太阳能智能灌溉阀门控制器设计与应用

彭 炫，常翠平，周建平，赵冬梅，许 燕

(1. 新疆大学工程训练中心，乌鲁木齐 830047；2. 新疆大学机械工程学院，乌鲁木齐 830047)

在我国新疆地区，由于土地干旱、降雨量少、水资源缺乏等原因，滴灌、微灌等先进的节水灌溉方式在该地区得到了广泛推广和应用[1]，工业中许多先进的控制方法也逐渐引入农业自动灌溉控制系统中[2]。在以色列、美国、日本等发达国家已经开发出智能化程度较高的自动灌溉控制系统[3]。但由于其系统复杂且庞大，价格昂贵，无法在我国农业灌溉中大面积推广和使用[4]。由于新疆地区土壤蓄水能力较弱，常规自动灌溉控制方式容易导致水分下渗和蒸发，造成大量的水资源浪费[5]。因此，研制出一款价格低廉，能根据土壤湿度数据和农作物需水量实现智能灌溉的阀门控制器具有重要意义[6]。

本课题以新疆喀什地区的棉花种植为研究对象，研制了一款以单片机为控制核心，采用太阳能供电的智能阀门控制器。该控制器可以存储农作物不同生长周期的最适土壤含水量数据，根据土壤湿度传感器数据进行灌溉判断，控制阀门开启或关闭。经过实验分析表明，该控制器运行稳定，能的将土壤含水量控制在合适的范围。具有良好的节水灌溉控制效果。

1 阀门控制器整体结构

太阳能智能灌溉阀门控制器主要包括：单片机控制电路、土壤湿度采集电路、太阳能充电控制电路、阀门驱动电路、无线通信电路、阀门状态反馈电路等。控制器以单片机为控制核心，农作物整个生长周期中的最佳土壤含水量数据存储在单片机的FLASH存储中。土壤湿度传感器通过RS485总线与单片机相连接。阀门控制器通过读取的土壤湿度值进行灌溉决策。当土壤含水率低于作物最适宜生长下限时控制阀门开启，当土壤含水率达到最大田间持水量时控制阀门关闭。由于在农田中供电不方便，阀门控制器设计了太阳能供电系统。通过太阳能对蓄电池充电为阀门控制器提供稳定的电源。为使阀门控制器具有更长的续航能力，控制器整体采用低功耗设计。在阀门控制器不工作时自动进入休眠状态。阀门控制器通过GPRS无线模块连接云服务器进行数据交换。为使阀门控制器与服务器通讯稳定可靠，便于系统集成和功能扩展通，讯协议采用标准Modbus-TCP协议。太阳能智能阀门控制器系统结构如图1所示。

图1 太阳能智能灌溉阀门控制器系统框图Fig.1 System diagram of solar intelligent irrigation valve controller

2 控制器硬件设计

2.1 单片机控制核心设计

阀门控制器采用STM32F103RBT6单片机为控制核心。该单片机具有成本低廉，功耗低，处理速度较快，资源丰富等特点[7]。单片机片内集成128kbytes的Flash存储空间，可以将农作物整个生长周期中的最适土壤含水量数据存储在单片机的FLASH存储中，并能通过手机APP对参数更新与修改。单片机包含有3个USART通信接口，可同时与土壤湿度传感器、GPRS模块和其他Modbus-Rtu协议设备进行通讯，方便同时与多设备间进行数据交换。单片机内部含有2个12位的AD转换电路，能通过阀门状态反馈电路实时采集阀门开度值。该单片机还具有3组内置SPI串型总线，能与内存卡连接，将土壤湿度数据、阀门开度数据和阀门控制器操作日志储存在本地内存卡中。阀门控制器主控制核心最小系统如图2所示。包含手动复位电路、上电自动复位电路、启动模式选择电路和程序下载电路。

图2 阀门控制器主控制核心最小系统Fig.2 Minimum system of main control core of valve controller

根据阀门控制器的功能，对阀门控制器主控制核心最小系统上的IO资源进行分配和功能定义。各引脚定义和功能介绍如表1所示。

表1 阀门控制器IO分配表Tab.1 IO distribution table of valve controller

2.2 外围电路设计

(1)电源模块。为方便阀门控制器在农田中使用，阀门控制器需要采用了太阳能供电的方式。电源模块由太阳能充电控制电路和稳压电路两部分组成。太阳能充电控制电路采用UC3909芯片对蓄电池充电管理。UC3909芯片可以根据蓄电池的状态实现涓流充电、恒流充电、恒压充电和浮充充电四个阶段合理充电[8]。稳压电路采用AMS1117-3.3V稳压芯片对蓄电池输入电压进行调节。经过电容整流滤波后，为阀门控制提供稳定的电源，保证阀门控制器正常工作。

(2)阀门控制电路。对阀门的控制包括驱动阀门开关和检测阀门开度状态两部分。用两个继电器组成的H桥换相电路驱动阀门开启和关闭。单片机通过ULN2003芯片驱动继电器的吸合，从而实现对阀门的控制。阀门的开度状态经过阀门状态反馈电路转换为电压信号，使用单片机内部的AD转换电路采集电压信号，通过单片机运算转换为阀门开度值并缓存在单片机内部寄存器中。

(3)无线通信模块。无线通信模块选用SIM900A通讯模块。该模块支持联通和移动的GPRS网络，具有信号稳定、功耗低等优点[9]。单片机的串口与SIM900A无线通信模块相连接，通过AT指令控制该模块与远程控制端进行数据交换，数据采用透传模式。

阀门控制器内部集成Modbus-Rtu协议的01、03、05、06功能指令。通过对应的功能码控制阀门控制器执行相应的操作。功能控制指令的具体对应的作用如表2所示。

表2 阀门控制器功能码作用Tab.2 Function code of valve controller

3 阀门控制器控制程序和APP设计

3.1 单片机程序设计

阀门控制器程序采用Keil uVision4编写。程序运行流程图如图3所示。程序运行后先对阀门控制器初始化，包括单片机GPIO的设置与初始化，系统时钟的初始化，控制参数的初始化等。初始化完成之后阀门控制器进入工作状态。

阀门控制器先与土壤湿度传感器进行通讯，获取土壤湿度值。然后将土壤湿度值与单片机中存储的农作物当前最佳土壤含水量值比较。若低于农作物当前最佳土壤含水量下限，则农作物处于缺水状态，控制阀门开启。阀门开启后，继续采集土壤湿度值。当土壤含水量达到田间持水量时，土壤水分含量达到饱和，控制阀门关闭。在阀门开启和关闭过程，单片机调用AD转换子程序对阀门的开度进行采集，并将阀门的开度状态存储在寄存器中。

在整个程序执行过程中，如无线模块接收到控制数据，通过外部中断唤醒单片机。单片机首先对接收的控制指令进行CRC校验计算，检查该帧数据的CRC校验位是否正确。若校验通过，再核比对该帧数据的地址是否与本阀门控制器地址一致。若地址也一致，则执行该帧指令。执行完毕后通过无线通信模块返回执行后的应答数据。若校验不通过或地址不一致，则忽略该帧指令[10]。为降低阀门控制器的整体功耗，延长阀门控制器的续航时间。在一段时间内系统无任何操作，阀门控制器会自动进入休眠状态。进入休眠状态后，GPIO保持当前状态。内部定时器定时唤醒单片机采集土壤湿度值，并判断是否需要执行阀门开关操作。

3.2 手机APP控制

手机APP使用TeslaMultiSCADA设计，APP通过Modbus-TCP协议与服务器进行数据交换。使用前需要在参数设置界面中配置服务器IP地址和端口号。APP中包含有阀门控制、趋势曲线、参数设置和管理员4个功能界面。

阀门控制界面如图4(a)所示，在阀门控制界面下，用户可以实时监控土壤湿度值和阀门状态信息。同时也可以设置阀门开度值，控制阀门开启和关闭。趋势曲线如图4(b)所示，用户可以直观的获取土壤湿度的变化趋势曲线和调取历史温湿度数据。参数设置如图4(c)所示，包含服务参数设置、传感器参数设置、灌溉参数设置和系统参数设置，可以通过手机APP对阀门控制器运行参数进行修改。

图4 远程阀门控制APPFig.4 Valve control app

4 实验验证与分析

以新疆喀什地区麦盖提县棉花试验田进行灌溉控制实验，对阀门控制器灌溉控制效果测试和分析。阀门控制器现场安装实物图如图5所示。将阀门控制器安装在试验田中，对阀门进行智能开关控制。土壤湿度传感器安装在深度40 cm左右的根系附近，每隔15 min通过远程控制端获取一次土壤湿度值。

图5 太阳能智能灌溉阀门控制器Fig.5 Solar intelligent irrigation valve controller

棉花在不同生长时期需水量有所不同，在开花结铃期灌溉需水量最大，现蕾期、苗期次之，吐絮期灌溉需水量最少[11]。不同生长时期的灌溉需水量都表现为减少趋势，开花结铃期减少趋势最为明显[12]。根据该试验田往年土壤含水量检测数据分析，棉花在苗期、现蕾期、开花结铃期、吐絮期的植株生长最适含水量和该试验田的土壤最大持水量如图6所示。将该数据作为棉花的灌溉控制参数通过手机APP发送到阀门控制器中。

图6 棉花生长最适含水量和土壤最大持水量Fig.6 Optimum water content for cotton growth and maximum soil water capacity

设置阀门开度20%，土壤最大持水量值70%，棉花生长阶段最适土壤含水量为65%，当土壤含水量低于50%将影响棉花正常生长。选取阀门控制器在24 h采集到的土壤含水量数据进行统计分析。土壤含水量变化曲线如图7所示。从图7可以看出，当土壤含水量低于棉花生长所需的最适含水量时，阀门控制器控制阀门开启，此时土壤含水量开始上升。当土壤含水量达到土壤最大持水量时，阀门控制器控制阀门关闭。实验验证了该阀门控制器具有良好的节水灌溉控制效果。能实现阀门的智能灌溉控制。阀门控制器运行稳定可靠，响应速度快，控制精准。

图7 土壤含水量变化曲线Fig.7 Change curve of soil moisture conten

5 结 论

本文针对新疆地区独特的地理位置和农田环境和现有智能灌溉系统的不足，研发了一款成本低廉、适用性更强的阀门控制器。该控制器以实时土壤湿度值和作物生长最适土壤含水量为控制依据智能决策，自动控制阀门何时灌溉，何时停止。该控制器能远程更新内部的控制参数，使该控制器具有更强的实用性。通过实验验证了该阀门控制器在节水灌溉方面的良好控制效果。该阀门控制器价格低、使用简单，兼容性强，具有一定的市场推广价值。