基于Zigbee的多节点管道喷雾压力控制系统研究

吴伟锋，洪添胜，代秋芳，宋淑然，李 震

(1.华南农业大学 南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州 510642；2.国家柑橘产业技术体系机械化研究室，广州 510642；3.广东省山地果园机械创新工程技术研究中心，广州 510642；4.华南农业大学 a.工程学院；b.电子工程学院，广州 510642)

0 引言

我国多山地果园，往往采用低矮密植型种植模式，移动式喷雾机械很难进入。许多果农仍采用背负式喷雾机进行喷药作业，劳动强度大，效率低[1-3]。落后的施药设备和技术造成了农产品中农药残留超标、环境污染等问题[4-6]。管道喷药技术自20世纪80年代中期引入我国后，因其无需机具在果园中移动、省工省能、喷药速度快、投资少及效益高等优点而发展迅速[7-10]。管道喷雾依靠药液泵形成的较高压力，将药液在喷头处进行雾化并施向靶标，可多点同时喷雾[11]；但管道内药液压力随作业人数不同而波动，同时药液在管道中流动会有压力损失[12]，导致管网内药液压力各不相同，因此压力成为影响管道喷雾效果的最重要的因素之一[13-15]。

喷雾压力的改变会对喷雾量、喷雾角、雾滴参数和雾滴谱产生影响，从而影响喷雾效果[16-21]。为了使得出药口的压力稳定，宋淑然[22]等研发了基于微机的管道恒压喷雾控制装置，提出自整定PID控制[23]，可有效解决压力不稳定的问题；但是，该系统仅控制水泵出药口压力，不能使管道中每个出药口压力达到最优。为此，本文设计了基于ZigBee的管道喷雾多点药液压力控制系统，对整个喷雾管网的压力进行了有效的控制，提高了喷雾效果，为喷头选型、管道喷雾控制装置的优化提供了一定的参考。

1 系统整体设计

喷雾支管根据果园面积，安装N个ZigBee无线压力发送节点，泵房安装1个控制箱，控制箱包括单片机主控制器、ZigBee无线接收模块、辅助电源、按键模块及显示模块。其中，ZigBee无线接收模块采取广播模式，用于接收无线压力发送节点发送过来的数据。节点处压力传感器监测出药口的压力值，通过信号转换电路，传输给ZigBee无线模块，所有的无线压力发送节点把数据传输给无线压力接收模块。无线压力接收模块接收N个无线压力发送节点传输过来的压力值，经过运算，实时调节变频器的频率值，从而保证管道压力稳定。系统框图如图1所示，ZigBee无线压力发送节点系统框图如图2所示。

系统主要有以下功能：实时监测喷雾支管出药口压力值，无线压力发送节点分别监测各自出药口出的压力值，传输给无线接收模块，求平均值，控制系统将平均值作为PID算法的输入值，调节电机转动的频率，使得支管道中的压力稳定在设定工作压力误差范围内。

图1 系统框图

图2 Zigbee无线压力发送节点系统框图

各种模块作用如下：

1)单片机主控模块：完成各种信号的处理和控制协调各单元模块的工作。

2)无线压力发送节点模块：喷雾支管上N个节点分别监测出药口的压力值，并把压力值传输给ZigBee无线接收模块。

3)ZigBee无线接收模块：负责接收无线压力发送节点传输过来的压力值，并进行数据的处理。

2 硬件设计

2.1 节点硬件电路

节点采用致远电子的ZM5161P2-2C型号的ZigBee模块，基于NXPJN5168芯片开发的低功耗、高性能型ZigBee模块，它提供一个完整的基于IEEE802.15.4标准ISM(2.4～2.5GHz)频段的应用集成方案。采用FastZigBee协议，可快速应用于工业控制、工业数据采集、农业控制、矿区人员定位、智能家居及智能遥控器等场合。

节点采用直流3.3V供电，有4路ADC、6路IO口、1个串口，本地网络地址范围为0x0000～0xFFFF，目标网络地址为0x0000～0xFFFF，通道号为CH11～26，可设定为广播模式或单播模式。该模块主要参数如表1所示。

表1 ZigBee模块主要参数

系统节点号分别设定为2001～2001+N-1，设定为广播模式，在通常情况下节点处于休眠状态。当ZigBee无线接收模块(节点号2010，采用广播模式)向无线压力发送节点发送读取ADC值的命令(如DEDFEFD7200100)，无线压力发送节点就会向无线压力接收模块返回该节点的ADC值。

无线压力发送节点的硬件电路如图3所示。采用PTB203S压力传感器监测出药口的压力值，压力传感器采用10～36VDC供电，输出4～20mA电流信号。由于ZigBee模块的参考电压为2.47V，硬件电路需并联一个120Ω的电阻，以防止最大电压超过模块参考电压。将电流信号转换为电压信号，单向TVS管可抑制压力传感器启动时的瞬间电流，以防止击穿ZigBee模块。ZigBee模块的ADC1监测压力传感器的值，最后通过串口将ADC1的值传输给无线压力接收模块。

图3 无线发送节点硬件电路

2.2 控制箱硬件电路

控制箱部分包括单片机主控电路、OLED显示电路、ZigBee无线接收电路和外部按键电路。

2.2.1 单片机主控电路

单片机主控电路由单片机最小系统和变频器控制电路组成。

1)单片机最小系统。单片机最小系统包括电源电路、晶振电路及复位电路。其中，单片机采用基于ARM Cortex-M3内核STM32F103CBT6芯片，时钟频率达到72MHz，其各引脚对应连接关系及意义如表2所示。

表2 单片机各引脚对应连接

2)变频器控制电路。在无线压力接收模块接收到无线压力发送节点的数据后，由数字信号转换为模拟信号，求平均值。经过PID算法处理，平均值作为输入信号，设定工作压力为目标值，得出实时的频率值，通过变频控制电路传输给变频器，其电路如图4所示。电路采用MAX485芯片，单片机的串口接485芯片的串口接口，由A、B两相进行输出。

图4 变频器控制电路

2.2.2 ZigBee无线接收电路

ZigBee无线接收电路在工作过程中，先分别向节点发送读取ADC值的命令，无线压力发送节点就会向无线压力接口模块返回该节点的ADC值。

ZigBee无线接收电路如图5所示。其由3.3VDC供电，串口连接单片机的串口2，当接收到无线压力发送节点返回的ADC值时，就将ADC值传输给单片机。

图5 ZigBee无线接收电路Fig.5 ZigBee wireless receiver circuit

2.2.3外部按键电路

控制箱主要有4个按键，分别是电源按键、启动停止按键、模式选择按键及升压降压按键。

电源按键采用正泰的自锁按键，用来控制电路板上面的电源。按下时，给电路板供电，系统可以正常工作；弹开时，电路板断电，系统不能启动。启动停止按键控制系统的启动和停止，模式选择按键用来选择系统工作模式。该系统有打药和灌溉2种工作模式，本文主要介绍打药工作模式。升压降压按键用来设定极限压力和工作压力，采用的是洪波数字式编码波段开关，共有24个档位，可循环旋转。

2.2.4 OLED显示电路

OLED显示电路采用SPI协议的6脚OLED液晶屏显示模块，系统采用模拟SPI协议，将各个节点的压力值、平均值显示在OLED显示屏上。硬件电路如图6所示。

图6 OLED硬件电路

3 软件设计

系统软件部分主要包括主程序、压力设定子程序、ADC处理子程序、频率调节子程序及显示子程序。

3.1 主程序

管道药液多点压力控制系统软件流程图如图7所示。程序首先选择系统的工作模式，打药模式下，设定管道极限压力值、工作压力值；启动系统，每2s无线压力接收模块向各个无线压力发送节点发送读取压力值的命令，包含各个无线压力发送节点的节点号；无线压力发送节点接收到无线压力接收模块发来的指令后，向无线压力接收节点发送自身监测到的数值；无线压力接收模块接收到数据后求平均值，作为PID算法的输入值，经过PID算法进行计算，得出输出值，得到实时的压力值；通过变频器控制电路向变频器发送指令，实时改变变频器的频率，进而控制变频电机的频率，改变水泵的转速及管道中的压力值，使得管道中的压力值慢慢的趋近于设定的工作压力值。

3.2 压力设定子程序

压力设定子程序用于设定管道中的极限压力值和工作压力值，设定压力每次调节的幅度为±0.1MPa。

3.3 ZigBee无线压力接收模块处理子程序

ZigBee无线压力接收模块处理子程序为中断服务处理程序，用来检测节点传来的ADC值，一旦节点接收到数据即向单片机发送中断服务请求信号。若USART_IT_RXNE有效，则设置接收到数据标志位data_received为1，同时关闭中断响应并等待。

3.4 频率处理子程序

频率处理子程序用来实时调节变频器的频率，当平均压力小于设定工作压力时，系统通过变频器控制电路增加变频器的频率；反之，系统减小变频器的频率。

图7 管道药液多节点压力控制系统软件流程图

4 田间试验

4.1 试验方法

在华南农业大学国家柑橘产业技术体系试验基地的果园进行田间试验，选取2条喷雾支管进行试验，节点间距为10m，每条喷雾支管安装4个节点，共8个节点；离泵房近的一条支管道分别为节点1～4，离泵房较远的支管道分别为节点5～8。试验介质为常温清水，泵房离喷雾支管的距离分别为20、40m。每次试验时先进行单节点系统的试验，再进行多节点系统的试验，设定工作压力范围为0.6～1.6MPa，记录两种喷雾方式下的压力分布情况，试验重复3次。

4.2 试验结果与分析

单节点系统的试验结果如表3所示，多节点系统的试验结果如表4所示。

表3 单节点系统的试验结果

续表3

表4 多节点系统的试验结果

通常采用式(1)计算各个节点相对于设定工作压力的偏离程度，定义为节点压力方差；采用式(2)计算相对于设定工作压力的相对偏离程度，定义为压力吻合度。

节点压力方差表达式为

(1)

式中Pi—每个节点的压力值(MPa)；

P0—设定工作压力值(MPa)；

N—节点的个数。

压力吻合度表达式为

(2)

P0—设定工作压力值(MPa)。

单节点系统节点压力方差为0.050～0.31，压力吻合度为62.67%～65.93%；多节点系统节点压力方差为0.000 70～0.003 5，压力吻合度为98.29%～99.85%。多节点系统相对于单节点系统，各个节点的压力都会更接近于设定工作压力，说明多节点系统相对于单节点系统，可显著提高喷雾支管压力值。

5 结论

1)多节点系统采用32位的STM32单片机作为主控芯片，多个无线压力发送节点用于监测喷雾支管出药口的压力值。该系统可以实现实时调节喷雾支管压力的功能，从而实现各出药口的平均压力与设定工作压力保持一致(误差为±5%)。

2)系统采用的ZigBee模块传输距离为2km，发射功率为+20dbm，传输距离远，发射功率大，适合山地果园复杂的地形，满足试验的要求。

3)对单节点系统和多节点系统进行对比试验，结果表明：单节点系统节点压力方差为0.050～0.31，压力吻合度为62.67%～65.93%；多节点系统节点压力方差为0.000 70～0.003 5，压力吻合度为98.29%～99.85%。研究结果表明：相对于单节点系统，多节点系统可显著提高各节点压力与设定工作压力的吻合度，从而提高喷雾效果。