自组网型高效节能节水灌溉控制系统设计

李柏林，刘白杨，陈嘉伟，程 钢

（邵阳学院，电气工程系，湖南邵阳，422000）

自组网型高效节能节水灌溉控制系统设计

李柏林，刘白杨，陈嘉伟，程 钢

（邵阳学院，电气工程系，湖南邵阳，422000）

针对目前我国存在农业灌溉水资源浪费严重、耗电量大的问题，设计了一套基于STM32自组网型高效节能节水灌溉控制系统，本系统采用太阳能光伏供电、无线组网和气象数据分析等技术，缓解了农业灌溉用电需求紧张的局面，扩大了环境检测范围，通过制定精细化灌溉方案，实现了高效节能节水的目的。实验结果表明，太阳能供电稳定可靠，系统运行功耗低，组网灵活可靠，数据监测范围广，实时获取气象数据，有效地降低了用电量和用水量，提高了灌溉效率。因此在经济欠发达、水资源短缺和电能供应不足的地区本系统具有广阔的应用前景。

农业灌溉；天气预测；光伏发电；自组网

0　引言

我国虽然是一个人口大国，人口众多，但是资源稀缺。在灌溉用水方面，南北、东西资源不协调，干旱的自然灾害多，缺水严重，比如说我过的淡水的总量只占了全球的百分之六，人口总量却是全球的五分之一，所以我国是全球人均水资源最贫乏的国家之一。总量不多，再除去偏远地区的和分散的水资源，可以利用的总量就更少了，仅为我国总量的二分之一不到。而我国农业还不是集中化的管理，所以用水量很大，灌溉效率低，整体用水非常浪费。

在灌溉用电方面，每年灌溉期，农业负荷季节性增长较快，严峻考验着电网运行及主设备负载能力，给电网的安全可靠供电带来很大压力。如何在春夏季灌溉高峰期保证农业负荷用电，不误农时，是目前研究的一个热点问题之一。

可见，高效节能节水灌溉系统对于节约水资源、缓解供电紧张局面具有重要的现实意义。鉴于此设计一套自组网型高效节能节水灌溉控制系统，采用太阳能光伏供电系统，对土壤和空气环境进行实时检测，各检测点之间自动组网，数据无线传输，扩大检测范围，并结合气象预测数据对灌溉实施决策，从真正意义上实现综合高效节能节水农业灌溉，根据农作物生长的不同阶段使其处于最佳的土壤湿度环境之中，提高农作物产量的同时节省水资源。

1　总体设计

本系统采用太阳能光伏发电系统供电，通过无线自组网数据采集模块对土壤中含水量以及空气温湿度等环境数据进行采集，并传输到处理器，另外处理器通过网络模块不仅可以实时上传数据到云端，通过web和手机app进行监控，还可以远程获取气象局的天气数据，并对数据进行解析，合理安排灌溉计划。系统采用微分先行PID进行综合控制，智能的调节继电器的开关时长，实现高效智能全自动的农业节水灌溉，系统结构框图如图1所示。

图1　自组网型高效节能节水灌溉控制系统结构框图

1　系统的硬件设计

1.1数据采集节点。节点由STM32单片机与NRF24L01无线射频模块组成。STM32采用STM32F103C8T6闪存32位微控制器。它基于突破性的ARMCortex-M3内核，工作频率为72 MHz，内部集成了高速存储器（高达128 Kb闪存和20 KbSRAM）、通过APB总线连接丰富增强的外设和I/O，另外包含了2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN。

无线组网模块采用NRF24L01，这是一款极低功耗的射频模块，相比于Zigbee，它同样低功耗并且可组网，但价格更低，传输距离更远，在50M以内丢包率接近于0，当工作在发射模式下即发射功率为0dBm时，电流消耗仅为11.3mA ，接收模式下仅为12.3mA，在没有数据传输时，自动进入掉电模式或待机模式，从而减少更多的电流消耗。

图2　数据采集节点原理图

图3　SIM900A硬件原理图

图4　自组网流程图

节点与传感器连接之后便可采集数据，节点之间通过一套自组网协议进行逐级连接，然后将数据传输到单片机中心节点进行综合处理。节点原理图如图2所示。

1.2网络通信节点。节点由STM32单片机、NRF24L01无线射频模块、SIM900A模块组成。SIM900A是紧凑型、高可靠性的网络通信模块，采用SMT封装的双频GSM/GPRS模块解决方案，性能稳定，外观精巧，性价比高，并且能够满足设计的多种需求。通过STM32的异步串行口发送AT指令，可以操作SIM900A模块以GPRS方式与PC上位机、网络服务器等进行远程通讯，这使得节点更加强大，由此将其作为整个自组网网络的中心节点，负责汇总并分析各节点信息，并进行灌溉控制。SIM900A的硬件原理图如图3所示。

2　系统的软件设计

2.1自组网数据采集与低功耗优化。为满足农田系统大规模数据采集的需要，设计了一套基于低功耗NRF24L01的自组网协议，整个协议层具有完全的自主知识产权，其组网流程如图4所示，它具有以下特点：

（1）自动搜寻和连接，断网可重连；

（2）层级辐射式组网，理论上可连接数万个节点；

（3）载波检测，仅在信道通畅条件下传输，避免拥挤；

（4）高效节能，性价比高。

由于节点布置数量较多，因此有必要进行一定的低功耗优化，程序充分利用STM32的特点做了如下改进：

（1）尽量不使用STM32的高频systick clock、DMA、TIM等外设，同时设置睡眠模式，通过外部中断（无线模块接收到数据时可触发）和RTC低功耗时钟定时唤醒，设置之后功耗从几十mA降至约3mA；

（2）输入管脚模式设为和常态一致，如果常态是低电平则设为下拉输入，反之则设为上拉输入，防止形成回路，白白消耗电流，未连接的管脚则全部设为下拉输入，防止产生漏电流；

（3）避免复杂运算，如指数运算、浮点乘除，改用移位运算或查表操作，减少处理时序，增加休眠时间，节省更多能耗。

经过一系列优化之后，单片机功耗可降至几十uA左右。

2.2天气数据获取与墒情监测。系统使用GPRS通信模块与气象服务器连接，下载并解析当天和未来多天的天气数据，天气类型有三十余种，鉴于天气预测的不确定性，这里只摘取今明后三天，天气按照等级排列，晴天排在0号，根据降雨概率和降雨量从小到大依次往后排，降水变化对作物的需水量有一定影响，所以根据未来天气情况可以在一定程度上预知需水量变化，结合本地所测数据进行综合分析，从而优化灌溉策略，提高灌溉效率。

同时，实时上传土壤墒情数据到云端服务器，并保存在数据库中，使用Web或手机App可对土壤墒情进行远程实时数据监测及历史数据查询，方便并及时处理异常情况，如水管爆裂或漏水等，防止水资源浪费。示意如图5所示。

图5　天气预测数据获取与墒情检测示意图

2.3系统决策与控制方式。单片机通过控制一个继电器，间接的对执行机构进行控制，这适用于多种控制对象，可以为水泵，也可以为电磁阀等。

图7　现场调试实物图

图8　web上位机显示的系统控制实物图

地表土壤的水分收支主要受两个因素的控制，一个是来自大气的降水，另一个是地表的蒸散，由于本系统进行的是实时控制，所以可以不考虑地表蒸散，只引入降水情况观测，也即天气预报功能，天气预测只使用明后两天的天气，设明天的天气为S1，后天的为S2，K1、K2为两个合理的比例系数。则

灌溉的自动控制是一个大惯性、纯滞后、非线性的过程，常规的PID控制方法很容易就会引起超调，导致过分灌溉而浪费水资源，针对灌溉控制的特殊性，系统采用微分先行的控制方案，它的特点是能够按照被控参数变化速度大小矫正被控参数的偏差，对克服超调能起到很大作用，系统原理图如图6所示。

图6　微分先行控制系统原理图

其中X（s）为给定量，F（s）为扰动量，Y（s）为输出，为滞后时间常数。同时，将时间分割成若干个单位时间，一般为（1-3），这一时间段内控制对象已经变化并趋于平稳。定义灌溉强度（%）为单位时间内灌溉时长与整个单位时长的比值，系统的控制对象为土壤湿度（%），输出量则为灌溉强度，100%强度为单位时间内一直灌溉，0%强度即单位时间内不灌溉。

3　调试和性能分析

实验在室外进行，实物如图7所示，调整太阳能板使之迎向太阳光，用多块干燥的鲜花泥模拟真实土壤，周围安装三个STM32单片机控制的数据节点，以及一个带有LCD显示屏的STM32单片机控制终端，它们都接有一个无线模块，传输距离可达100米，具有稳定的自组网性能，这里将他们放在一起，以便观察。设定湿度为70%，单片机通过GPRS模块获取今明后三天的天气（阵雨），将设定值自动调整为61%，以节约用水量。

调试结果每隔10s一次上传到云端，从Web查看的土壤墒情曲线，如图8所示，结果表明，系统的调节时间约为100s，超调量低于设定值的10%，静态特性良好，保持在5%的波动范围以内，完全达到设计要求，具有理想的控制效果。

4　结语

本作品紧紧围绕“节能减排，绿色能源”主题，设计思路独特，设计方法新颖，包括：

（1）自动获取并分析气象局天气预报信息，结合本地墒情数据，提出一种用于节水灌溉的微分先行PID控制策略；

（2）提出一种“辐射式”无线自组网传输协议，实现了大面积土壤和空气环境检测；

（3）实时上传土壤墒情到云服务器，通过手机App、Web远程实时监测和历史数据查询；

（4）提出一种基于太阳能光伏供电的系统低功耗运行控制策略。

因此在经济欠发达、水资源短缺和电能供应不足的地区本系统具有广阔的应用前景，对提高农业灌溉水资源利用率、满足农业灌溉用电需求具有重要的现实意义。

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李柏林，（1994年2月-）男，汉族，湖南省岳阳市，本科生，研究方向：控制系统分析与设计；

刘白杨（通讯作者），（1987年3月-）男，汉族，河北省邢台市，硕士，讲师，研究方向：电气自动化控制系统分析与设计

Research on the Energy and Water-saving Intelligent Control System in agricultural irrigation

Li Bailin，Liu Baiyang，Chen Jiawei，Cheng Gang
（Department of electrical engineering， Shaoyang University， Shaoyang， Hunan 422000）

Water resources shortage is a key factor restricting agricultural production and sustainable socio-economic development in China. Also technical production efficiency，agricultural water waste and inefficient water use in farming regions contribute immensely to water resources shortage.To this end，the functions of photovoltaic generation，self-organizing network，weather forecast are realized in this intelligent control system. The prototype testing for energy and water-saving operational performance shows reliable photovoltaic power supply，convenient organizing network，large data acquisition scope and realtime collecting weather information.This agricultural irrigation control system will be a promising applied future in the field of acute water or electricity shortages.

agricultural irrigation；weather forecast；photovoltaic generation；self-organizing network

校企合作电气类专业人才培养省级示范基地建设项目（湘教通〔2015〕274号）；2016年度湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划项目（273）