基于DTMF技术的农田节水灌溉远程自动控制系统开发

黄景剑郑崇宁雷兴谊吴新成梁兆新

（1.广西柳源农业发展有限公司，广西 柳州 545000；2.柳州市农机局，广西 柳州 545026；3.柳州市农机推广站，广西 柳州 545006；4.南宁市厚诚科技有限公司，广西 南宁 530031；5.广西蔗糖产业协同创新中心，广西 南宁 530003）

基于DTMF技术的农田节水灌溉远程自动控制系统开发

黄景剑1，5郑崇宁2雷兴谊3吴新成4梁兆新1，5

（1.广西柳源农业发展有限公司，广西 柳州 545000；2.柳州市农机局，广西 柳州 545026；3.柳州市农机推广站，广西 柳州 545006；4.南宁市厚诚科技有限公司，广西 南宁 530031；5.广西蔗糖产业协同创新中心，广西 南宁 530003）

文章阐述国内外田节水灌溉采用监控的种类、技术现状及存在的不足，研发基于DTMF技术的农田节水灌溉远程自动控制系统，并开展系统基于DTMF技术的硬件、软件设计研究，系统通过实际使用表明；设计合理、开发周期短、运行稳定、节水效果明显，既减轻了工作人员的劳动强度，又提高了自动化管理水平，相比较比人工管理效率提高8倍以上，具有较高的实用和推广价值。

DTMF；灌溉；远程；自动；系统；设计；应用

长期以来，农田节水灌溉多采用有线监控的方法，其本身存在的局限性逐渐凸显出来。有线监控要求有专门的布线，而且容易受到雷电、农机作业、地下动物的损坏，可靠性低，维护成本高。相比于有线控制，无线控制方法具有防雷性强、可靠性高、施工维护成本低等优点，目前大多数远程控制精准化实时灌溉系统通过手机短信或者专用数据线路控制灌溉，成本高，数据流量低, 维护困难[1]。鉴于此，本研究提出一种利用无线电台、DTMF技术的农田节水灌溉远程控制系统，控制范围半径可达5公里左右，具有适用性好、成本低、可靠性高的特点[2]，满足了远程控制精准化灌溉系统中的需要。

1 双音多频（DTMF）技术

双音多频(DTMF)是在通信中实现电话号码快速传输的一种可靠技术，它以其很强的抗干扰能力和较高的传输速度广泛用于电话通信系统和数据通信系统。这种技术是用两个特定的单音频组合信号来代表数字信号以实现其功能的一种编码技术。信号对传链路的质量要求较低，且不会出现错号的现象。一般在控制系统中有10个数字键和6个功能键*、#、A、B、C、D。在信号的传输过程中，需要信号的发送方将要发送的号码转换成一对双音多频信号送至线路传输，信号的接收方需要将接收到的双音多频信号还原成控制数据信号进行识别，从而达到控制目的。

2 系统主要硬件构成

2.1 DTMF无线通信

无线服务器与田间控制器、数据采集器之间的数据通信时基于DTMF技术的无线远程通信，DTMF即双音多频，具有易识别、抗干扰能力强、传输数据量小等优点，本系统采用MITEL公司的MT8880芯片来编解码DTMF信号。MT8880具有与微控制器相连的数据总线接口，可直接由单片机控制，内部包含5个寄存器，由引脚RSI和R／W进行选择，MT8880与单片机接口如图1所示。

图1 MT8880与单片机接口

DTMF信号由TONE脚输出，IN-脚输入，R2／R1的值决定内部接收运放的放大倍数，比值越大接收灵敏度越高。电阻R4和电容C2的值影响接收数据的稳定性，D0～D3数据口输出锁存器的更新时间与（R4·C2）的值成正比，若（R4·C2）的值偏小会导致 DTMF信号解码后数据抖动，造成接收错误。

MT8888系列是为实现低功耗、高性能而专门设计的定点DSP芯片[3]，MT8880具有6种工作模式，由内部控制寄存器CRA、CRB进行切换。当同时工作在DTMF发送模式和突发模式时，MT8880向外发送持续（51± 2）ms的DTMF信号；当工作在DTMF接收模式时，通过读取MT8880内部状态寄存器SR的D2位判断接收数据是否有效，并由D0～D3送入解码后的数据；当同时工作在呼叫处理模式和中断模式时，MT8880通过IN-脚检测忙音信号，并由IRQ／CP脚输出同频率的方波供单片机识别。

2.2 单片机控制单元

本系统由于硬件模块较多，软件设计需要大量数据和运算，决定其需要一款存储空间较大的单片机，这里采用STC公司的STC89C52单片机。STC89C52单片机是采用通用8051内核的增强型51单片机，指令代码与传统51单片机完全兼容；含8K Flash程序存储空间，可充分满足空间需求；32个双向输入/输出通用I/O口；6个中断源支持2层中断嵌套；内部自带看门狗和EEPROM；特别方便的是通过串行口可直接下载程序，无需专用编程器和仿真器，大大降低开发成本。单片机程序主要包括与上位机软件的通信、MT8880的控制、阀门驱动等功能的实现。程序开始时首先对系统进行初始化，主要是对中断、变量和标志位等进行定义、设置以及ROM指令的读取。初始化完毕后进入运行状态，需要时刻监控DTMF信号和通信标志。当系统接收到有效的DTMF信号时即进入指令对比流程，随时根据指令要求进行阀门开闭、状态查询、故障检测和数据采集。

2.3 硬件结构特点

系统模块化设计，可以根据用户需要灵活组合和功能增减，软件界面根据实际竣工图制作，软件界面上控制器、阀门、数据采集器的位置与实际地块位置对应，操作直观、维护简便，控制器采用“防呆”设计，各接头一一对应，接错插不进去，无需专门人员安装和操作，一般农民经过简单培训后就可以现场安装和使用，首部电脑对各控制器和数据采集器的状态进行实时跟踪，有故障自动告警，用户自行更换故障模块，不需要技术人员现场服务，模块先更换后维修，不耽误用户使用。各田间控制器还可以作为数据再生中继器，对无线信号进行中转和接力，可以无限扩大无线通信的距离，从而解决了无线控制受距离影响的难题。

3 系统控制软件设计

3.1 控制面板

软件视图（图2）根据项目实际竣工图制作，图上每一个编号代表一个阀门，绿色表示阀门处于开启状态、红色代表阀门处于关闭状态，黄色代表阀门通信故障。

阀门可以分区管理也可以单个开启或关闭，阀门编号由用户根据喜好或使用习惯自行定义。

图2 软件视图

3.2 视图控制

视图控制（图3）是指直接在地图上选择要控制的阀门，当选择“按灌区选择设备”时，只要选择灌区中的一个阀门其整个灌区的所有阀门都会被选上，然后对所选择的阀门作“开阀”或“关阀”控制，在“施肥情况”栏输入肥料使用情况，将会一并记录数据库，供日后查询和报表生成。

图3 视图控制

3.3 参数面板

参数面板（图4）主要用于新增阀门的录入和阀门控制关系的设置。

图4 参数面板

3.4 列表视图

列表视图（图5）主要是以表格的形式来显示阀门工作状态，和工作记录。

图5 列表视图

3.5 历史视图

历史视图（图6）主要用于历史数据查询和各种报表生成，主要生成的报表有：各阀门或轮灌区阀门开启时间，施肥数据统计等。

图6 历史视图

4 结束语

本系统设计已制作为实际电路，各模块经调试后均能正常工作。实际使用结果表明，系统可由操作者发出指令码控制田间阀门开闭。该系统主要是针对农业田间灌溉的实际需求设计，功耗低、抗干扰、防雷击、可靠性高，功能实用。

本系统已成功地应用于柳州市桂中农场思源公司甘蔗“双高”基地设施农业智能化信息管理系统建设高效节水灌溉示范项目中。系统经过实施对面积1520亩甘蔗地共8次24天自动定时地埋滴水灌溉运行证明：设计合理、开发周期短、运行稳定、节水效果明显，既减轻了工作人员的劳动强度，又提高了自动化管理水平，相比较比人工管理效率提高 8倍以上，具有较高的实用和推广价值。

[1] 宋培卿,陆昊,胡钢.节水灌溉远程控制系统的结构及其通信设计[J].河海大学常州分校学报,2003,17(2):59-63.

[2] 郭旭,魏加元.基于DTMF信号的数据传输技术[J].工矿自动化,2004(4):27-29.

[3] 杨峰,柳永胜,殷小贡.新型DTM F信号收/ 发芯片MT8888及其应用[J].现代电子技术,2001(1):89-91.

Development of remote automatic control system for water saving irrigation based on DTMF technology

In this paper, introduce the type of intelligence remote control system for water saving irrigation at home and abroad、technologies and its existing problems, research and development of remote automatic control system for water saving irrigation based on DTMF technology, and development the hardware for the system based on the DTMF technology、software design research. Through the actual use of instructions : design reasonable, short development cycle, stable operation, water saving effect is obvious, it not only reduces the labor intensity, but also improves the level of automation management, compared to more than 8 times the efficiency of labor management, and has a high practical and promotional value.

DTMF; irrigation; long-range; automatic; system; design; application

S274;TP13

A

1008-1151(2016)07-0106-03

2016-06-13

柳州市2014年农业设施资金（农机项目）计划（柳农机计〔2014〕4号）；广西科学研究与技术开发计划（桂科重12118002-1）。

黄景剑（1961－），男，广西柳源农业发展有限公司高级工程师，从事农业机械化研究、推广应用。