基于PLCC的茶园灌溉自动控制系统设计

（陕西理工学院 电气工程学院，汉中 723000）

茶树生长所需水分在自然条件下主要靠降水供给，我国茶叶产区降水量时空分布极不均匀，多数茶叶产区存在伏旱和秋旱现象，为减少这些现象对茶树生长、茶叶品质、茶叶产量的影响，必须及时对茶园进行补充性灌溉[1]。节水灌溉是实现茶园补充性灌溉的有效手段。目前节水灌溉方式较多，控制的通信方式基本集中在RS-485通信以及无线网络[2-4]。RS-485网络布线存在布线多、施工难和成本高的问题，无线通信又存在通信距离短、电源供电以及抗干扰能力差等问题，如果利用运营商的无线网络还存在长期维护的费用问题。

电力线载波通信PLCC（power line carrier communication），是利用电力线作为信号的传输媒介，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术[5]。具有信息传输稳定可靠、无需重新布线、节约系统成本且使用方便等特点，广泛应用于电力网远程抄表系统及电力网智能化改造系统中[6]。近年来随着物联网的发展，电力线载波通信在智能家居以及智能控制等领域发挥了重要作用。本研究以校园旁的茶园为试验田，通过采用PLCC技术，实时采集茶园土壤湿度、空气温度，开发了一套茶园灌溉控制系统，测试取得了满意的控制效果。

1 硬件设计

根据地形环境铺设灌溉管道设施以及喷头电磁阀和传感器等提供电能的低压电力线缆，通过电力线载波通信技术进行各个模块以及总控制站之间的信息传递。各个节点将监测到的现场数据传至主机（PC机）中的数据中心，数据中心以数据库方式后台存储和管理数据。同时主机中的软件算法对收集到的灌溉及环境参数进行分析、决策，最后将控制命令发布给各个相应的PLCC从站，达到控制目的。

1.1 网络拓扑结构的设计

根据田地以及管道铺设的特点，田间作物一般呈直线分布，因此总线型拓扑结构比较适合，如图1所示。考虑到田间操作的安全性以及传感器、执行器的供电方便，电力线的电压通过变压器降压至24 V。组网时各个节点均位于1个变压器二次侧内。

图1 节水灌溉自动控制系统总方案框图Fig.1 Diagram of the water saving irrigation automatic control system for total solution

系统分为主模块和从模块，各个模块通过24 V交流电力线相连。主模块是网络中的根节点，位于控制室内，主机是1个PC机，其和PLCC通过串口线相连。从模块均位于田间现场，从机是1个单片机，其和PLCC通过串口线相连。主机和从机采用主从式多机通信方式。

1.2 节点的功能设计

主模块和从模块中的PLCC选用宏讯电子提供的 HL-PLC电力线载波模块，其主芯片型号是HLPLCS520F。HL-PLC电力线载波模块采用频移键控FSK（frequency shift keying）通讯方式，又称数字频率调制，该通信方式是用数字信号去调制载波的频率，其主要优点是容易实现、抗噪声与抗衰减的性能好。软件采用基于超模糊集的模糊算法，经典模糊集的隶属函数值本身是一个确定的值，很难将不确定因素直接模型化表示出来，而超模糊集的每个隶属函数值本身是一个模糊集合，可以很容易地描述不确定因素。厂家给出的测试结果表明，模块HLPLC即使传输信号被干扰或丢失达40%，也能准确还原出原载波信号，通讯稳定，抗干扰能力超强。HLPLC载波中心频率72 k，其可以在过零发送模式和正常发送模式间自由切换，正常模式发送，载波线上有效数据速率可达5360 b/s；过零模式发送，载波线上数据速率为800 b/s。串口通讯速率1200 b/s、2400 b/s、4800 b/s、9600 b/s可选，偶校验和无校验可选，模块采用全透明传输方式，无字符长度限制。

主模块中电源管理模块给PLCC提供电源支持，如图2所示。电源管理模块通过全桥整流，然后再通过稳压芯片 7812提供12 V电压给PLCC。

图2 主模块结构Fig.2 Main module structure

图3 从模块结构Fig.3 Slave module structure

从模块属于末梢节点，如图3所示。从机是一个单片机，型号采用STC900C516RD+，该单片机不需要专用的编程器和烧录器，可通过串口线进行程序下载。从机收集来自田间现场的水分量信号以及温度信号，并将此信号通过PLCC模块传送至主机，主机根据整体情况进行判断，如需灌溉则将命令信号通过PLCC送回从机，从机输出阀门信号给驱动器，驱动器驱动喷头电磁阀门进行灌溉，当达到所需水分时关闭电磁阀门。

水分传感器采用RHD-100型，探针长度55 mm，探针为不锈钢材质，直径3 mm，工作电压5～12 V，测量主频100 MHz，输出电压信号0～2 V。因其测量范围较小（半径为10 cm的范围内），故在1个节点中使用了4个水分传感器，其分布方式可以采用正方形4个顶角位置的方法。

水分传感器采集到的信号是模拟信号，其需要模数转换后才能发送给单片机。模数转换器采用多路模数转换芯片MAX186，MAX186是一个12位8通道单端/4通道差分模拟输入ADC，其最高采样频率可达130 kHz，具有高通过率、低功耗、高精度等特性。水分模拟信号以差分输入方式输入给MAX186。

电磁阀采用FNSLP10，驱动电压DC24 V，为防止驱动电路对单片机的影响，其间加入了光耦隔离TP521，驱动电路的保护使用快速恢复二极管FR304。

温度传感器采用DS18B20，这种传感器采用单总线结构，直接将采集的信号以数字量的形式输出，省去了模数转换器。

2 软件设计

主机为位于控制室内的监控PC机，其在整个系统运行中起着至关重要的作用。系统基于Visual Basic 6.0开发，利用Visual Basic的SQL数据库，将采集到的数据存放到数据库中。主机管理功能框图如图4所示，功能分为4个部分：采集控制、参数设置、数据管理以及登陆管理。

图4 主机管理功能框图Fig.4 Host management function block diagram

系统的手动采集以及阀门的手动控制功能主要是作为测试用，正常工作处于自动采集，其采集的时间间隔可由控制参数进行设置，最短为3 min，最长为1 h。植物水分阈值设置可以根据不同作物进行不同的阈值设置。控制参数中可以设置采集的定时时间以及报警阈值设置。当系统正常工作时，从机采集现场温度及水分信息并将数据通过串口和PLCC通信的方式发送给主机。如果主机检测到的土壤水分值小于或等于植物水分阈值设置的下限，主机将启动阀门的命令通过串口通讯和PLCC通讯的方式发给从机进行阀门控制。除此之外，为了避免从机的数据干扰和误动作，主机会每隔3 min给从机发送阈值参数、定时参数以及阀门的控制命令。

3 测试

测试地点为校园旁的茶园。茶园中安装固定式喷灌系统，采用摇臂式旋转喷头，射程10 m，试验灌区为2个，每个灌区水分传感器采用正方形分布，位置离中心喷头为3 m，温度传感器和其中的一个水分传感器安放在一起。HL-PLC电力线载波模块设定为过零模式发送，通信速率设为1200 b/s。

为了验证数据传输的可靠性，对水分传感器RHD-100采集并传输到主机中的水分信号和已标定的土壤水分进行了对比，标定设备为TSC-IV型土壤水分检测仪。测试时，2种水分检测设备检测同一点的水分，采用手动采集方式，对比的结果如表1所示。

表1 水分信号采集数据及误差Tab.1 Moisture signal gathering data and error

从表1可看出RHD-100传感器采集并通过电力线载波模块传送到主机的数据和标定的TSC-IV型水分测试仪测得的水分数据比较接近，其误差在5%以内，满足灌溉设计要求。系统的通信距离经测试，在1200 b/s的波特率下可以达到近300 m的距离。为了验证长期运行效果，将系统信号采集时间间隔设为10 min，经过一周的测试，系统运行良好。

4 结语

为达到茶园补充灌溉目的，本文将以往用于电力系统远程抄表的电力线载波通信技术用于节水灌溉的远程控制，设计了一套基于电力线载波模块通信的喷灌控制系统，系统以主控室的主机为核心，以主从通信的多机通信模式对现场信号进行了远程采集及控制，最后对系统进行了测试，数据传输误差率低，设备运行可靠、稳定。系统的控制距离达到了近300 m，如果需要更远距离的控制，有2种思路，一是增加中继器，二是进一步完善通信协议，这也是下一步的工作任务。本文提出的控制方法不仅达到了茶园补充灌溉自动控制的目的，同时给节水灌溉控制系统提供了新的思路。系统不仅达到了控制目的，节约了水资源，同时节约了大量通信电缆，具有很好的应用价值。

[1] 韩安太，何勇，陈志强，等.基于无线传感器网络的茶园分布式灌溉控制系统[J].农业机械学报，2011，42（9）：173-179.

[2] 薛岩，张建锋，李鹏宇，等.基于需水模型的精细灌溉控制系统软件设计[J].计算机工程与设计，2014，35（9）：360-364.

[3] 贾艳玲，朱瑜红，刘思远.基于无线传感网络的枸杞园智能灌溉系统设计[J].湖北农业科学，2014，53（23）：255-258.

[4] 李野，董守田，黄丹丹.基于ZigBee技术的水稻自动灌溉控制系统设计[J].农机化研究，2015（2）：226-229.

[5] 戚佳金，陈雪萍，刘晓胜.低压电力线载波通信技术研究进展[J].电网技术，2010，34（5）：161-172.

[6] 徐伟，王斌，姜元建.低压电力线载波通信技术在用电信息采集系统中的应用[J].电测与仪表，2010，47（7A）：44-47.