李 騰，高德全，陳 玥，楊 源，李卓蔓

(1.四川省水利科學(xué)研究院，成都，610072；2.四川省玉溪河灌區(qū)運(yùn)管中心，四川 邛崍，611530)

在傳統(tǒng)的灌溉過程中，需要一直觀察水位以避免過度灌溉帶來的不良后果，為此國內(nèi)外學(xué)者對于遠(yuǎn)程灌溉進(jìn)行了較多的研究。為了解決農(nóng)田灌溉的水位遠(yuǎn)程控制水平低的問題，黃文晉等[1]采用了基于GSM網(wǎng)絡(luò)的智能灌溉系統(tǒng)，具有較好的推廣價值。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，李海波等[2]從灌溉的質(zhì)量和利用率方面，設(shè)計了基于Web的灌溉系統(tǒng)；關(guān)林芳等[3]采用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，采用GPRS通信的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞給監(jiān)控中心，根據(jù)其測試結(jié)果，具備良好的應(yīng)用效果；陳川等[4]通過4G通信方式，以云平臺直接下發(fā)數(shù)據(jù)的方式來實現(xiàn)對于閥門的控制，來提高農(nóng)業(yè)溫室設(shè)施的自動化程度。如今，以4G通訊技術(shù)為典型代表的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于各個場景之中，但是普遍體現(xiàn)為設(shè)備集成度不夠高、操作復(fù)雜等特點(diǎn)，為此本文設(shè)計了以4G通信技術(shù)作為數(shù)據(jù)傳遞的方式溫室灌溉控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以RS485總線現(xiàn)場傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，以STM32F407單片機(jī)為控制核心，通過繼電器完成對于閥門的控制，達(dá)到漫灌和滴灌的效果，有力推動了“現(xiàn)場端、服務(wù)器、管理端”三端監(jiān)控管理體系的形成。

1 系統(tǒng)工作原理

電子信息技術(shù)的發(fā)展，促使4G通訊有效地解決了技術(shù)壁壘、經(jīng)濟(jì)成本等方面的問題，促使4G通訊技術(shù)更好地應(yīng)用于控制管理中。本文采用4G技術(shù)解決了現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與控制，服務(wù)器端以及客戶端之間彼此分離的情況。在現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與控制端將采集到的數(shù)據(jù)與云平臺(服務(wù)器)進(jìn)行通訊，將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布給移動端和管理端，管理端可以根據(jù)權(quán)限對數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。其系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作結(jié)構(gòu)

2 硬件電路設(shè)計

根據(jù)溫室灌溉環(huán)境的需求，采用了4G通訊模塊作為實現(xiàn)無線遙控閥門的核心部件，以STM32F407單片機(jī)作為現(xiàn)場控制器的控制單元，實現(xiàn)了對現(xiàn)場被控對象如閥門以及土壤溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)采集與傳輸，實現(xiàn)了對于現(xiàn)場漫灌設(shè)備與滴灌設(shè)備的管理，達(dá)到有限利用能源的目的，并且能夠有效地減少管理者巡檢的次數(shù)，有效提高水資源利用率?，F(xiàn)場單元硬件電路設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場單元硬件設(shè)計電路框

2.1 現(xiàn)場控制器設(shè)計

現(xiàn)場控制器采用了STM32F4ZGT6作為控制器芯片，輔以常見需要使用的復(fù)位電路、晶振電路、SWD接口等。在現(xiàn)場主控電路板上包含一個測試用的貼片LED燈，一個RST復(fù)位按鍵，以及一個普通測試按鍵。此外采用了8M的晶振作為外圍晶振，并且采用多個電容對電源進(jìn)行濾波，在電路板設(shè)計的時候，需要將該電容與芯片盡量貼近，確保控制系統(tǒng)的穩(wěn)定。

2.2 通訊電路設(shè)計

為滿足系統(tǒng)的功能以及滿足系統(tǒng)調(diào)試和測試的要求，還設(shè)計了RS232串口通訊電路以及RS485通訊電路。其中RS232電路實現(xiàn)與4G模塊的通訊，RS485用于與土壤中溫濕度傳感器的通訊。

2.2.1 RS232串口通訊電路設(shè)計

根據(jù)項目設(shè)計的需求，RS232電路的設(shè)計實際上就是進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，目前較為常用的為SP3232E系列芯片，可以作為實現(xiàn)串口通信的主要芯片。根據(jù)芯片說明手冊已知SP3232E芯片在工作電壓3.3V的條件下，僅僅需要0.1μF的電容就可以工作，且其ESD保護(hù)具備較好的工作特性。RS232串口電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 RS232單片機(jī)的串口電路設(shè)計

2.2.2 RS485通訊電路設(shè)計

為了方便擴(kuò)展，溫濕度傳感器采用RS485進(jìn)行通訊，RS485接口具有聯(lián)網(wǎng)功能，能夠采用半雙工異步通信協(xié)議，同時采用差分信號的傳輸方式，可以使傳輸極限距離達(dá)到1200m。RS485接口電路設(shè)計如圖4所示。

圖4 基于SP3485芯片的485通訊模塊設(shè)計

2.3 存儲單元電路設(shè)計

在實際灌溉工作中，需要對當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的記錄，為此本系統(tǒng)采用了SD卡作為存儲單元進(jìn)行設(shè)計。目前SD卡有2種存儲模式，分別為SPI和SDIO兩種模式。如果采用SPI模式對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫，不需要使用所有的數(shù)據(jù)控制端口；而采用SDIO模式對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀寫，其數(shù)據(jù)讀寫方式更快，操作更加方便，其設(shè)計電路如圖5所示。

圖5 SD卡存儲電路設(shè)計

2.4 電源電路設(shè)計

在現(xiàn)場控制單元中，采用的為220V市電作為電源，而各個設(shè)備都有不同的供電需求，按照本系統(tǒng)中選定的各類材料的具體性能，其電源需求如下表1所示。

表1 項目中所需電源及要求

根據(jù)上述需求，可以直接選用220V轉(zhuǎn)12V的開關(guān)電源作為現(xiàn)場控制單元的電源電路供土壤溫濕度傳感器使用，同時也可以給現(xiàn)場控制板以及4G通訊模塊提供必須的電源。

2.4.1 12V轉(zhuǎn)5V電源轉(zhuǎn)換電路

根據(jù)開關(guān)電源所獲得的12V電壓，4G模塊需要5V的工作電壓，為此本系統(tǒng)中采用了LM2596－5.0作為電源設(shè)計的核心芯片，設(shè)計了本電源電路。該芯片具備TO－220封裝(DIP)和5腳TO－263表貼封裝(SMD)，而且該芯片在特定的輸入電壓和輸出負(fù)責(zé)條件下，其參數(shù)更加可控，僅需要80μA的待機(jī)電流，且具備自我保護(hù)功能，其實現(xiàn)電路簡單方便。具體設(shè)計電路如圖6所示。

圖6 基于LM2596S的12V轉(zhuǎn)5V電源電路

2.4.2 5V轉(zhuǎn)3.3V電路設(shè)計

由于輸入5V與輸出3.3V的電壓差不大，可以采用LDO作為供電電源、AMS117－3.3V作為電源轉(zhuǎn)換芯片。本系統(tǒng)中使用的ASM1117－3.3V采用了反饋調(diào)壓的方式對電壓進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到維持輸出電壓穩(wěn)定的目的。

5V轉(zhuǎn)3.3V電路設(shè)計如圖7所示，其輸出VDD＿3.3V為4G通信模塊供電。系統(tǒng)同時利用AMS1117－3.3芯片將VCC＿5V轉(zhuǎn)為VCC＿3.3V為STM32微處理器供電。

圖7 基于AMS1117－3.3的3.3V電源電路設(shè)計

2.5 通訊電路的設(shè)計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用YED－RY1210的4G通訊電路作為與服務(wù)器的通訊電路，其中YED－RY1210是一款基于合宙Air724系列高性價比的Cat1 4G RTU。支持移動、電信、聯(lián)通全網(wǎng)通4G，可以方便集成到自身設(shè)備系統(tǒng)中，其實物如圖8所示。

圖8 YED－RY1210實物

3 軟件的實現(xiàn)

3.1 現(xiàn)場單元控制器的軟件設(shè)計

現(xiàn)場控制單元具有完備的電源后，除了接收來自服務(wù)器的控制命令外，還需要采集土壤中的溫濕度相關(guān)信息，并根據(jù)土壤濕度的情況，采用不同模式對土壤進(jìn)行灌溉。在該過程中，不僅需要獲得來自網(wǎng)絡(luò)下發(fā)的數(shù)據(jù)，還需要將溫濕度等信息通過4G模塊向外發(fā)送，在該過程中需要將溫濕度等信息進(jìn)行存儲。程序流程如圖9所示。

圖9 程序流程

3.2 服務(wù)器端與客戶端設(shè)計

服務(wù)器端與客戶端需根據(jù)溫室灌溉實際環(huán)境需求進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計，服務(wù)器端主要包括管理模塊、存儲模塊(數(shù)據(jù)庫)、數(shù)據(jù)通信功能，客戶端主要包括數(shù)據(jù)分析與解碼、數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計、遠(yuǎn)程控制模塊等功能，其主要功能框架如圖10所示。

圖10 服務(wù)端與客戶端功能框架

本系統(tǒng)的服務(wù)端起著承上啟下的作用，服務(wù)器端包含管理模塊、數(shù)據(jù)庫模塊以及通訊模塊等幾個主要部分，其核心功能是完成數(shù)據(jù)的接收與存儲，并通過開放訪問端口與客戶端相連。該遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺采用JAVA編程語言進(jìn)行開發(fā)，采用SQL Server作為數(shù)據(jù)庫，利用Tomcat部署在系統(tǒng)上，來完成B/S(Brower/Server)訪問模式下的灌溉監(jiān)控，其結(jié)構(gòu)示意如圖11所示。

圖11 灌溉控制服務(wù)器端組成結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語

本方案設(shè)計將單片機(jī)控制技術(shù)與無線通信技術(shù)運(yùn)用到溫室灌溉控制研究中，并分別從硬件電路、軟件實現(xiàn)方法、服務(wù)器端和客戶端實現(xiàn)三個方面進(jìn)行了設(shè)計研究，最后基于4G通訊技術(shù)實現(xiàn)了溫室灌溉的遠(yuǎn)程自動控制功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、性能穩(wěn)定，其應(yīng)用和推廣將有效地提高溫室設(shè)施的自動化程度，降低灌溉作業(yè)人力成本和控制難度。