進行如下設(shè)置：①將Wi-Fi模塊設(shè)置為全雙工模式，等待接收和發(fā)送STM32的數(shù)據(jù)。②登錄Web服務器界面，輸入Wi-Fi模塊的虛擬地址，并進行注冊、登錄、橋接等通信測試。③測試用戶移動終端是否能查看和編輯Web平臺上的灌溉數(shù)據(jù)，以驗證Wi-Fi模塊工作的有效性。

2.2 傳感器模塊設(shè)計

本系統(tǒng)選用由溫度傳感器DS18B20、濕度傳感器HIH-4000和光照傳感器FM-GZ，用于采集農(nóng)田現(xiàn)場的溫度、濕度和光照度，作為田間自動灌溉作業(yè)的依據(jù)。①溫度傳感器設(shè)計。DS18B20為高精度可編程數(shù)字溫度傳感器，能夠高效地采集環(huán)境實時溫度，將其DQ引腳與STM32任意I/O端口連接，便可實時采集環(huán)境溫度，并與STM32進行數(shù)據(jù)通信。②濕度傳感器設(shè)計。HIH-4000是HONEYWELL公司研發(fā)的高精度數(shù)字濕度傳感器，精度達到+3.5%RH ，采用低功耗設(shè)計理念，具有較好的穩(wěn)定性以及抗化學腐蝕等優(yōu)質(zhì)性能，將其輸出引腳與STM32任意I/O端口連接，便能采集農(nóng)田濕度數(shù)據(jù)。③光照傳感器設(shè)計。FM-GZ為高精度數(shù)字光照型傳感器，可采集的光照強度范圍為0～200 Klux，通過RS485接口與STM32連接，采集農(nóng)田間的實時光照強度。

2.3 硬件地址分配

本系統(tǒng)PLC與STM32之間通過RS485接口進行通信，PLC與變頻器之間通過USS協(xié)議進行通信連接，具體的硬件地址分配如表1所示，其中，I0.0和I0.1分別為正常啟動和停止變頻器的輸入控制端子，I0.5和I0.6分別為控制變頻器以50%和100%額定頻率啟動的輸入端子，后期通過程序編譯，可實現(xiàn)PLC控制變頻器以不同的頻率啟動，達到對水泵電機轉(zhuǎn)速的控制，最終對灌溉水流量進行精準控制。

表1 PLC硬件地址分配表

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 STM32數(shù)據(jù)采集傳輸

如圖2所示，系統(tǒng)啟動后，田間的溫度、濕度、光照傳感器開始實時采集數(shù)據(jù)，并傳輸給STM32模塊進行運算處理后，直接傳送至Wi-Fi模塊，由Wi-Fi模塊對數(shù)據(jù)進行提取、封裝、整理等處理，轉(zhuǎn)化為Web服務器可直接識別的數(shù)據(jù)類型后，發(fā)送到Web服務器端。Web服務器與Wi-Fi模塊之間采用全雙工通信模式，可對灌溉數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收情況進行實時響應。此外，設(shè)計Web服務器與用戶移動終端之間的訪問交互子系統(tǒng)，用戶可運用智能手機、平板電腦等移動設(shè)備，隨時隨地訪問Web服務器，獲取田間灌溉情況的實時數(shù)據(jù)，并對灌溉參數(shù)進行調(diào)整。

圖2 STM32數(shù)據(jù)采集傳輸流程圖

3.2 PLC與灌溉變頻器USS通信設(shè)計

PLC與變頻器之間進行USS通信的程序如圖3所示，頻率設(shè)定地址為MD20，程序執(zhí)行流程為：①PLC上電后，執(zhí)行網(wǎng)絡1程序，設(shè)置波特率為9 600，變頻器站號為2#，PPRT0為USS協(xié)議執(zhí)行端口。②變頻器接收到STM32數(shù)據(jù)后，根據(jù)控制要求執(zhí)行灌溉作業(yè)：當I0.0被置1時，變頻器按照30%頻率輸出，控制水泵電機啟動輸出相應水量；當I0.5被置1時，變頻器按照50%頻率輸出，控制水泵電機啟動輸出相應水量；當I0.6被置1時，變頻器按照100%頻率輸出，控制水泵電機啟動輸出相應水量；當I0.1被置1時，變頻器控制水泵電機停止灌溉，上述作業(yè)過程完全基于自動化控制場景完成。

圖3 PLC與變頻器之間的USS通信程序

4 結(jié)語

系統(tǒng)設(shè)計并裝配完成后，在田間進行灌溉試驗，結(jié)果顯示：用戶可在移動終端登錄服務器查看和設(shè)置灌溉數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶預設(shè)灌溉值進行全自動化灌溉作業(yè)，灌溉出水量、控制響應時間、數(shù)據(jù)傳輸通信效率等均達到預期效果，說明本系統(tǒng)具有一定的應用性和可靠性。隨著嵌入式技術(shù)不斷發(fā)展，相信會有越來越多的系統(tǒng)設(shè)計理念應用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，對提高農(nóng)業(yè)自動化生產(chǎn)水平以及構(gòu)建高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)體系起到積極作用。