智能灌溉无线阀门控制器的设计方法与研究

赵天图，马 蓉，刘南江，郑玉玲

(石河子大学机械电气工程学院，新疆 石河子 832000)

0 引 言

目前我国用水需求增大，水资源日益紧缺，农业灌溉用水量占用水比例最多。自动灌溉系统具有节约用水的功能，随着节水灌溉技术的推广和完善，农业灌溉控制技术逐步得到应用。虽然我国的自动滴灌系统处于应用和完善阶段，但是灌溉控制设备大多是在国外进口，价格也是非常昂贵，现有的自动灌溉系统，在安装、维护、扩容等问题上存在许多问题[1-4]。

因此，自主开发低成本的灌溉阀门控制器用于农业灌溉系统有着重要意义。开发低成本太阳能供电的反馈控制器应用到灌溉系统，控制器采用土壤水分测量来控制施加到每个特定管理区的水的量，并与其他控制器进行通信测量系统的液压压力[5-7]。结果表明，该方法能效的维持根部附近的土壤水量尽可能达到管理允许的亏缺滴灌程度。采用先进的电子计算机控制和无线传输技术，设计了一种用于节水灌溉的精密灌溉控制系统。开发一种基于GSM网络的新的自动智能灌溉控制器，它可以接收来自PC和移动GSM的信息，通过无线通信控制阀[8-10]。

许多灌溉调度方法已经发展了多年，但是由于受到生产成本、安装时间、维护和复杂的决策等原因。一种无线智能阀门控制器，用于特定地点的管理和操作，无线灌溉控制系统相比之前的灌溉控制系统易于安装和维护。因此，这些问题的一个潜在的解决方案是设计一个全面的无线自动化灌溉控制系统。无线自动化灌溉控制器可以实现变量灌溉，以优化产量和最大限度地提高不同土壤特性或作物需水量变化时水分利用效率。

本研究的目的是为了更好地解决农业灌溉需求，开发和测试一个自主的，低成本，无线智能灌溉控制系统。

1 无线智能滴灌控制系统的整体结构

综合农业生产需要和借鉴国外的研究经验，在图1中显示了无线智能灌溉控制系统的整体系结构。该系统由无线传感器网络和远程监控中心组成。无线传感器监测网络由无线信息采集节点和灌溉控制节点分布于灌溉现场，远程控制中心通过路由节点发送数据采集和阀门控制的命令。无线传感器监测网络采用星型拓扑结构，终端节点的路由方式由路由节点到汇聚节点，终端节点的路由方式由路由节点到汇聚节点，然后汇聚节点将信息通过GPRS传送到无线接入点并RS232控制计算机接收信息。远程控制中心实现了信息采集、远程控制、参数设置、智能报警等功能。

该系统通过远程无线网络监控中心对土壤信息与气象参数实时监控，远程控制中心自动对信息数据进行分析，控制电磁阀的开启或关闭。根据科学的精准灌溉模式，系统实现了水资源的可持续利用和自动灌溉。

图1 无线灌溉控制系统的整体设计Fig.1 Wireless irrigation control system of the overall design

2 灌溉阀控制器系统描述

通常在灌溉之前要考虑到灌溉区域的土壤特性、作物需水量和安装滴灌控制系统需要的经济成本。在各灌溉管理地区上安装了一个无线的综合灌溉控制系统，以监测土壤温度、湿度和气象参数，保证实现节水灌溉的目的。

在这项研究中将阀门控制器设计成在每个单独的控制单元之间均可实现无线自主工作，每个控制器都由电池供电，土壤水分测定通过远程控制中心定期的采集分析实施滴灌决策。用于测量和灌溉决策的所有控制器的实时时钟是同步的。

测量和灌溉决策之后，远程控制中心向阀门控制器发送信号，在灌溉系统中的每一个被编程的控制器在接收到远程控制信号时自动打开相应的电池阀门并开启继电器升压驱动单元。各控制器将相应电池阀门开闭状态存储，通过状态反馈装置发送到远程控制中心。

2.1 控制器硬件

无线智能阀门控制器是无线灌溉控制节点的核心，采用模块化的硬件。阀门控制器由控制模块、电源模块、无线通信模块、继电器升压驱动模块、状态反馈模块等组成。本研究开发的无线智能阀门控制器硬件框图如图2所示。选择了电子设备、芯片、C8051F410单片机来满足控制器的低功耗、低成本的要求。

控制模块的子部件是由包括复位电路、实时时钟、串行通信接口、IO扩展，模数(A/D)采集、FLASH存储器、接口电路的单片机。C8051F410每个灌溉控制器控制4个电磁阀。

图2 无线阀门控制器结构图Fig.2 wireless valve controller structure diagram

2.1.1 控制模块

控制模块的核心采用C8051F410单片机，在单片机上通过串口协议集成了Jennic公司的JN5139芯片，基于低成本、处理器速度、低功耗需求、快速软件开发、容易集成和定制电路等特点，选择了C8051F410单片机与JN5139芯片，该芯片是IEEE802.15.4和ZigBee低成本低功耗微控制器,它集成了32位RISC处理器,完全兼容的2.4 GHz IEEE802.15.4收发器，很好地解决了C8051F410单片机Zigbee通讯问题。硬件控制模块(如图3所示，引脚功能如表1所示)。

表1 控制器引脚功能介绍Tab.1 Controller pin function introduction

该控制器接口电路可支持4路模拟输入，控制4路输出功率。一个控制器可以支持双向脉冲电磁阀开闭和两组土壤水分传感器。控制器扩展闪存。数据和程序存储在非易失性存储器中，以防止发生故障时发生的损失，用户可以下载记录的数据来分析系统性能。硬件控制模块如图3所示。

图3 控制器系统图Fig.3 Diagram of the system controller

2.1.2 电源模块

经过对灌溉区控制器电源考虑，控制器采用普通电池供电，用两个1.5 V电池作为输入源提供一个稳定的输出电压。电源模块包含极性保护电路和电压调节电路。极性保护电路包括肖特基二极管和去耦电容器。电压调节器电路采用电压调节芯片，保证输出电压稳定，以确保系统在灌溉期正常工作。

2.1.3 无线通讯模块

Zigbee是一种双向短距离无线通信技术，具有不复杂、低功耗、自组网能力。其完整的协议栈只有32 KB，可以嵌入各种设备中，同时支持地理定位。这是一个协议规范开发的小型设备无线网络，是IEEE无线网络协议族的一部分，有一个非常完整的层次结构。

无线通信模块由低功率射频芯片与典型的外部电路相结合，通过单片机接口与控制模块通信，完成无线收发功能，减少了传统无线运营成本。

2.1.4 继电器模块

在休眠模式下，继电器升压驱动装置是关闭的。一旦控制器接收到阀门驱动的控制信号，它可以驱动继电器升压模块，通过继电器电路中的低功率升压芯片将输入电压升高至用于电磁阀5～24 V工作电压，发送驱动脉冲控制电池阀门。最后，每个控制器将相应的阀门状态反馈信息存储在状态反馈模块和发送到远程控制中心。

阀门控制器采用3 V电池为动力，基于Zigbee协议，等待远程控制命令。它可以驱动继电器升压驱动单元控制阀。单片机实时采集状态反馈信息能够传送到远程控制中心。该控制器支持多个脉冲电磁阀，方便地安装和操作。

2.2 控制器软件

控制器工作状态有4种：初始状态、任务查询状态、任务执行状态、睡眠状态。(如图4所示)在无线阀控制器进入初始状态，微控制器完成硬件的初始化，包括端口初始化，系统时钟初始化，变量初始化等，然后控制器开始测试一个更高级别的控制信号，驱动它进入任务查询状态。如果无线通信模块检测到执行信号，微控制器将进一步确定任务的类型，例如，阀门控制，状态检测，参数设置，然后进入任务执行状态。如果没有检测到任务，控制器进入休眠状态。它会通过软件定时自动唤醒，然后检查控制信号，并进入到任务查询状态(程序流程图如图5所示)。它包含一个主回路和若干子程序，如阀门控制、状态检测、参数设定，使单片机执行以下任务：初始化硬件，包括端口初始化，看门狗初始化，系统时钟初始化，变量初始化；在同一网络中注册路由节点，报告设备信息；要求上级任务；查询任务，接收远程控制命令;处理远程命令以确定任务类型, 执行任务; 存储控制信息,时间，控制器内存中的阀门状态；从远程控制中心接收控制命令以驱动灌溉阀。

图4 特定状态转换图Fig.4 Diagram of specific state transition

图5 控制器程序流程图Fig.5 Flow diagram of controller program

2.3 灌溉阀控制器测试

测量阀门控制器的性能，一个电阻电路是用来串联连接的控制器(如图6所示)。该电路是由电池供电。使用一个小电阻，电路上的电阻可以忽略不计的能量。用示波器测量了电阻的电压，在串联电路中可获得电流值，计算出阀门控制器的能耗。

图6 用于计算阀门控制器能耗的电阻电路Fig.6 Resistor circuit used to calculate the valve controller energy consumption

阀门控制器在运行过程中包括初始状态、任务查询状态、任务执行状态和睡眠状态。为了便于分析，上述条件分为工作和睡眠状态。利用该方程可以计算出有效的消费量:

pw=Iw×Tw

(1)

Iw是有功电流，Tw是阀门控制器的工作时间。平均有功电流Iwa可以由以下方程得到:

(2)

在Ts是睡眠时间。同样，平均睡眠电流Isa可以计算公式：

(3)

在Is是休眠电流。Iwa平均有功电流之间的关系，Isa平均睡眠电流和平均电流Iav如下：

Iav=Iwa+Isa

(4)

因此，在一天中Pwa消耗是每小时乘以每天24 h的平均电流消耗，计算公式可以得到：

Pwa=Iav×24

(5)

通过对某一天在不同状态下的阀门装置的能耗分析，我们估计实际工作时间如下。

天:

(6)

月:

(7)

3 结果与讨论

通过实验对控制器的性能进行了评价，为了验证硬件和软件的充分运作，以及在根区的实际基础上，对控制器进行了测试，在实验室模拟一个特定地点的灌溉系统。我们选择了其中一个数据来分析它的消耗。

3.1 系统硬件和软件的性能

控制器的硬件和软件设计完成所有任务。从控制器下载的数据显示，灌溉控制系统不断测量设备参数和状态信息，并在需要时打开或关闭电磁阀无故障。

3.2 工作和睡眠状态下的消耗

使用普通电池功率阀控制器，约1 200 mAh，具体测试结果如下。

阀控器在工作和睡眠状态下的功率消耗电流如表2所示，工作电流 范围是20～140 mA之间, 工作电流大多数时间里是50 mA，睡眠电流0.3 mA，总工作时间为114 ms。

表2阀控器在主动和睡眠状态下的功率消耗电流
Tab.2Valvecontrollerpowerconsumptioncurrentinactiveandsleepstate

Iw/mATw/msPw/(mA·s)Is/mA10．00020．00040．00070．00040．000140．00060．000140．00050．0002．52．01．51．52．52．03．51．0100．00．0250．0400．0600．1050．1000．2800．2100．1405．0000．3000．3000．3000．3000．3000．3000．3000．3000．300

3.3 平均能耗和工作时间

由于睡眠时间是由软件设置，不同的睡眠时间程序将影响能源消耗，我们测试在不同的情况下的不同平均电流，我们可以进一步计算在工作中灌溉控制器可以无需外部充电的天数。

表3显示控制器的平均能耗和工作时间，程序中的睡眠时间 是默认的。表中列出了10 s到10 min的睡眠时间。平均能耗可以按不同时间计算。从表2可以看出，睡眠时间越长，控制器可以工作的时间越长。此外，研究结果表明，1 200 mAh电池足以维持灌溉期。灌溉控制器的性能是令人满意的，2电池能够保证灌溉控制器在正常灌溉期工作。如果休眠时间为10 min以上，控制器在根区的实际应用中是有效的。

4 结 论

这种无线智能灌溉阀门控制器系统开发和测试。该控制器被证明是可靠的并且在无线实践中有效，带有控制单元的无线智能阀门控制器，结合低功耗微处理器芯片和一个由电池供电的外部电路，接收来自远程控制中心的控制命令，执行任务，如信息采集、远程控制、参数设置、状态反馈，而阀门控制的任务必须由继电器升压驱动单元驱动。无线通信模块中所反映的无线收发功能，该阀门控制器可以广泛应用于不同的灌溉区域。

表3 控制器平均能耗和工作时间Tab.3 Controller average energy consumption and the working duration

无线智能阀门控制器充分考虑了应用领域的能量，根据用户需求设置采集/控制频率。增加太阳能充电装置，以保证控制器的供电是下一步的研究工作。无线智能阀门控制器结构简单，维护方便，成本低，具有良好的应用前景。

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