自动灌溉控制器设计与实现

曲 颂，刘玉敏，宋 博，钱治丞，佟志勇,赵 冰，*

(1.黑龙江大学 电子工程学院，哈尔滨 150080;2.平度市自然资源局，山东 平度 266700;3.黑龙江省军区，哈尔滨 150001)

0 引 言

近年来国内灌溉控制技术有所发展，目前常见的灌溉控制器普遍存在操作不便、控制面积小、功能性单一等问题，需人工手动操作，操作人员需要多次往返于各个灌区间手动开关电磁阀门，人力成本高，不便进行大规模的农事管理活动。随着土地流转工作的推进，农田灌区面积越来越广，在灌区面积较大的情况下需要多个灌溉控制器同时工作，在灌溉控制器的管理方面增加了新的难度[1-2]。

本文设计了一款以STM32为核心的自动灌溉控制器，实现远程数据监测和灌溉控制，采用有线和无线相结合的数据传输方式,为进行大规模的农事管理活动提供稳定的数据传输，可将土壤湿度控制在用户预设的范围之内，为灌区作物提供一个良好的土壤湿度环境，促进作物生长，并提高水资源的利用率，降低人力成本，实现节水灌溉的效果。试验分析表明，该控制器运行稳定，具有良好的灌溉控制效果。

1 灌溉控制器主要结构

自动灌溉控制器主要包括主控端、中继节点、手持控制端和采集控制端4部分，见图1。由图1可见，4部分均以STM32单片机为控制核心并将所有功能集成于同一电路板中。

图1 自动灌溉控制器结构Fig.1 Structure automatic irrigation controller

主控端负责与物联网平台之间的数据交互，采用NB-IoT(Narrow Band Internet of Things)通讯方式依据MQTT(Message Queuing Telemetry Transport)协议与物联网平台建立连接，用户可在物联网平台中查看环境数据，并实现远程的控制灌溉[3-4]。此外可通过本地显示模块显示当前灌区的环境状况，利用按键进行灌溉控制。当灌区面积较大时，使用中继节点来进行数据中继，提供稳定的数据传输。中继节点的传输方案采用基于LoRa(Long Range Radio)无线技术和POWERBUS有线技术相结合的传输方式，适应多种复杂环境[5-6]。当灌区作物密集度较低、无较多遮挡物时，例如小麦、水稻等大田作物，对无线信号的传输没有较大影响，采用LoRa无线传输方式，电力成本低且无须布线；当灌区种植苹果树、黑松等大型树木时，枝叶对于无线信号传输造成较大影响，此时采用POWERBUS有线传输的方式，可极大降低信号传输过程中的不稳定性[7-8]。

手持控制端为用户提供一种便携式的勘察和控制节点，能够显示灌区的主要环境参数信息以及使用按键来进行灌溉控制。采集控制端进行环境数据的采集和灌溉控制，其中土壤湿度传感器通过RS485总线与STM32连接，通过Modbus-Rtu协议进行数据采集[9-10]，将采集到的土壤湿度数据作为依据进行自发的灌溉决策，当土壤湿度低于系统中预设的范围时，开始灌溉;当土壤湿度高于预设范围时，停止灌溉，并上传一次土壤湿度过高警告，将土壤湿度维持在预设的范围之内，为灌区作物提供良好的土壤湿度环境。

2 控制器硬件设计

2.1 控制核心设计

自动灌溉控制器的主机端、中继节点、采集控制端和手持控制端的功能均集成与同一电路板，采用STM32F103RCT6芯片为控制核心，主控核心原理见图2。该芯片具有低成本、低功耗、处理速度快、资源丰富等特点，内置5个串口，可与NB-IoT物联网模块、LoRa、POWERBUS、RS485进行通讯，方便同时与多个外设进行数据交换，并且具有3组内置SPI(Serial Peripheral Interface)串行总线，连接SD(Secure Digital)储存卡，可将采集到的环境数据和继电器开关日志存放于SD卡中，以防止网络环境差时发生数据丢失的情况[11-12]。

图2 灌溉控制器主控核心原理Fig.2 Mininum system of main control core of irrigation controller

根据灌溉控制器的功能，对控制器主控核心的GPIO(General-purpose input/output)资源进行分配，各引脚定义和功能介绍见表1。

表1 GPIO分配表Table 1 GPIO distribution table

2.2 外围电路设计

电源模块。为方便灌溉控制器在灌区中长时间持续工作，灌溉控制器采用太阳能供电的方式。电源模块由太阳能充电电路和稳压电路组成，其中太阳能充电电路采用对蓄电池进行激活修复的功能的UC3909芯片，对蓄电池进行充电管理。稳压电路采用AMS1117-3.3 V稳压芯片为蓄电池的输入电压进行调节，经过电容整流滤波后可以为灌溉控制器提供稳定纯净的电源，保障控制器的持续正常工作。

传输模块。针对灌区面积大、环境多样的特点，设计了基于LoRa无线传输和POWERBUS有线传输相结合的数据中继方式。其中LoRa核心电路采用SX1278射频IC(Integrated Circuit)作为LoRa调制的芯片方案，SX1278支持低功耗，并能够在低功耗状态时实现超远距离的信号传输[13]。LoRa射频电路部分采用PE4259射频开关来控制收发，实现支路分离。在发射端部分利用电感电容组成匹配电路加一个声表面滤波器，进入射频开关，接收端用电感电容匹配电路，在射频开关后添加3阶的π型滤波器，不仅在谐波的去除上发挥作用，而且能够消除接收到的干扰信号。

针对灌区中无线信号传输受阻时的情况采用POWERBUS有线传输方案，POWERBUS属于低压直流载波供电总线芯片，由PB620主站发送数据，PB331从站接收数据，从而完成数据的有线传输。PB620主站的CONH引脚控制外围器件从而实现发逻辑“1”，使用CONL引脚控制外围器件从而实现发逻辑“0”，COMN引脚通过控制LM317AL实现恒流源输出，ANA、ANV引脚配合外围器件实现回码控制。总线传输的信号经过全桥整流实现无极性布线，方便现场施工，通过电阻分压后进入PB331芯片的PI引脚进行解调，PO引脚通过电流信号回传主站通信。

继电器驱动电路。继电器在灌溉控制中起着至关重要的作用，使用电路板上搭载的继电器，连接电磁阀可进行灌溉控制。本文选取NPN晶体管来驱动继电器。当需要闭合继电器进行灌溉时，晶体管的基极所连接的GPIO口输出高电平，当基极接收到高电平且注入的电流足够大时，三极管就会导通并进入饱和状态，集电极的电流也随之增大，从而在集电极电阻上产生了一个压降，使集电极电平拉低，继电器线圈通电，从而产生电磁效应，致使触点吸合；当晶体管基极被输入低电平时，晶体管截止，继电器线圈断电，触点随之断开。

3 灌溉控制器程序设计

在灌溉控制器的传感器数据采集中，使用Modbus-Rtu通信协议实现对各个传感器从机的访问[14]。Modbus-Rtu协议采用主机问询、从机应答的模式，其中主机问询帧结构见表2。主机问询发起完毕之后，切换到接收模式，接收传感器从机返回的数据帧，从机应答帧结构见表3。

表2 请求帧格式定义Table 2 Format definition of request frames

表3 应答帧格式定义Table 3 Format definition of response frames

在采集程序设计中，主机以轮询的方式向从机发起问询，使用STM32内置定时器设计定时器中断，轮询1次/s，前0.5 s主机发起问询，后0.5 s处理从机返回的数据。上电后默认发送模式，主机主动向传感器从机发起问询，问询完成之后RS485切换到接收模式接收传感器从机的回复，解析应答帧中数据区的数据后得到实际参数值，最后重新返回进行问询参数的设置，更改地址码执行问询下一个传感器从机的问询，以此循环完成对每个传感器的访问，数据采集流程见图3。

图3 数据采集流程Fig.3 Data collection process

灌溉控制器获取到土壤湿度值后，将土壤湿度值与系统中预设的土壤湿度范围进行比较，进行自主的灌溉决策，之后继续采集土壤湿度数据。若土壤湿度低于预设范围下限，说明农作物目前正处于缺水状态，此时做出闭合继电器、开始灌溉的决策，继电器闭合后，传感器继续采集土壤湿度值；当土壤湿度值达到预设范围上限时，说明此时土壤水分含量过高，灌溉控制器此时做出断开继电器，停止灌溉的决策。若发生土壤湿度值超过预设范围上限的状况，则主动上传过涝警告，提示用户注意水涝灾害，流程见图4。通过自动控制灌溉，将土壤湿度维持在预设的范围内，为作物提供一个良好的土壤湿度条件。

图4 自主灌溉决策流程Fig.4 Autonomous irrigation decision-making process

4 实验验证与分析

以黑龙江省绥化市某试验田进行灌溉控制实验，对自动灌溉控制器的控制效果进行测试和分析，见图5。为了方便安装与测试，将传感器埋置地表以下10～20 cm深度的土壤中，传感器埋置完毕之后连接到采集控制端的485总线上，继电器连接电磁阀，相关工作准备完毕后进行测试。

图5 现场设备图Fig.5 Site construction drawing

通过自发的灌溉决策可将土壤湿度维持在用户预设的范围内，针对此项功能进行测试。为方便测试与观察，设定适宜作物生长的土壤湿度为65%～70%，灌溉控制器初始化之后每10 min采集一次土壤湿度数据，选取24 h采集到的数据进行统计，并将湿度数据绘制成曲线，见图6。

图6 土壤湿度变化曲线Fig.6 Change curve of soil moisture content

由图6可见，最开始采集到的土壤湿度数据为40%，低于预设范围下限65%，灌溉控制器此时自动做出闭合继电器、开始灌溉的决策，此后土壤湿度开始明显上升，当土壤湿度值超过70%时，灌溉控制器做出断开继电器、停止灌溉的决策，土壤湿度开始缓慢降低。随着时间的推移，当土壤湿度低于65%，继电器再次闭合并开始灌溉，从变化曲线中观察到土壤湿度开始回升，在24 h内的土壤湿度均维持在65%～70%。

测试结果符合预期，能够根据用户需求，将灌区的土壤湿度控制在预设的范围之内，使灌区作物能够及时得到水分补给，为灌区作物提供一个良好的土壤湿度环境，促进作物增产增收；另外达到节水灌溉的效果，减少灌溉过程中劳动力的成本和水资源的浪费。

5 结 论

本文设计了一种基于STM32的自动灌溉控制器，相比于传统灌溉方式具有人力成本低、传输稳定等优势，实现远程的环境监测和灌溉控制功能，可将土壤湿度维持在预设的范围之内，解决了传统的灌溉方式中存在的环境参数不可视、数据传输不稳定、灌溉施水量不合理、人力成本高以及仅凭人为经验判断灌溉等问题，为灌区作物提供一个稳定的土壤湿度环境。通过实验验证了该灌溉控制器在灌溉方面具有良好的控制效果，成本低且有一定的市场推广价值。