基于植物全生育期的精量智能灌溉控制器设计_钱春阳

文章编号：１００７－４９２９（２０１６）１１－０１１５－０３基于植物全生育期的精量智能灌溉控制器设计钱春阳，王建春，吕雄杰（天津市农业科学院信息研究所，天津３００１９２） 摘　要：根据设施温室作物种植灌溉的节水需求，设计了一款基于植物全生育期的智能精量灌溉控制器。

控制器选用高性能ＭＣＵ为核心；采用ＨＭＩ作为系统和用户之间信息交换的桥梁；采用流量传感器控制植物精量灌溉；采用短距离无线通信和ＧＰＲＳ相结合的传输方式在农业物联网架构中充当中间件设备；根据用户需求设计了可供用户选择的３种智能灌溉策略，采用专家辅助决策的知识挖掘技术制定植物全生育期的灌溉处方。

试验表明，系统运行稳定，操作简便，节水效果明显，有较大的推广应用空间。

关键词：全生育期；智能灌溉；物联网中间件 中图分类号：Ｓ１２６；ＴＰ２３ 文献标识码：Ａ收稿日期：２０１６－０１－１９基金项目：天津市农科院院长基金项目（１４００７）；天津市国际合作项目（１４ＲＣＧＦＮＣ００１０１）；天津市科技支撑计划资助项目（１４ＺＣＺＤＮＣ００００５）；天津市科技支撑计划资助项目（１５ＺＣＺＤＮＣ００１２０）。

作者简介：钱春阳（１９８８－），男，助理研究员，硕士，从事农业信息技术应用研究。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｔｊｎｋｙｑｃｙ＠１６３．ｃｏｍ。

通讯作者：王建春（１９７６－），男，高级工程师，硕士，从事农业信息技术与应用研究。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｍｉａｏ１１５＠１２６．ｃｏｍ。

２１世纪水资源正在变成一种宝贵的稀缺资源，水资源问题已不仅仅是资源问题，更是关系到国家经济、社会可持续发展和长治久安的重大战略问题。

资源缺乏，一直是制约我国经济社会发展的重要因素之一。

目前，全市设施种植业达４万ｈｍ２，带动３０多万农民就业。

人工管理成本高、水肥药等资源利用效率低严重制约设施种植业的可持续发展，采用先进的节水灌溉控制技术应用于农业节水灌溉，不仅可以提高资源利用效率、改善生态环境、降低管理成本、提高经济效益，还可以减少频繁的灌溉导致的根层无机氮的大量淋失，减轻不断追肥造成根层氮素失衡的恶性循环，减少频繁灌溉造成的作物养分需求和土壤供应的不同步带来的损失。

对天津乃至全国节水灌溉技术的发展具有重要意义。

１　系统整体设计该智能灌溉控制器作为设施农业物联网中间件设备，位于物联网底层设备感知层和上层应用层之间，是设施农业物联网的核心。

除下达灌溉控制决策外，还兼具数据采集、提取及有效验证，以及预处理数据，统一协议，发送、传输数据等工作。

该智能灌溉控制器以植物全生育期内的需水状况为主要依据，针对植物不同生育期内具体需水状况、灌水频次、土壤水分含量等变量，实施灌溉水的变量投入，形成３种不同的灌溉策略以满足实际的灌溉需要，对作物生产实行非均匀变动管理，从整体上降低物质消耗。

通过利用高性能ＡＲＭ处理芯片和无线通信技术对土壤含水量和灌溉流量等进行检测，并执行灌溉控制决策；采用实时时钟技术判断植物生育期，并实现控制器与ＷＳＮ的同步；采用高性能电源管理芯片，管理系统电能分配；采用ＧＰＲＳ接口实现物联网环境的快速接入和报警；采用触摸屏和组态软件提供人机交互界面，实现参数设置、灌溉处方调用、控制决策下达、灌溉进程监控等功能。

同时也能够为探索新型精量控制策略，真正实现植物全生育期的灌溉标准化和自动化提供基础。

２　智能灌溉控制器硬件设计智能灌溉控制器硬件主要包括ＭＣＵ、电源管理单元、通信单元（无线传输模块和ＧＰＲＳ模块）、灌溉管理单元（ＨＭＩ模块、外部Ｆｌａｓｈ和ＳＤ卡）以及灌溉控制单元（流量检测模块和电磁阀）。

硬件结构如图１所示。

（１）处理器单元。

主控制器采用３２位的ＡＲＭ低功耗微处理器ＳＴＭ３２Ｆ１０３ＲＣＴ６，具有２５Ｋｂｙｔｅ　Ｆｌａｓｈ、４８ＫｂｙｔｅＲＡＭ，工作频率可达７２ＭＨｚ，能够满足该控制器监测与数据处理的需求。

该处理器具有５个异步串行接口，能够同时连接触摸屏单元、ＧＰＲＳ模块、无线传输模块和流量检测模块，还可以扩展ＴＦ卡用于存储数据，适用于设施温室精量智能灌溉控制器多串口应用的需求。

５１１节水灌溉·２０１６年第１１期图１　硬件结构图（２）电源管理单元。

控制器的供电单元设计要满足不同外设的正常工作电压范围，尽量减少不同电压值之间的转换，其中ＭＣＵ工作电压为２．０～３．６Ｖ，无线传输模块工作电压２．１～３．６Ｖ，ＳＯＮＧＬＥ　ＳＤＲ继电器工作电压为５Ｖ，触摸屏工作电压为１２Ｖ，ＧＰＲＳ模块工作电压为９～１２Ｖ。

因此，选用ＸＬ４００５和ＡＳＭ１１１７直流降压芯片，将１２Ｖ输入电压转换成５Ｖ和３．３Ｖ为不同用电设备提供稳定的直流电压。

（３）通信单元。

①无线通信模块。

无线传输单元采用ＳＥＭＴＥＣＨ推出的ＳＸ１２１２超低功耗的单芯片无线芯片，具有频率范围在３００～５１０ＭＨｚ；芯片经过优化具有非常低的接收功耗，典型接收电流为２．６ｍＡ，远小于同类收发器的接收电流；工作电压为２．１～３．６Ｖ，最大发射功率１２．５ｄＢｍ。

采用４种电源管理模式来实现不同形式的节能效果，灵活配置系统工作模式可以降低系统功耗。

兼顾设施温室环境下开发自定义网络通信协议的要求，并能够满足与该设备配套使用的无线传感设备低功耗的使用要求。

无线芯片与ＭＣＵ的ＵＳＡＲＴ２接口连接，实现农业网络架构中底层设备感知层与传输层之间的数据交换。

②ＧＰＲＳ模块。

ＧＰＲＳ模块使用ＳＩＭ９００Ａ芯片，它采用功能强大的ＡＲＭ９２６ＥＪ－Ｓ芯片处理器，属于双频ＧＳＭ／ＧＰＲＳ模块，完全采用ＳＭＴ封装形式，工业标准接口（ＧＰＩＯ、ＳＰＩ、ＣＯＭ口、Ｉ２Ｃ、音频接口等），工作频率为ＧＳＭ／ＧＰＲＳ　９００／１　８００ＭＨｚ，可以低功耗实现语音、ＳＭＳ、数据和传真信息的传输。

ＭＣＵ通过串口使用ＡＴ指令完成数据的传输过程。

ＧＰＲＳ单元与ＭＣＵ的ＵＳＡＲＴ３接口连接，实现与农业物联网架构中传输层与上层应用层的数据交换，并将相关数据定时发送至农业物联网监控平台进行存储和大数据分析。

（４）灌溉管理单元。

ＨＭＩ模块选用具有ＶＧＵＳ系统（一款组态型、用户图形界面设计软件）的ＳＤＷ系列串口触摸屏。

其具有：５６ＫＢ变量存储空间，８通道曲线趋势图存储器，极快（８０ｍｓ）的变量显示响应速度；２５Ｂ存储器空间，支持串口指令读写，用于硬件配置和控制操作；１２８ＭＦｌａｓｈ存储空间，用于存储图片、图标、字库和用户数据库等；单页最多支持６４个显示变量；支持ＵＳＢ在线下载，提高研发调试效率；支持ＳＤ卡脱机下载，用于批量生产，提高生产效率；集成了ＲＴＣ、背光亮度调节、背光自动待机、触控蜂鸣器伴音功能。

触摸屏接口通过电平转换为ＴＴＬ电平，与ＭＣＵ的ＵＳＡＲＴ１接口连接。

外部ＦＬＡＳＨ。

采用Ｗ２５Ｑ６４芯片，具有６４Ｍ位存储空间，分为１２８个块，每块大小为６４ＫＢ，其擦写周期多达１０万次，具有２０ａ的数据保存期限，支持电压为２．７～３．６Ｖ，支持标准ＳＰＩ通信，最大ＳＰＩ时钟可达８０ＭＨｚ。

外部Ｆｌａｓｈ用于存储不同品种植物灌溉处方，通过控制程序可以调用和修改预设处方。

（５）灌溉控制单元。

流量检测单元采用ＹＳＤＣ３２流量显示控制器，通过４８５通讯接口，实现自动抄表，其性能参数：电池电压３．６Ｖ，２　４００ｍＡ；静态电流小于２０μＡ；ＲＳ４８５通讯电源为ＤＣ１２Ｖ，１００ｍＡ；通讯隔离电压为ＤＣ１０００Ｖ；累计流量最小值为０．００１ｍ３，最小流速０．１２ｍ３／ｈ，额定流速６．０ｍ３／ｈ。

采用ＭＯＤＢＵＳ通信协议通过ＳＰ３４８５模块与ＭＣＵ的ＵＡＲＴ４进行连接，选择２４００波特率，无校验，８位数据位和１位停止位。

电磁阀模块选用ＤＣ２４Ｖ－２Ｗ常闭型，工程塑料材质电磁阀，压力范围在０～１ＭＰａ，工作温度为－５～８５℃。

３　控制器软件设计该设备设计了３种不同的灌溉方式，用户可以根据对当地土壤状况、灌水制度的完善程度进行选择，来完成植物全生育期内的精量灌溉。

其中，方式一“定时时间＋水量”：该种方式适用性广泛，结合专家总结的灌溉制度，通过设定起灌时间、灌水量、灌水次数和时间间隔等参数相结合的方式，自动完成灌溉作业；方式二“传感器下限＋水量”：该种灌溉方式采用土壤水分传感器下限值作为起灌条件，结合灌水量，完成灌溉作业，该种方式较前一种方式自动化程度相对较高，但对土壤水分传感器的依赖性较高；方式三“传感器上限＋下限”：该种方式的起灌和停灌节点均由土壤水分传感器来决定，该种灌溉方式自动化程度最高，但要求传感器能够充当具有稳定和可靠的数据来源，同时设定的上下限阈值需要通过专业人员长期总结不同植物在整个生育期的灌溉规律，是实现节水灌溉的最高级形式，也是今后一段时间内需要进一步探索和研究的方向。

３．１　ＨＭＩ软件设计流程系统中ＨＭＩ主要负责信息显示及信息输入功能，其中信息显示主要包括灌溉状态显示及传感器数据显示；信息输入主要包括植物全生育期内灌溉参数录入及菜单的触控选择，ＨＭＩ软件设计流程如图２所示。

其中变量规划是通过规划ＶＧＵＳ屏的５６ＫＢ变量存储空间和外部Ｆｌａｓｈ相对应，实现灌溉参数非易失性存储，满足存储作物灌溉处方的要求。

现以“品种１”、“定时时间＋水量”灌溉方式中参数设定界面为例，包含应灌水量（２Ｂ）、应灌次数（２Ｂ）、时间间隔（２Ｂ）、生育期开始时间（４Ｂ）、灌溉开始时间（４Ｂ），预留参数（２Ｂ），共预设５个生育期（定值期、缓苗期、结果初期、结果盛期、结果后期），因此使用触摸屏内变量存储地址为０ｘ０２０１～０ｘ０２２８共８０字节，所对应的外部Ｆｌａｓｈ存储地址为５１３－５９２，其他品种及对应的灌溉方式的存储地址分配方式与此相同。

图２　ＨＭＩ开发流程３．２　控制器软件流程控制器ＭＣＵ程序设计采用ｋｅｉｌ　ｕＶｉｓｉｏｎ４ＩＤＥ开发环境，其中流量传感器数据是影响灌溉精度和节水效果的重要参数，设定其具最高优先级，当系统启动灌溉后开始定时采集，根据其额定流速设定采集周期为１ｍｉｎ；其中环境传感数据作为设施温室灌溉及病虫害发生等的重要依据，设定其对应的接收中断响应具有次高级优先级，数据上传周期设定为３０ｍｉｎ一次，经过实践证明将采集周期设定为３０ｍｉｎ或１ｈ一次，能够正常的反应温室内环境变化情况，同时又可以大大降低传感设备自身功耗；ＨＭＩ模块主要负责前期的参数设置和后台的数据显示任务，将其优先级设为最低，以保证其他外设正常抢占中断。

系统启动后，首先进行系统及外设的初始化，记录初始时间和流量数据，系统ＲＴＣ与触摸屏ＲＴＣ每２４ｈ同步一次，用于统一时钟并更新当前所处生育期。

同时开启总中断，侦听各串口接收中断、解析和数据处理并执行对应任务。

设备工作流程如图３所示。

图３　设备软件工作流程用户通过ＨＭＩ模块完成人机交互，并开启一次新的灌溉，操作流程如下：①选择灌溉方式（“定时时间＋水量”方式；“传感器下限＋水量”方式；“传感器上限＋下限”方式）；②选择品种（设备默认存储４个不同品种的灌溉处方）；③点击“修改参数”按钮，输入用户权限密码；④通过用户权限验证后，进入选定灌溉方式、品种的参数修改页面，输入处方参数，点击确认返回监测主界面；⑤点击“启动灌溉”按钮，系统根据设定程序启动选定品种按照选定灌溉方式进行灌溉；⑥点击“临时补灌”按钮，增加临时灌溉方案。