基于国产微控制器节水灌溉首部枢纽控制系统设计

李晓乐 朱 梅 范 舟 栗昕羽

(1.安徽农业大学 工学院，合肥 230036；2.安徽省水文局 王家坝水文站，安徽 阜阳 236312)

水资源是农业生产不可缺少的生产要素，是实现我国农业发展的重要条件保障[1-2]。随着我国农业生产的发展，农业用水呈现递增趋势，水资源紧缺与农业生产的矛盾日渐凸显[3]。水肥一体化技术可有效实现节水节肥，灌溉施肥设备是水肥一体化技术的核心[4-6]。目前国内市场主流智能灌溉施肥设备基本具备灌溉电磁阀控制、EC/PH测量与控制、施肥通道控制、远程通信等功能，提高了灌溉施肥的自动化控制效率和水肥管理水平[7-9]。在电磁阀控制方面，陈川等[10]利用无线通信技术和嵌入式开发技术研发一种基于4 G的无线遥控电磁阀装置，实现以地面实测土壤水分数据为输入的精准灌溉控制。在施肥控制方面，郑雪松等[11]模拟传统农民配肥施肥过程，设计了一款基于泵注肥法全自动施肥机，支持时间逻辑、人机交互触发、内部程序触发等模式，可通过手机、电脑App远程操控，实现一人同时控制多台设备。在农业远程通信方面，冀荣华等[12]设计了一种基于远程通信的农田信息管理系统，实现农田信息的无线与实时采集、处理、可视化和传输。

已有研究较多针对灌溉施肥设备控制系统部分功能，存在设备集成度不够高，操作不够简便，成本较高等问题，在实际应用中难以满足农业节水灌溉装备操作便捷、成本低的需求[13-14]。微控制器芯片是控制系统的核心组成部分，但在2021年，全球芯片产业因疫情原因受到一定程度冲击，造成芯片短缺[15-16]，特别地，国外对芯片相关产业的垄断，部分芯片价格甚至上涨5倍导致控制系统成本大幅增长[17-18]。有鉴于此，本研究拟采用基于RISC-V开源指令集CH32V103国产微控制器芯片，摆脱国外芯片封锁并减少因芯片引起的潜在安全性问题，设计灌溉系统首部枢纽模块化控制系统，具有灌溉、过滤、施肥、智能控制等功能，以期提升控制系统集成度并简化用户操作，降低使用成本。

1 首部枢纽控制系统模块化设计

1.1 首部枢纽控制系统

灌溉系统工程由首部枢纽、输配水管网和灌水器等组成。本研究设计的控制系统用于首部枢纽控制，按照功能分为灌溉管理控制模块、反冲洗过滤控制模块、施肥控制模块、采集处理装置、主控制器等。控制系统由主控制器、灌溉管理控制器、反冲洗过滤器控制器、施肥设备控制器、墒情采集处理装置、远程通信装置、操作界面及互联总线、网络等组成(图1)。

图1 首部枢纽控制系统Fig.1 Irrigation control system

1.2 控制系统模块化功能设计

1.2.1灌溉管理控制模块

灌溉管理控制模块用于控制水泵从水源取水，通过压力传感器监测管道压力，通过变频器等调速装置控制水泵的启停和转速，通过改变水泵的流量和扬程，为灌溉主管道提供所需的流量和压力并保持管道内水压力稳定。灌溉管理控制模块可通过墒情采集处理装置采集土壤墒情信息，通过控制灌区电磁阀的启闭管理不同灌区灌溉的水量，在灌区灌溉完成后关闭灌区，最后停止水泵(图2)。对于无墒情信息采集要求的实际项目，不安装墒情监测装置。

图2 灌溉管理控制模块结构Fig.2 Structure of irrigation management control module

灌溉管理控制模块设计支持2种控制模式：1)通信控制模式：灌溉管理控制器与主控制器通信，或直接与现场操作界面通信；此模式下可完成灌溉设备的启停控制、管道压力控制、灌区管理等多种功能；2)数字输入控制模式：灌溉管理控制器检测输入端子电压，作为整个设备的启停控制，以及少量灌区的控制；此模式适用于简易现场手动控制场景，其灌溉压力为预设值，灌区管理数量有限，但操作直观，易于排除故障。

在通信控制模式下，对于灌区管理有如下3种控制方式：1)手动控制，手动启停设备，控制特定灌区灌溉；2)自动阈值控制，为灌区设定土壤含水量阈值区间，控制器按照阈值控制灌区与水泵的自动启停；3)可调阈值控制，为不同灌区提供上下限可调的阈值，根据作物类型和作物生长周期调节阈值以满足不同作物对土壤墒情的需求。

1.2.2反冲洗过滤控制模块

节水灌溉灌水器如喷头、滴头等对水质要求较高，灌溉设备需要采用过滤器以降低灌水器堵塞的概率。反冲洗过滤器可实现不停机自动清洗。对于2通道反冲洗过滤器，在过滤工作状态下，进水经2个过滤单元过滤后进入出水管；在反冲洗工作状态下，其中一个过滤单元保持过滤状态，另一个过滤单元通过阀门改变水流方向，使过滤后的水从出水管反向进入过滤单元，冲洗过滤单元中的杂质排入排污管，冲洗完成后，阀门恢复原状态，未冲洗的过滤单元重复上述流程直至所有过滤单元反冲洗完成(图3)。

图3 反冲洗过滤器工作原理Fig.3 Schematic diagram of backwashing filter

反冲洗过滤控制模块设计具有3种启动模式：1)压差启动模式，控制器通过压差传感器或压力传感器采集过滤器进水管和出水管的压差值，达到预设值后启动反冲洗流程，适用于大多数工况；2)定时启动模式，无论是否达到预设的压力差值，控制器按照预设时间，定时启动反冲洗流程，适用于水中杂质附着性强或传感器损坏的场合；3)手动启动模式，手动启动反冲洗，多用于调试工况。

反冲洗过滤器控制器具有2种控制模式：1)通信控制模式，与主控制器通信，或直接与现场操作界面通信，此模式可灵活设置反冲洗过滤器的启动模式，根据压差调整冲洗间隔、冲洗顺序等多种参数以满足不同的场景；2)数字输入控制模式，控制器检测输入端子电压，作为整个设备的启停控制，适用于简易控制场景。

1.2.3施肥设备控制模块

施肥系统用于将特定浓度的可溶肥料，以特定速率注入灌溉管道；肥料与水充分均匀混合后，通过灌溉管道进入灌区，实现随水施肥。施肥设备控制器采集灌溉管道流量，通过调速装置控制施肥泵转速调节注肥量。施肥设备控制系统结构见图4。

图4 施肥设备控制系统结构Fig.4 Structure of fertilization equipment control system

施肥设备控制模块设计支持2种控制模式：1)通信控制模式，控制器与主控制器通信，或直接与现场操作界面通信，此模式下可完成施肥设备的启停、注肥量、注肥速率调节等多种功能；2)数字输入控制模式，控制器检测输入端子电压控制整个设备的启停和注肥速率，此模式适用于简易现场手动控制场景，用户调节旋钮即可直观的调节注肥速率。

通信控制模式下注肥管理支持4种控制模式：1)手动控制，手动启停设备，控制注肥量和注肥速率；2)自动阈值控制，为灌区设定土壤EC值阈值区间，控制器按照阈值控制水泵及施肥设备启停；3)可调阈值控制，为不同灌区提供上下限可调的阈值，根据作物类型调节阈值以满足不同作物对肥料的需求；4)多种肥料配比控制，采用多个施肥设备，可实现不同种类肥料的灵活配比，满足不同类型、不同生长周期作物对多种肥料配比的需求。

1.2.4采集处理装置

墒情采集处理装置(图5)连接多个墒情传感器采集土壤墒情，将数据汇总后发送至主控制器。墒情信息包括温度、水分、EC值等。墒情采集处理装置采用通信方式与主控制器连接，既可以代替主控制器与传感器通信，降低主控制器处理负担，简化现场走线，也可以在通信网络中将传感器与主控制器分隔开，降低一个区域部分传感器的损坏导致主控制器损坏的概率。

图5 墒情采集处理装置Fig.5 Moisture collection and processing device

墒情采集处理装置支持透明传输模式和采集处理模式2种工作模式：1)透明传输模式为默认工作模式。此模式下墒情采集处理装置仅转发主控制器和传感器的数据，在通信网络中处于透明状态。2)采集处理模式下墒情采集处理装置按照预先配置的数据处理模式，采集并处理所连接传感器的数据，并与主控制器通信。此模式将不同生产厂家、不同规格的传感器数据统一为标准报文格式，有利于简化主控制器设计，增强主控制器工作稳定性。

1.2.5主控制器

主控制器是灌溉控制系统的核心，协同各模块完成对节水灌溉首部枢纽设备系统的复杂控制动作，保障节水灌溉设备稳定、高效运行。主控制器与各模块均基于RISC-V开源指令集的国产CH32V103系列微控制器芯片研发。控制系统开发充分利用该型微控制器片上资源，其USART接口与操作界面、墒情采集处理装置、远程传输模块及各被控模块通信，IIC接口、SPI接口用于连接屏幕、远程传输模块等高速模块。

2 功能试验及结果

2.1 试验环境

试验控制平台由PC监控软件、主控制器、采集处理装置、单片机监测模块、被控模块等组成(图6)。主控制器通过总线连接灌溉管理控制模块、反冲洗过滤控制模块、施肥设备控制模块等被控模块。PC端监控软件基于Qt 5.15和C#.Net 4.0集成开发环境，与主控制器程序固件同步开发以便于调试。试验由PC端监控软件发起控制，通过单片机监测模块采集主控制器和被控模块的输出信息。

图6 试验控制平台组成Fig.6 Composition of test control platform

2.2 模块功能试验

2.2.1启停试验

启停试验用于检测控制器能否控制水泵正常启停，能否按照预设阈值控制水泵启停，能否处理来自其他模块的水泵启停信息，包括水泵启停测试、自动反冲洗启停测试和施肥启停测试。试验采用控制器的通信控制模式，由监控软件向控制器发送启停信息，并采用单片机采集控制器输出端信号，分别对水泵、自动反冲洗过滤单元和施肥模块进行1 000次模拟启停测试，启停测试均成功。

2.2.2调速试验

水泵转速调节试验用于测试水泵转速能否按照控制器要求进行调整。包括灌溉泵转速测试与施肥泵转速测试。试验采用控制器的通信控制模式，由监控软件向控制器发送转速调节信息，同时对控制器的通信输出和电压输出进行测试，采用单片机采集控制器输出端信号，并采集电压输出。对灌溉泵调速和施肥模块调速进行通信输出试验各100次，并对灌溉泵调速和施肥模块调速进行电压输出试验各30次，测试均成功。

2.2.3管道压力与灌区管理试验

管道压力测试用于测试管道压力稳定性。试验采用控制器的通信控制模式，由监控软件向控制器发送压力调节信息，采用单片机采集管道压力并将压力信息发送到PC上的压力监测控制软件。灌区电磁阀启闭测试用于测试灌区电磁阀的功能，可以配合管道压力变化确定电磁阀启闭状态。试验采用控制器的通信控制模式，由监控软件向控制器发送阀门启闭信息，采用单片机采集管道压力变化与控制器输出端信号，采用随机顺序控制，固定顺序控制，全开全关控制等多种控制模式进行多次灌区电磁阀启闭测试。

在随机顺序控制模式下，具有2个灌区的灌溉管道压力变化试验结果见图7，阀门开启时，管道压力下降；阀门关闭时，管道压力上升；阀门开启数量相同时，管道压力近似相等。主控制器可通过管道压力变化推断阀门启闭状态，同时也可通过启闭阀门数量推断管道是否有漏损点，并可通过远程通信模块与物联网技术及时通知用户进行维护。

图7 灌区灌溉管道压力变化Fig.7 Pressure change of irrigation pipeline in irrigation area

2.2.4墒情采集处理试验

墒情采集处理装置模块应能采集不同传感器的墒情并按照统一格式处理墒情信息并接收输出信息。试验采用PC端监控软件发送墒情传感器的模拟信息，分为单传感器单指令、单传感器多指令、多传感器单指令、多传感器多指令4种工作模式。经多次测试，主控制器可正常识别模拟传感器数值，并对模拟传感器报文准确回复。

2.3 灌溉首部枢纽整体试验

将首部枢纽中的控制模块、灌溉管理控制模块、反冲洗过滤模块、施肥模块等组合在一起，进行整体试验。试验内容包括同步施肥测试和阈值调节控制试验。

同步施肥测试用于测试灌溉模块和多个施肥模块的协同工作，控制器通过预设程序控制多个施肥模块按照预先设定的肥料配比进行施肥。试验采用监控软件通过总线向多个控制器发送控制信息，采用单片机采集控制信息，对施肥模块1、施肥模块2以及施肥模块1、2混合进行同步启停测试，经1 000次模拟测试，各模块均可正常完成启停。

阈值调节控制试验用于测试各模块通过预设程序，按照不同阈值自动控制各模块启动或停止。试验由主控制器发出控制信号，由监控软件采集数据总线上的控制信息。试验分为单模块单阈值、单模块多阈值、多模块单阈值、多模块多阈值等多种工况，各工况经30次测试均可正常完成相应的阈值控制。

3 讨论及结论

本研究采用PC端监控程序监控控制系统数据总线，进行了启停试验、调速试验、管道压力与灌区管理试验、墒情采集处理装置试验4项分项试验和同步施肥试验、阈值调节控制试验2项灌溉首部整体试验。经大量测试，各模块监控功能正常，组合模块通信、控制、监测功能完备，各功能测试正常。

灌溉系统首部枢纽控制系统采用模块化设计，便于工厂化批量生产，降低造价。各模块集成化高，并采用不同规格型号覆盖多种工作区间，便于安装、维护、升级，并可进一步降低使用成本。其控制系统操作设计具有简单界面和高级界面，其简单界面易于使用，高级界面适用性广。

本研究将灌溉系统首部枢纽控制系统分解为各功能模块，采用国产CH32V103系列微控制器突破国外芯片垄断，使其具有集成度高、适用面广、成本低、操作简便等优点，符合农业灌溉实际应用需求，有利于农机化推广。