温室分区多时段灌溉控制系统_蔡吉晨.pdf

p温室分区多时段灌溉控制系统蔡 吉晨1， 2， 3， 4， 杨 硕1， 2， 3， 4， 王 秀2， 3， 4 1． 中 国农业大学 信息与电气工程学院 ， 北京 100083; 2． 国家农业智能装备工程技术研究中心 ， 北京100097; 3． 农业部农业信息技术重点实验室 ， 北京 100097; 4． 农业智能装备技术北京市重点实验室 ， 北京100097摘 要 针对温室植物分区种植 、多时段和定量滴灌管理的问题 ， 设计了一种温室分区多时段定量灌溉控制系统 ， 参数设置界面 、中心处理单元和各末端控制单元组成 。其中 ， 参数设置界面设置各分区总流量和各时段信息 ， 与中心处理单元经串口进行交互 ; 中心处理单元解析各数据 ， 通过电台无线数传模块搭建无线局域网络 ; 各末端控制单元接收指令 ， 实现温室各分区定时 、定量滴灌的目的 。温室试验结果表明 该系统有效的通讯范围为25m， 温室滴灌量控制准确率为 92 ， 能够达到温室分区灌溉的要求 。关键词 分区灌溉 ; 温室管理 ; 局域网络 ; 流量控制中图分类号 S625．3 文献标识码 A 文章编号 1003 －188X 2019 01 －0085 －050 引 言温室管理作为 温室产业的关键环节 ， 已由大劳动力投入转向为自动化 、智能化控制 ， 实现光照 、温度 、水分和二氧化碳浓度等植物生长所需的人为控制 ， 增加了农作物的产量 ， 改变了农作物的产季 ， 提高了经济效益 。温室水肥灌溉是温室管理的重要组成部分 ，主要包括温室环境监控系统［ 1 －5］、灌 溉决策系统［ 6 －7］和水肥实时执行系统［ 8 －9］。水肥实时执行 系统主要解决施用方法 、施用量和施用时间的问题 。大面积温室的出现 ， 远距离有线铺设不仅浪费材料 ， 也增加了温室投入成本 ， 使无线控制成为主流 ; 分区种植 、分区灌溉的出现 ， 为温室单体构建局域无线通讯网络提出了新的问题 ; 统一时段大量灌溉 ， 受植物吸收能力限制 ， 造成水肥浪费 ， 不利于具有针对性的水肥灌溉方法的实施 。温室水肥实时执行系统在实际应用中仍有待完善 。针对以上问题 ， 为解决具有分区种植特点的温室水肥灌溉问题 ， 采用多时段 、分区灌溉方法 ， 搭建温室单体无线控制局域网络 ， 采用模块化的设计思路 ， 设计了一种温室分区多时段灌溉执行系统 ， 具有易于推广和扩展的特点 。收 稿日期 2017 －09 －01基金项目 北京市农业科技项目 20170112作者简介 蔡吉晨 1989 － ， 男 ， 山 东邹城人 ， 博士研究生 ， E － mailcaijichen foxmail． com。通 讯作者 王 秀 1968 － ， 男 ， 河 北万全人 ， 研究员 ， 博士生导师 ， E－ mail wangx nercita． org． cn。1 系 统方案设计1．1 系 统总体方案本系统主要由参数设置界面 、中心处理单元和各末端控制单元组成 ， 如图 1 所示 。图 1 系 统总体方案示意图Fig． 1 The structure of the system overall scheme参数设置界面主要进行分区流量值设置和开启时间 设定 ， 通过 232 接口与中心处理单元进行通讯 ， 中心处理单元通过 232 接口连接 GW － YL － 100IL 型电台数传模块 。该电台数传模块采用无线电台进行传输 ， 具有收发一体 、半双工及数据收发转换自动完成的功能 ， 其配置工作频率为 433MHz， 串口传输速率为582019 年 1 月 农 机 化 研 究 第 1 期DOI10.13427/ki.njyi.2019.01.0149 600bps， 信 道速率为 9 600bps， 电台数传模块采用透传的方式传输 ， 可任意扩展接收节点 ， 增强了系统的可扩展性 。末端控制单元通过接收电台数传模块传输的数据 ， 解析出对应的启动时间和灌溉量信息 ， 对应温室各分区实现水肥灌溉 。1．2 参数设置界面参数设置界面主要具有系统时间显示 、文本输入 、按钮输入和数据传输接口功能 。本系统选择的系统参数设置界面为 DC80600B080_03WK_ＲTC 型串口触摸屏 ， 以 Cortex － M3 和高速 FPGA 双处理器为核心 ， 具有如按钮 、文本 、系统时间等常用组件控件 ， 通过串口与 MCU 进行交互 。触摸屏应用电路如图 2 所示 。每触发一次组态控件事件 ， 串口屏通过配置将会通过串口发送相应的 16 进制指令 ， 也可通过 MCU 串口发送相应的指令触发相应的事件 ， 以利于 MCU 与触摸屏之间的交互实现 。图 2 触摸屏应用电路Fig．2 Application circuit of the touch screen1．3 中 心处理单元中心处理单元主要由 STC12C5A60S2 单片机 、TTL 转串口模块参数设置界面及电台数传模块组成 ，如图 3 所示 。为适应温室内供电环境 ， 采用 220V 转DC5V 开关电源为单片机系统供电 。STC12C5A60S2单片机集成双串口 ， 单片机通过 UAＲT1 经 TTL 转 232模块 ， 通过 232 交叉串口线与串口触摸屏进行交互 ，获取参数设定信息 ， 通过 UAＲT2 经 TTL 转 232 模块与电台数传模块通讯 ， 用于将各设定值发送给末端控制单元 。1．4 末端控制单元末端控制单元主要由 STC12C5A60S2 单片机 、电台数传模块 、流量传感器 、固态继电器模块和电磁阀等构成 ， 如图 4 所示 。整个末端控制单元由 AC220V开关电源供电 ， 该开关电源选用具有 DC12V 和 DC5V双电压输出的功能 ， DC12V 为滴灌管路专用电磁阀供电 ， DC5V 为 MCU 系统及电台数传模块供电 。MCU 通过电台数传模块接收的启动指令和流量设定值 ， 打开GTD － W －5A 型固态继电器模块 ， 打开滴灌管路专用电磁阀 ， 通过 USC － HS43TB 型流量传感器记录流量信息至流量设定值后 ， 从而关闭电磁阀 ， 切断管路通道 ， 停止滴灌 。图 3 中心处理单元硬件示意图Fig．3 The hardware structure of the center unit图 4 末端控制单元硬件示意图Fig．4 The hardware structure of the terminal control unit2 控制系统软件设计2．1 参数设置界面设计参 数设置界面采用 Visual TFT 组态编程环境编写 ， 主要由流量设置界面 见图 5 和时间设置界面 见图 6 组成 。流量设置界面主要由分片 以 8 个分区为例 流量设置文本框 、启动按钮和时间设置界面切换按钮构成 。中心处理单元 MCU 可以读取对应流量设置文本框的 ID 号码解析出各区流量设置值 ; 通过读取启动按钮的事件触发指令对末端控制单元发出启动 、停止指令及各文本框参数信息 ; 通过时间设置界面切换按钮实现时间设置界面的切换 。时间设置界面主要由时间输入文本框 以 4 个时间段为例 、系统时间显示和启动 /禁用时间段设置按钮组成 。由于该组态软件中未设置时间输入专用文本框功能 ， 本682019 年 1 月 农 机 化 研 究 第 1 期文 通过两个文本框组合 ， 即 HH 0 ～ 24 和 MM 0 ～60 进行以 24h 制为参考的启动时间设置 ， 中心处理单元 MCU 通过比对读取系统时间数值与时间输入文本框的数值向末端控制单元发送启动 /停止指令 ; 启动 /禁用按钮用于设置该启动时间是否处于工作状态 ， 将启动时间段设置在 1 ～4 个之间灵活变化 。图 5 流量设置界面图Fig．5 The chart of flow setting interface图 6 时 间设置界面Fig．6 he chart of time setting interface2．2 中 心处理程序中心处理程序主要完成与参数设置界面进行数据交互和发送指令至末端执行程序两部分功能 。为了保证数据传输的可靠性 ， 分别通过 UAＲT1 和 UAＲT2来实现参数设置界面和末端执行程序之间的数据传输 ， 中心处理程序的程序流程图如图 7 所示 。图 7 中心处理程序流程图Fig．7 The flow chart of central processing782019 年 1 月 农 机 化 研 究 第 1 期程 序开始后 ， 首先对串口 UAＲT1、UAＲT2 和定时中断等参数进行初始化 ， 串口 1 打开后 ， UAＲT1 中断程序开始等待接收指令 ， 当串口触摸屏触发事件向中心 MCU 发出指令后 ， 首先将接收到的数据存入暂存数组 ， 进行完整性判断 ， 当接收到一条完整的数据后 ，通过结构体预定义函数 ， 执行对应的子程序 。执行的子程序主要有流量设置文本框子程序 、时间设置文本框子程序 、系统时间设置子程序 、程序启动 /停止事件和时间段启动 /禁用事件子程序 。在流量设置子程序中根据文本框的 ID 号码区分出对应的文本框位置 ，提取出文本框数值 ， 同时将流量设置数值嵌入到字符“ Flowa， 0000． 0， ”的第 7 ～12 位中 ， 对应 1 ～8 个分区 ， 字符串第 5 位分别对应字符 a ～ h， 并将该字符串发送至 UAＲT2 进行发送 。当至少启动一个时间设置启动 /禁用按钮后 ， 系统定时向 UAＲT1 发送读取系统时间的指令 ， 获取系统时间后 ， 将 16 进制系统时间数据截取出 HH 和 MM 信息 ， 转换为整型与时间设置文本框子程序中接收到的 HH 和 MM 信息进行对比 ， 当二者相等时 ， 发送打开电磁阀指令 “ KEYON”至UAＲT2。当系统启动按钮事件发生后 ， MCU 间隔200ms 向 UAＲT1 发送读取各文本框 、按钮指令 ， 发送完成后 ， UAＲT1 接收到各文本框和按钮数据 ， 并将各数据暂存入 UAＲT2 发送数组中进行依次发送 ， 以保证系统每次启动时向电台数传模块发送最新的设置参数信息 。工作结束后 ， 当按下系统停止按钮后 ， 发送关闭电磁阀指令字符串 “ KEYOF”， 停止工作 。2．3 末端执行程序末端执行程序主要完成接受启动 /停止系统指令 、接收对应分区流量设置信息 、进行流量统计计数及开关滴灌管路电磁阀的功能 ， 程序流程图如图 8 所示 。初始化串口打开后 ， 开始接收指令 ， 根据数据前 6位指令差异 ， 进行指令判别 ; 确定指令后 ， 继续接收指令字符串 ， 将对应指令标志位置 1， 跳出串口程序 。主程序中判断各子程序入口标志位是否为 1， 当流量截取指令表位为 1 时 ， 截取第 7 ～12 位数值 ， 得到流量设定值 ， 并存入流量设置变量 ; 接收到 “ KEYON”指令后 ， 打开外部中断 0 入口 ， 启动电磁阀 。外部中断 0 入口打开 ， 等待中断响应 ， 获得流量传感器的流量脉冲信号 ， 计数值 Spray_Count ， 根据试验测定流量累计数值为 250Pulse/L， 每 100mL 计数 1 次 ， 计数值Spray_100ml ， 由于流量设定值为带 1 位小数的数值 ， 通过将流量设定值 x10 转换为整数进行比较 ; 当到达流量设定值后 ， 关闭电磁阀 ， 同时将各计数值清零 ，关闭外部中断 。接收到 “ KEYOF”指令后 ， 系统会强制将电磁阀关闭 。同时 ， 将各计数值清零 ， 关闭外部中断 0， 作为急停开关指令使用 。图 8 末端执行程序流程图Fig．8 The flow chart of the terminal control processing3 系 统试验本系统主要用 于温室内分区灌溉 ， 关键控制参数包括有效通讯距离 、通讯准确率及管路流量的控制精度 。有效通讯距离测试中 ， 试验地点为北京市农林科学院小汤山试验基地温室大棚 长 51m， 宽 8m 内进行 ， 每个通讯距离重复 100 次试验 ， 接连发送字符串长度为 112 个 ， 对数据完整性进行判定 。试验测定结果表明 通讯距离为 30m， 通讯准确率为 80 ; 通讯距离为 25m， 通讯准确率为 100。管路流量控制精度测试 ， 在温室管路中工作压力为 0． 2MPa， 经标定流量传感器参数为 34． 2Pulse/100mL， 测量 10 组数据 见图 9 ， 在 设定 1 000mL 下 ，882019 年 1 月 农 机 化 研 究 第 1 期管路总流量平均值为 1 087mL， 流量控制精度为 92。图 9 管路流量控制 精度试验结果Fig．8 The results of pipeline flow control accuracy test4 结 论1 基于电台无线传输模块 ， 设计了一种温室分区多时段灌溉控制 系统 ， 能够实现管路流量设置及分时段无线控制 。该系统采用模块化的封装设计 ， 利于安装和推广 。2 该系统设计并实现了多流量值 、多时段参数设置 ， 利用文本框组合的形式构建了 24h 制以分钟计时 、串口屏时间设置的方法 ， 以及串口数据交互程序 ，使系统应用局域网络工作可靠 。3 试验结果表明 该系统有效通讯距离为 25m，通讯准确率为 100 ， 对大面积温室 60 ～ 100m2 单体 进行组网时 ， 通过设置中转收发站实现大面积温室内数据传输 ; 管路流量准确率为 92 ， 标准差为 15．52mL， 说明管路流量控制具有较好的稳定性 ， 可满足滴灌管路流量控制的农业应用要求 。参考文献 ［ 1］ 王 嘉宁 ， 牛新涛 ， 徐子明 ， 等 ． 基于无线传感器网络的温室 CO2浓 度监控系统 ［ J］ ． 农业机械学报 ， 2017， 48 7 280 －285， 367．［ 2］ 许 朋 ， 孙通 ， 冯国坤 ， 等 ． 基于 STM32 的智能温室无线监控系统设计 ［ J］ ． 农机化研究 ， 2015， 37 3 87 －90．［ 3］ 余 良俊 ， 汪小志 ， 刘志刚 ， 等 ． 基于 AＲM 与 ZigBee 的温室环境无线监控系统设计 ［ J］ ． 农机化研究 ， 2015， 37 7 97 －100．［ 4］ 邹 伟 ， 王秀 ， 周建军 ， 等 ． 温室环境无线远程监控系统的设计 ［ J］ ． 中国农机化学报 ， 2013， 34 5 251 －255．［ 5］ 战 美 ， 刘春红 ， 位耀光 ， 等 ． 基于模糊控制的温室温湿度无线智能监控系统 ［ J］ ． 农业工程 ， 2013 3 47 －50．［ 6］ 张 伟民 ， 王亚林 ． 基于嵌入式 Web 的无线传感温室监控系统设计 ［ J］ ． 农机化研究 ， 2013， 35 8 125 －127， 131．［ 7］ 胡 瑾 ， 樊宏攀 ， 张海辉 ， 等 ． 基于无线传感器网络的温室光环境调控系统设计 ［ J］ ． 农业工程学报 ， 2014， 30 4 160 －167．［ 8］ 李 友丽 ， 郭文忠 ， 赵倩 ， 等 ． 基于水分 、电导率传感器的黄瓜有机栽培灌溉决策研究 ［ J］ ． 农业机械学报 ， 2017， 48 6 263 －270．［ 9］ 刘 红艳 ， 张明伟 ， 魏纯 ． 基于 AＲM 和 STM32 的树苗无线灌水智能控制系统设计 ［ J］ ． 农机化研究 ， 2017， 39 1 132 －136．Greenhouse Zonal Multi － period Irrigation Control SystemCai Jichen1 ， 2 ， 3 ， 4， Yang Shuo1 ， 2， 3， 4， Wang Xiu2， 3， 4 1． College of Ination and Electrical Engineering， China Agricultural University， Beijing 100083， China; 2． BeijingＲesearch Center of Intelligent Equipment for Agriculture， Beijing 100097， China; 3． Key Laboratory of Agri － inat-ics， Ministry of Agriculture， Beijing 100081， China; 4． Beijing Key Laboratory of Intelligent Equipment Technology forAgriculture， Beijing 100097， ChinaAbstract To solve the problem of zonal planting， multi － period and quantitative irrigation of the greenhouse manage-ment， a control system which could multi － period and quantitative irrigation according to the zonal was designed． Thesystem was consists of a parameter interface， a central processing unit and terminal control units． The parameter interfaceinteracts with the central processing unit through serial port for setting total flow per zone and time period ination．The central processing unit analyzed data． The wireless local area network was set up by wireless data transmission mod-ule of radio station， and the terminal control units received instructions and realized the purpose of zonal， multi － periodand quantitative irrigation． Greenhouse test results show that the effective communication distance is 25m， and the accu-racy of controlling irrigation in greenhouse is 92 ， which could satisfy the requirement of zonal irrigation in greenhouse．Key words zonal irrigation; greenhouse management; local area network; flow control982019 年 1 月 农 机 化 研 究 第 1 期/p