基于CAN总线的赣南脐橙智慧果园控制系统

赖玉华，罗 旺，刘 超，陈国林

(1.赣南师范大学科技学院，341000，江西，赣州；2.赣东学院基础教学部，344000，江西，抚州)

0 引言

CAN(Controller Area Network)即控制器局域网，是几种流行现场总线中应用最广泛的现场总线之一。由于CAN总线采用时间触发协议，在消息传输中采用非破坏性的仲裁机制，保证了数据的完整和系统安全[1]，被广泛地应用于工业自动化[2-3]、船舶[4]、医疗设备、工业设备[5]等方面。鉴于此，在赣南脐橙科学种植研究上，基于CAN总线设计一套智慧控制系统，实时监控果园中每一垄果树的生长环境并将其量化为数据，通过通讯网络传达至总控制室，并负责执行来自总控室的命令，实现按需浇水、施肥、防治病虫害等。

智慧控制系统主要由控制室与检测桩两大部分组成，检测桩负责采集土壤水分、土壤营养成分等数据，并执行控制室发来的指令，控制室处理分析检测桩采集到的数据，发出控制指令。

1 通讯网络

CAN通讯以控制室的主机为中心，向检测桩轮流查询相关数据，检测桩电路收到主机发来的数据请求或命令后，回信上传相关数据或执行相关操作，通讯数据包内容为3个字节，分别为命令码、数据高位、数据低位。设置8种命令码，分别为回信(0x01)、查询土壤温度(0x02)、查询土壤湿度(0x03)、查询土壤含氮量(0x04)、查询土壤含磷量(0x05)、查询土壤含钾量(0x06)、查询蓄电池电量(0x07)、远程控制电水阀(0x08)。智慧果园就是依托CAN收发器和CAN应用层协议实现数据传输，达到智能控制的目的。

CAN通讯采用ISO1050隔离式收发器，隔离式CAN收发器有利于应对雷雨天气。当下雨打雷时，会激发电磁场，布置在果园里的CAN通讯线会产生感应电动势，极高的感应电动势很容易烧坏电路板，最容易损坏的是控制芯片，选用隔离式CAN收发器可以将CAN总线上的高压进行隔离，起到防护作用。

图1 智慧果园总线拓扑结构

2 控制室设计

控制室是整个智慧果园的中枢神经，它负责数据的收集、处理与分析、果树营养物质的调度、系统加压及人机交互，执行发出人为设定的操作及一系列自动操作，控制室电路系统的稳定至关重要[6-8]。当前，很多果农都在自家果园建了间小房子，现主要是存放一些农具、化肥、农药等物质，利用率不高，控制室可应用农户现有的资源，对小房子进行改造，将它变成一个控制室，成为智慧果园的核心。

控制室附近建个水池，通过抽水机将溪流的水抽至水池，然后加压，将水输送给果树进行灌溉，保持土壤湿度；同一个水池，也要承担营养池功能，需要的时候，农户将肥料等营养物质倒入水池融化，再通过加压设备将营养物质通过管道输送到果树；抽水机的工作、加压设备的工作都通过控制室的控制芯片进行控制，实现自动控制，自动浇灌。

图2 智慧果园水流示意图

2.1 控制室电路设计

控制室的核心采用STM32C8T6作为CPU，STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M 内核STM32系列的32位的微控制器，程序存储器容量是64 kB，需要电压2～3.6 V，工作温度为-40～85 ℃。STM32极高的运行速率，很好的稳定性用来做智慧果园的核心CPU比较合适，能胜任复杂多变的环境。

2.1.1 控制室系统电源设计 控制室的电源直接应用国家电网降压获得，由于电路板需要控制电水伐、控制抽水机与压缩机的大电流继电器等电感型设备，功率偏高，所以应选择大功率的小型变压器，采用220 V转15 V×2 A×2的变压器，将220 V的交流电转换成15 V的交流电，为了保护电路，应对雷雨天气，电路中加入压敏电阻和保险管，压敏电阻在电路中的应用可以有效地防止电网浪涌电压和因雷电感生的冲击电压，15 V低压交流电再经过二极管整流，电容滤波进入LM7812稳压芯片，输出一路12 V直流电源，继而经过电容继续经LM7805降压，输出5 V电源[9]。要注意的是电路制作时LM7812与LM7805都应该安装散热片散热，保证电源系统的持久安全稳定运行[10]。

2.1.2 抽水机、加压设备、电水阀的控制设计 抽水机将溪流的水抽至水池，抽水机的选择可根据果园的实际需求，选择适合扬程与吸程的抽水机将水抽到水池中，在需要抽水或者加压的情况下，CPU的管脚置成低电平，就可实现抽水与加压。

将抽水机控制端CSJK置低电平0，指示灯D6亮，三极管Q28不导通，N型场效应管导通，场效应管导通导通后，连接CSJH与CSJL的外置大功率继电器咬合，带动220 V交流电带动抽水机抽水，CPU控制抽水停止时，将抽水机控制端CSJK置高电平1，指示灯D6灭，三极管Q28导通，N型场效应管不导通，连接CSJH与CSJL的外置大功率继电器断开，抽水机停止抽水，同理，加压设备也这样运行。

图3 控制室电源设计

图4 抽水机与增压设备控制电路

2.2 水池水位监测设计

STM32单片机通过监测蓄水池水位从而判断抽水机是否要进行抽水，抽水是否抽满而要停止抽水，于是设置2个电容式液位传感器，分别安装在水池的上端和下端，当水池的水位低于下端传感器安装位置时，传感器输出的电信号改变，则代表水快要用完，需要控制抽水机抽水；同理，当水缸的水位高于上端传感器安装位置时，则代表水快满了应停止抽水。

3 检测桩设计

赣南多丘陵坡地，大多脐橙在这样的环境种植，最好采用垄耕法。在每一垄装设一个检测桩，每个检测桩负责一垄树苗。检测桩是整个智慧果园系统的检测装置和执行装置，负责实时监控果园中每一垄果树的生长环境并将其量化为数据通过通讯网络传达至总控制室实行系统的实时监控；并负责执行来自总控室的命令，按需进行浇水施肥。因此检测桩是整个智慧果园系统的的“眼睛”和“双手”，是整个系统极为重要的一部分。

检测桩配备氮磷钾等果树所需氮磷钾的工业级检测设备，同时装有土壤温湿度检测的装置，并且具备实时灌溉、达到水肥一体化与辅助喷洒农药的功能，从而达到科学化精准化监控，有效地调配脐橙果树的健康生长。除此之外，为了符合低碳节能的理念，减少电缆线的铺设，降低维护难度，检测桩以太阳能供电。

图5 检测桩示意图

检测桩的外壳采用普通碳素结构钢(又称A3板)。A3板不仅综合性能好，而且镀锌以后可以通过金属原电池等化学反应形成保护膜，防止金属桩长时间深埋地底而腐蚀。检测桩透视图如图6。

图6 检测桩局部透视图

3.1 检测桩整体电路设计

检测桩的核心依然采用STM32C8T6作为CPU。其外围电路包括供电电源电路、读取土壤氮磷钾含量电路、读取土壤温湿度电路、水电阀控制电路、系统CAN通讯电路、电瓶电压检测电路以及一些外接端口。电路系统图如图7。

图7 检测桩电路系统图

3.2 检测桩氮磷钾含量电路设计

土壤氮磷钾传感器利用RS-485传输数据。

工作原理：当传感器采集到土壤数据以后，通过RS-485模块发送。传感器芯片首先使能485_DIR将RS-485模块的RE置低，此时RS-485为发送模式，然后将数据通过TXD_485经保护电路传送至RS-485模块，最后通过RS-485模块经485_A和485_B传送至检测桩CPU。CPU对RS-485模块发送来的数据，进行初步地判断、分析、处理和缓存。这个过程中持续等待控制室系统发送的查询信号。当数据处理和缓存完备，且检测到查询信号，CPU将数据通过CAN通讯方式发送给控制室。

控制室系统实时查询检测桩CPU并接收到数据以后，将数据缓存并处理成可在控制室里液晶屏显示的信号。同时，对于接收到的数据进行一些判断和反馈。如果数据显示果树附近土壤的氮磷钾元素异于正常水平，控制室系统便会发出警告，提醒工作人员对异常的土壤区域，进行人工干预，调整土壤的氮磷钾元素含量。

图8 读取土壤氮磷钾电路设计

3.3 检测桩土壤温湿度采集设计

为了有效准确地测量土壤温湿度，该部分电路使用了土壤防护型温湿度传感器，该传感器采用了进口数字式温湿度传感器；土壤的含水量与脐橙的生长有着非常密切的关系，众所周知，土壤越深，土壤含水量越高，但“何处深度的含水量对脐橙生长影响最大？关系最密切？含水量多少最为合适？”等数据相当关键。根据土壤湿度与脐橙叶片含水量及果实生长量的关系[2]的研究表明，30 cm处的土层含水量与果实生长呈正相关；土壤含水量控制在18.22%～28.84%之间最适合脐橙树的生长；土壤水分过高与过低都不适合果树的生长。所以取样分析和灌水时应以30 cm土层深处为准，将该传感器埋入地下土壤30 cm处进行数据监控。

4 智慧果园程序设计

程序是智慧果园的灵魂。在复杂的外部环境下，整套系统安全有序的运行不仅靠外部硬件的支持，更需要程序来控制整个系统运行、检错纠正、协调各模块间配合，有机地融合在一起，从而为果树浇灌、追肥、辅助喷洒农药等，图9是设计的控制室和检测桩的程序流程图。

图9 智慧果园程序设计流程图

5 用户界面设计

为了显示参数，观察果园相关数据，提供一个可视化的人机操作接口，更好地观察和控制脐橙动态生长，选择一款彩色的串口触摸屏作为控制系统操作界面，它支持UGI上位机组态屏开发，开发完成控件、显示图片等通过SD卡就可以直接下载进屏幕(如图10)。

6 试验验证

软硬件设计完成并组装后，通过试验实现控制系统氮磷钾和温湿度实时检测及适时灌溉功能。图11、图12是CAN查询土壤数据分析处理代码及自动灌溉试验现象，试验显示，基于CAN的赣南脐橙智慧果园控制系统已成功实现实时检测和自动灌溉。

图10 用户界面UI设计

图11 CAN查询土壤数据分析处理代码

图12 自动灌溉试验现象

7 从实验室到实际果园的思考

本研究基于CAN技术，在实验室实现了控制室对脐橙所需土壤水分、温湿度、肥料的监测，从而按需进行自动灌溉，实现由传统农业向现代农业的迭代升级，减轻了果农工作负担，助力培育高品质脐橙，提高了竞争力。如何将科技转化实际生产力，主要从管道铺设大规模、太阳能蓄电放电安全可靠持久优化、电水阀功率增大及实际果园所需检测桩数量添加等方面着手改进或增大规模便可实现，同时实行地面生态养殖、树上生物防虫和空中影像监控三维立体角度满足脐橙生长环境的智能化、可视化、可控化，相信赣南脐橙产业一定会走上科技创造生产力的新台阶。