基于PowerBus总线技术的智能灌溉系统

张嘉英，范佳月，袁亚丽

(河北北方学院信息科学与工程学院，075000)

0 引 言

中国是农业大国，农业灌溉大部分采用沟渠与漫灌型的传统方式。农作物在不同的生长阶段，对水的需求不同，传统灌溉方式中水的利用率只有40%左右。农业智能化灌溉技术通过基于无线传感器技术的物联网技术、云计算技术、大数据技术以及人工智能技术等，集智能感知、智能预报、智能决策、智能分析为一体，为农业生产灌溉提供智能预测与决策方案，达到精确化灌溉的目的，是高品质农作物产品生产的重要一环[1]。许多学者对智能灌溉做了研究，如郭伏等人提出了一种基于ESP8266的智能灌溉监测系统[2]，赵亮等人提出了一种改进PID算法的灌控制系统[3]，姜维福提出基于PLC的智能灌溉系统[4]，杨柯柯提出了一种基于语音识别和PLC的温室智能灌溉控制系统[5]。本文提出一种基于PowerBus总线技术搭建的灌溉系统。

1 PowerBus技术在智能节水灌溉中的优势分析

PowerBus是国内自主设计、发明的一种供电总线技术，属于低压直流载波供电总线，最大供电电压可达DC48V。PowerBus支持通讯速率9 600 bps和2 400 bps半双工通讯，挂接设备数量256个，通讯距离可达3 000 m[6-8]。工业通讯中的控制方式，主要还以传统的RS-485总线通讯为主。但是由于现场环境的复杂性，通讯线与电源线误接、反接而导致的通讯故障，给现场调试维护带来了麻烦，造成了经济损失和时间浪费，使系统的可靠性、可维护性也大打折扣低，效能也随之降低[9]。

PowerBus总线针对上述施工设计缺陷改进了传统RS-485总线传统应用，具有无极性接线、任意拓扑、无需隔离、通讯距离远等优势[10]，在PowerBus总线上可以自定义通讯协议，或者按照标准Modbus通讯协议进行应用，简化并降低了施工设计要求。以PowerBus总线技术搭建的灌溉系统具有抗干扰能力强、传输距离远、电压范围宽等优势。

2 系统硬件组成

以PowerBus总线技术搭建的灌溉系统的硬件部分主要由3部分组成，分别为主控网关、电磁阀解码器、数据采集解码器组成。主控网关总线接口部分采用PowerBus公司的主站控制芯片PB620实现，总线上的子站终端采用该公司的子站收发器PB331芯片实现。主控网关部分通过4G模组或者RJ45接入宽带与云端通讯，可通过远程App控制总线上的电磁阀控制器、启动灌溉，通过采集解码器获取环境的传感数据。本文设计的灌溉系统硬件架构如图1所示。

图1 基于PowerBus总线灌溉系统

主控网关，PowerBus主站提供信号调制电源，通过4G模组或宽带接入方式与云端服务器通讯，建立远程控制App；实现远程控制、固件升级以及设备动态配置等功能。

触摸屏，通过串口与主控网关建立通讯关系，实现本地控制，定时轮灌、定量轮灌以及联动灌溉的控制逻辑在触摸屏与云端同时兼容，即使脱网情况下依然能给客户提供便捷控制，提供自动灌溉服务。

中继器，延伸通讯距离，如果在远距离超出3 km的情况下，通过增加中继器，又可以延伸3 km，中继器的作用是接收总线上的信号，然后重新调制后再转发出去。从而提升信号强度，延长通讯距离。

电磁阀解码器，由PowerBus译码单元、升压单元、CPU处理单元、脉冲驱动单元组成。其中译码单元主要由PB331芯片及其外围电路组成，通过PB331接收总线信号并与CPU单元进行通信，CPU单元进行协议解析后，驱动电磁阀执行灌溉。

传感器解码器，由PowerBus译码单元、升压单元、CPU处理单元、RS485接口单元组成。可以接入土壤水分传感器、气象传感器等。在农业灌溉或园林绿化中，通过采集到的土壤水分传感器数据、气象数据，为主控网关提供参考数据，以决策控制灌溉区域是否进行灌溉。

3 软件设计

系统的软件设计是整个系统的核心部分。软件实现的主要的功能有4G网络通讯驱动、串口通讯、设备管理功能、远程参数设置、远程升级功能、设备动态配置、控制驱动、采集指令解析等。软件设计包括系统架构设计、网关软件设计、终端软件设计。其中终端软件设计以电磁阀解码器为例进行说明。

3.1 软件系统架构设计

整体系统软件架构分为4层，至下而上分别为终端层、传输层、数据层和应用层(图2)。终端层主要是底层硬件部分，包括控制型解码器和采集型解码器，实现底层阀门控制以及传感器数据采集。传输层主要实现数据在网络路径上的传输方式，PowerBus总线经RS232接口将数据传输至互联网，以实现物联网的远程控制。数据层主要实现指令缓冲处理、数据存储以及数据分析等功能。应用层实现实际业务功能需求，诸如定时轮灌、定量轮灌、联动报警、用户管理以及提供第三方接口等功能。

图2 软件系统结构

3.2 网关软件设计

网关部分一方面实现远程升级与配置功能，另一方面主要实现定时任务事件的处理、解析指令、执行控制、采集指令以及轮训总线上设备工作状态和在线信息等。主控网关运行流程为如果首次启用网关，需要给网关配置所控设备的信息诸如地址、编码和功能码等信息，通过主控网关将控制的终端配置表信息传输至云平台进行存储，以实现控制与终端的映射关系。对于已经配置好的网关，初始上电进行配置信息的读取，将网关通讯模组信息上传至云平台，以实现设备的控制准备与网关通信模组信息的维护。同时主控网关支持本机App应用程序远程升级，远程升级通过通讯模组的FTP模式实现。当设备进行升级或者Bug修复，无须现场进行程序下载。主控网关上的设备配置表亦支持远程配置更新，支持网关控制设备的动态更新，便于设备管理维护。主控网关进入工作模式后，定时扫描任务事件，一旦接收到控制指令有任务触发，进行协议解析，将控制的指令、设置的参数、上传的数据与云平台和终端设备进行数据交互。在处理完任务事件后对终端设备进行轮训监测，实时维护设备状态。执行流程如图3所示。

图3 网关软件设计流程

3.3 终端软件设计

终端软件设计以控制型解码器为例，以Modbus协议为通信标准，进行阀门控制状态读取、升压驱动以及参数设置等功能。终端设备的事件触发以串口中断功能实现。当终端设备(本例以电磁阀解码器进行描述)接收到总线上的信号，触发终端收发解码芯片进行信息解析，解析出的信息通过触发单片机的串口中断，接收到的信息字段中，如果地址字段的编码信息与本机字段不一致，终端设备不再响应其他操作。如果地址字段的编码信息与本机字段一致，则进行字段的CRC校验，判断信息阐述过程中是否有数据丢失或者干扰造成的数据错误。在CRC校验完成后，分析字段中功能码的信息，不同的功能码对应不同的执行事件：01功能码处理解码器的状态信息读取事件；03功能码处理设备数据的事件处理；05功能码处理解码器的驱动输出事件，包括升压、驱动脉冲的实现；06功能码处理参数设置的事件，包括脉冲宽度的设置、通讯频率的设置以及设备地址的修改等。执行完事件处理后，设备再次进入等待模式，等待下一次事件处理。具体执行流程如图4所示。

图4 终端软件设计流程

4 系统验证

4.1 前期实验准备

准备可联网电脑1台、4盘8芯超5类网线、PowerBus电磁阀解码器50台、PowerBus主控网关1台。

4.2 环境搭建

将网线以两芯为一组进行首尾相连，这样每盘网线距离可达到4×400 m=1.6 km，4盘网线距离为1.6 km×4=6.4 km；将连接好的网线作为电磁阀解码器和主控网关的连接线对解码器和主控网关进行连接。电脑登录控制平台，在控制平台上找到相应的电磁阀解码器。

4.3 实验实操

通过平台控制通信距离为2.5 km的电磁阀解码器，控制成功，阀门可成功打开和关闭。且控制13次成功率在100%。

通过平台控制通信距离为3.2 km的电磁阀解码器。控制成功，阀门可以打开和关闭，控制13次成功率在46%，通信不稳定，通过增加PowerBus中继器再次实验，阀门可以打开和关闭，控制13次成功率在100%。

通过平台控制通信距离为4.8 km的电磁阀解码器，通过增加PowerBus中继器再次实验，阀门可以打开和关闭，控制13次成功率在100%。

通过平台控制通信距离为6.4 km的电磁阀解码器，通过增加PowerBus中继器再次实验，阀门可以打开和关闭，控制13次成功率在100%。后期实验距离增加到16 km通信正常且稳定，超过16 km通信不稳定。

4.4 实验结论

本研究搭建的测试网络得出总线长度在2.5 km内设备控制稳定，当总线长度超出2.5 km时，需要在总线上增加中继器，每个中继器的通讯距离控制在2.5 km以内。即每2.5 km总线需要增加中继器。基于此实验，PowerBus总线通信得到充分验证。PowerBus总线通讯为有线通讯方式，工作电压范围宽，总线带载能力强，对通讯线缆要求不高，且满足多种总线拓扑方式，大大提高了系统的稳定性，以及系统的响应速度。并且通信距离满足在农业灌溉、园林绿化上的应用。最终本研究获得成功的结果。

5 结 语

PowerBus总线在智能灌溉以其稳定、快速响应、抗干扰、宽电压运行，应用范围越来越广。该设计充分适应了智能灌溉过程中的响应快、抗干扰、传输距离远、稳定性强等特点，在甘肃公园绿化项目上使用获得成功。PowerBus总线智能灌溉系统传输距离远，提高了灌溉效率，加强了系统的稳定性和可靠性，对推动园林绿化和农业现代化建设有积极作用。

在项目实现过程中，还有如下问题需要考虑：

(1)地埋线防护。由于PowerBus总线以两线制方式在项目现场进行铺设，与水路管网一起深埋地下，对后期线束防护和售后维护带来一定的困难，如地面下沉或者其他作业造成的损坏，排查问题不易。所以地埋线防护工作要做好。

(2)线材选型问题。当传输网络距离远时，不易选用屏蔽线，线束屏蔽层如果处理不好，反而对总线上的信号带来更大的干扰。

(3)如果网络上有多级中继，波特率需要处理好。同时传输距离远的条件下，由波特率带来的延时问题需要在软件中进行时基调整。