<p>溫室分區(qū)多時(shí)段灌溉控制系統(tǒng)蔡 吉晨1， 2， 3， 4， 楊 碩1， 2， 3， 4， 王 秀2， 3， 4( 1 中 國農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院 ， 北京 100083; 2 國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心 ， 北京100097; 3 農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ， 北京 100097; 4 農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 ， 北京100097)摘 要 : 針對溫室植物分區(qū)種植 、多時(shí)段和定量滴灌管理的問題 ， 設(shè)計(jì)了一種溫室分區(qū)多時(shí)段定量灌溉控制系統(tǒng) ， 參數(shù)設(shè)置界面 、中心處理單元和各末端控制單元組成 。其中 ， 參數(shù)設(shè)置界面設(shè)置各分區(qū)總流量和各時(shí)段信息 ， 與中心處理單元經(jīng)串口進(jìn)行交互 ; 中心處理單元解析各數(shù)據(jù) ， 通過電臺無線數(shù)傳模塊搭建無線局域網(wǎng)絡(luò) ; 各末端控制單元接收指令 ， 實(shí)現(xiàn)溫室各分區(qū)定時(shí) 、定量滴灌的目的 。溫室試驗(yàn)結(jié)果表明 : 該系統(tǒng)有效的通訊范圍為25m， 溫室滴灌量控制準(zhǔn)確率為 92% ， 能夠達(dá)到溫室分區(qū)灌溉的要求 。關(guān)鍵詞 : 分區(qū)灌溉 ; 溫室管理 ; 局域網(wǎng)絡(luò) ; 流量控制中圖分類號 : S6253 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 : A 文章編號 : 1003 188X( 2019) 01 0085 050 引 言溫室管理作為 溫室產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié) ， 已由大勞動力投入轉(zhuǎn)向?yàn)樽詣踊?、智能化控制 ， 實(shí)現(xiàn)光照 、溫度 、水分和二氧化碳濃度等植物生長所需的人為控制 ， 增加了農(nóng)作物的產(chǎn)量 ， 改變了農(nóng)作物的產(chǎn)季 ， 提高了經(jīng)濟(jì)效益 。溫室水肥灌溉是溫室管理的重要組成部分 ，主要包括溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng) 1 5、灌 溉決策系統(tǒng) 6 7和水肥實(shí)時(shí)執(zhí)行系統(tǒng) 8 9。水肥實(shí)時(shí)執(zhí)行 系統(tǒng)主要解決施用方法 、施用量和施用時(shí)間的問題 。大面積溫室的出現(xiàn) ， 遠(yuǎn)距離有線鋪設(shè)不僅浪費(fèi)材料 ， 也增加了溫室投入成本 ， 使無線控制成為主流 ; 分區(qū)種植 、分區(qū)灌溉的出現(xiàn) ， 為溫室單體構(gòu)建局域無線通訊網(wǎng)絡(luò)提出了新的問題 ; 統(tǒng)一時(shí)段大量灌溉 ， 受植物吸收能力限制 ， 造成水肥浪費(fèi) ， 不利于具有針對性的水肥灌溉方法的實(shí)施 。溫室水肥實(shí)時(shí)執(zhí)行系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中仍有待完善 。針對以上問題 ， 為解決具有分區(qū)種植特點(diǎn)的溫室水肥灌溉問題 ， 采用多時(shí)段 、分區(qū)灌溉方法 ， 搭建溫室單體無線控制局域網(wǎng)絡(luò) ， 采用模塊化的設(shè)計(jì)思路 ， 設(shè)計(jì)了一種溫室分區(qū)多時(shí)段灌溉執(zhí)行系統(tǒng) ， 具有易于推廣和擴(kuò)展的特點(diǎn) 。收 稿日期 : 2017 09 01基金項(xiàng)目 : 北京市農(nóng)業(yè)科技項(xiàng)目 ( 20170112)作者簡介 : 蔡吉晨 ( 1989 ) ， 男 ， 山 東鄒城人 ， 博士研究生 ， ( E mail)caijichen foxmail com。通 訊作者 : 王 秀 ( 1968 ) ， 男 ， 河 北萬全人 ， 研究員 ， 博士生導(dǎo)師 ， ( E mail) wangx nercita org cn。1 系 統(tǒng)方案設(shè)計(jì)11 系 統(tǒng)總體方案本系統(tǒng)主要由參數(shù)設(shè)置界面 、中心處理單元和各末端控制單元組成 ， 如圖 1 所示 。圖 1 系 統(tǒng)總體方案示意圖Fig 1 The structure of the system overall scheme參數(shù)設(shè)置界面主要進(jìn)行分區(qū)流量值設(shè)置和開啟時(shí)間 設(shè)定 ， 通過 232 接口與中心處理單元進(jìn)行通訊 ， 中心處理單元通過 232 接口連接 GW YL 100IL 型電臺數(shù)傳模塊 。該電臺數(shù)傳模塊采用無線電臺進(jìn)行傳輸 ， 具有收發(fā)一體 、半雙工及數(shù)據(jù)收發(fā)轉(zhuǎn)換自動完成的功能 ， 其配置工作頻率為 433MHz， 串口傳輸速率為·58·2019 年 1 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 1 期DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2019.01.0149 600bps， 信 道速率為 9 600bps， 電臺數(shù)傳模塊采用透傳的方式傳輸 ， 可任意擴(kuò)展接收節(jié)點(diǎn) ， 增強(qiáng)了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性 。末端控制單元通過接收電臺數(shù)傳模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù) ， 解析出對應(yīng)的啟動時(shí)間和灌溉量信息 ， 對應(yīng)溫室各分區(qū)實(shí)現(xiàn)水肥灌溉 。12 參數(shù)設(shè)置界面參數(shù)設(shè)置界面主要具有系統(tǒng)時(shí)間顯示 、文本輸入 、按鈕輸入和數(shù)據(jù)傳輸接口功能 。本系統(tǒng)選擇的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置界面為 DC80600B080_03WK_TC 型串口觸摸屏 ， 以 Cortex M3 和高速 FPGA 雙處理器為核心 ， 具有如按鈕 、文本 、系統(tǒng)時(shí)間等常用組件控件 ， 通過串口與 MCU 進(jìn)行交互 。觸摸屏應(yīng)用電路如圖 2 所示 。每觸發(fā)一次組態(tài)控件事件 ， 串口屏通過配置將會通過串口發(fā)送相應(yīng)的 16 進(jìn)制指令 ， 也可通過 MCU 串口發(fā)送相應(yīng)的指令觸發(fā)相應(yīng)的事件 ， 以利于 MCU 與觸摸屏之間的交互實(shí)現(xiàn) 。圖 2 觸摸屏應(yīng)用電路Fig2 Application circuit of the touch screen13 中 心處理單元中心處理單元主要由 STC12C5A60S2 單片機(jī) 、TTL 轉(zhuǎn)串口模塊參數(shù)設(shè)置界面及電臺數(shù)傳模塊組成 ，如圖 3 所示 。為適應(yīng)溫室內(nèi)供電環(huán)境 ， 采用 220V 轉(zhuǎn)DC5V 開關(guān)電源為單片機(jī)系統(tǒng)供電 。STC12C5A60S2單片機(jī)集成雙串口 ， 單片機(jī)通過 UAT1 經(jīng) TTL 轉(zhuǎn) 232模塊 ， 通過 232 交叉串口線與串口觸摸屏進(jìn)行交互 ，獲取參數(shù)設(shè)定信息 ， 通過 UAT2 經(jīng) TTL 轉(zhuǎn) 232 模塊與電臺數(shù)傳模塊通訊 ， 用于將各設(shè)定值發(fā)送給末端控制單元 。14 末端控制單元末端控制單元主要由 STC12C5A60S2 單片機(jī) 、電臺數(shù)傳模塊 、流量傳感器 、固態(tài)繼電器模塊和電磁閥等構(gòu)成 ， 如圖 4 所示 。整個(gè)末端控制單元由 AC220V開關(guān)電源供電 ， 該開關(guān)電源選用具有 DC12V 和 DC5V雙電壓輸出的功能 ， DC12V 為滴灌管路專用電磁閥供電 ， DC5V 為 MCU 系統(tǒng)及電臺數(shù)傳模塊供電 。MCU 通過電臺數(shù)傳模塊接收的啟動指令和流量設(shè)定值 ， 打開GTD W 5A 型固態(tài)繼電器模塊 ， 打開滴灌管路專用電磁閥 ， 通過 USC HS43TB 型流量傳感器記錄流量信息至流量設(shè)定值后 ， 從而關(guān)閉電磁閥 ， 切斷管路通道 ， 停止滴灌 。圖 3 中心處理單元硬件示意圖Fig3 The hardware structure of the center unit圖 4 末端控制單元硬件示意圖Fig4 The hardware structure of the terminal control unit2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)21 參數(shù)設(shè)置界面設(shè)計(jì)參 數(shù)設(shè)置界面采用 Visual TFT 組態(tài)編程環(huán)境編寫 ， 主要由流量設(shè)置界面 ( 見圖 5) 和時(shí)間設(shè)置界面( 見圖 6) 組成 。流量設(shè)置界面主要由分片 ( 以 8 個(gè)分區(qū)為例 ) 流量設(shè)置文本框 、啟動按鈕和時(shí)間設(shè)置界面切換按鈕構(gòu)成 。中心處理單元 MCU 可以讀取對應(yīng)流量設(shè)置文本框的 ID 號碼解析出各區(qū)流量設(shè)置值 ; 通過讀取啟動按鈕的事件觸發(fā)指令對末端控制單元發(fā)出啟動 、停止指令及各文本框參數(shù)信息 ; 通過時(shí)間設(shè)置界面切換按鈕實(shí)現(xiàn)時(shí)間設(shè)置界面的切換 。時(shí)間設(shè)置界面主要由時(shí)間輸入文本框 ( 以 4 個(gè)時(shí)間段為例 ) 、系統(tǒng)時(shí)間顯示和啟動 /禁用時(shí)間段設(shè)置按鈕組成 。由于該組態(tài)軟件中未設(shè)置時(shí)間輸入專用文本框功能 ， 本·68·2019 年 1 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 1 期文 通過兩個(gè)文本框組合 ， 即 HH( 0 24) 和 MM( 0 60) 進(jìn)行以 24h 制為參考的啟動時(shí)間設(shè)置 ， 中心處理單元 MCU 通過比對讀取系統(tǒng)時(shí)間數(shù)值與時(shí)間輸入文本框的數(shù)值向末端控制單元發(fā)送啟動 /停止指令 ; 啟動 /禁用按鈕用于設(shè)置該啟動時(shí)間是否處于工作狀態(tài) ， 將啟動時(shí)間段設(shè)置在 1 4 個(gè)之間靈活變化 。圖 5 流量設(shè)置界面圖Fig5 The chart of flow setting interface圖 6 時(shí) 間設(shè)置界面Fig6 he chart of time setting interface22 中 心處理程序中心處理程序主要完成與參數(shù)設(shè)置界面進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和發(fā)送指令至末端執(zhí)行程序兩部分功能 。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?， 分別通過 UAT1 和 UAT2來實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置界面和末端執(zhí)行程序之間的數(shù)據(jù)傳輸 ， 中心處理程序的程序流程圖如圖 7 所示 。圖 7 中心處理程序流程圖Fig7 The flow chart of central processing·78·2019 年 1 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 1 期程 序開始后 ， 首先對串口 UAT1、UAT2 和定時(shí)中斷等參數(shù)進(jìn)行初始化 ， 串口 1 打開后 ， UAT1 中斷程序開始等待接收指令 ， 當(dāng)串口觸摸屏觸發(fā)事件向中心 MCU 發(fā)出指令后 ， 首先將接收到的數(shù)據(jù)存入暫存數(shù)組 ， 進(jìn)行完整性判斷 ， 當(dāng)接收到一條完整的數(shù)據(jù)后 ，通過結(jié)構(gòu)體預(yù)定義函數(shù) ， 執(zhí)行對應(yīng)的子程序 。執(zhí)行的子程序主要有流量設(shè)置文本框子程序 、時(shí)間設(shè)置文本框子程序 、系統(tǒng)時(shí)間設(shè)置子程序 、程序啟動 /停止事件和時(shí)間段啟動 /禁用事件子程序 。在流量設(shè)置子程序中根據(jù)文本框的 ID 號碼區(qū)分出對應(yīng)的文本框位置 ，提取出文本框數(shù)值 ， 同時(shí)將流量設(shè)置數(shù)值嵌入到字符“$ Flowa， 0000 0， #”的第 7 12 位中 ， 對應(yīng) 1 8 個(gè)分區(qū) ， 字符串第 5 位分別對應(yīng)字符 a h， 并將該字符串發(fā)送至 UAT2 進(jìn)行發(fā)送 。當(dāng)至少啟動一個(gè)時(shí)間設(shè)置啟動 /禁用按鈕后 ， 系統(tǒng)定時(shí)向 UAT1 發(fā)送讀取系統(tǒng)時(shí)間的指令 ， 獲取系統(tǒng)時(shí)間后 ， 將 16 進(jìn)制系統(tǒng)時(shí)間數(shù)據(jù)截取出 HH 和 MM 信息 ， 轉(zhuǎn)換為整型與時(shí)間設(shè)置文本框子程序中接收到的 HH 和 MM 信息進(jìn)行對比 ， 當(dāng)二者相等時(shí) ， 發(fā)送打開電磁閥指令 “$ KEYON”至UAT2。當(dāng)系統(tǒng)啟動按鈕事件發(fā)生后 ， MCU 間隔200ms 向 UAT1 發(fā)送讀取各文本框 、按鈕指令 ， 發(fā)送完成后 ， UAT1 接收到各文本框和按鈕數(shù)據(jù) ， 并將各數(shù)據(jù)暫存入 UAT2 發(fā)送數(shù)組中進(jìn)行依次發(fā)送 ， 以保證系統(tǒng)每次啟動時(shí)向電臺數(shù)傳模塊發(fā)送最新的設(shè)置參數(shù)信息 。工作結(jié)束后 ， 當(dāng)按下系統(tǒng)停止按鈕后 ， 發(fā)送關(guān)閉電磁閥指令字符串 “$ KEYOF”， 停止工作 。23 末端執(zhí)行程序末端執(zhí)行程序主要完成接受啟動 /停止系統(tǒng)指令 、接收對應(yīng)分區(qū)流量設(shè)置信息 、進(jìn)行流量統(tǒng)計(jì)計(jì)數(shù)及開關(guān)滴灌管路電磁閥的功能 ， 程序流程圖如圖 8 所示 。初始化串口打開后 ， 開始接收指令 ， 根據(jù)數(shù)據(jù)前 6位指令差異 ， 進(jìn)行指令判別 ; 確定指令后 ， 繼續(xù)接收指令字符串 ， 將對應(yīng)指令標(biāo)志位置 1， 跳出串口程序 。主程序中判斷各子程序入口標(biāo)志位是否為 1， 當(dāng)流量截取指令表位為 1 時(shí) ， 截取第 7 12 位數(shù)值 ， 得到流量設(shè)定值 ， 并存入流量設(shè)置變量 ; 接收到 “$ KEYON”指令后 ， 打開外部中斷 0 入口 ， 啟動電磁閥 。外部中斷 0 入口打開 ， 等待中斷響應(yīng) ， 獲得流量傳感器的流量脈沖信號 ， 計(jì)數(shù)值 Spray_Count + + ， 根據(jù)試驗(yàn)測定流量累計(jì)數(shù)值為 250Pulse/L， 每 100mL 計(jì)數(shù) 1 次 ， 計(jì)數(shù)值Spray_100ml + + ， 由于流量設(shè)定值為帶 1 位小數(shù)的數(shù)值 ， 通過將流量設(shè)定值 x10 轉(zhuǎn)換為整數(shù)進(jìn)行比較 ; 當(dāng)?shù)竭_(dá)流量設(shè)定值后 ， 關(guān)閉電磁閥 ， 同時(shí)將各計(jì)數(shù)值清零 ，關(guān)閉外部中斷 。接收到 “$ KEYOF”指令后 ， 系統(tǒng)會強(qiáng)制將電磁閥關(guān)閉 。同時(shí) ， 將各計(jì)數(shù)值清零 ， 關(guān)閉外部中斷 0， 作為急停開關(guān)指令使用 。圖 8 末端執(zhí)行程序流程圖Fig8 The flow chart of the terminal control processing3 系 統(tǒng)試驗(yàn)本系統(tǒng)主要用 于溫室內(nèi)分區(qū)灌溉 ， 關(guān)鍵控制參數(shù)包括有效通訊距離 、通訊準(zhǔn)確率及管路流量的控制精度 。有效通訊距離測試中 ， 試驗(yàn)地點(diǎn)為北京市農(nóng)林科學(xué)院小湯山試驗(yàn)基地溫室大棚 ( 長 51m， 寬 8m) 內(nèi)進(jìn)行 ， 每個(gè)通訊距離重復(fù) 100 次試驗(yàn) ， 接連發(fā)送字符串長度為 112 個(gè) ， 對數(shù)據(jù)完整性進(jìn)行判定 。試驗(yàn)測定結(jié)果表明 : 通訊距離為 30m， 通訊準(zhǔn)確率為 80% ; 通訊距離為 25m， 通訊準(zhǔn)確率為 100%。管路流量控制精度測試 ， 在溫室管路中工作壓力為 0 2MPa， 經(jīng)標(biāo)定流量傳感器參數(shù)為 34 2Pulse/100mL， 測量 10 組數(shù)據(jù) ( 見圖 9) ， 在 設(shè)定 1 000mL 下 ，·88·2019 年 1 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 1 期管路總流量平均值為 1 087mL， 流量控制精度為 92%。圖 9 管路流量控制 精度試驗(yàn)結(jié)果Fig8 The results of pipeline flow control accuracy test4 結(jié) 論1) 基于電臺無線傳輸模塊 ， 設(shè)計(jì)了一種溫室分區(qū)多時(shí)段灌溉控制 系統(tǒng) ， 能夠?qū)崿F(xiàn)管路流量設(shè)置及分時(shí)段無線控制 。該系統(tǒng)采用模塊化的封裝設(shè)計(jì) ， 利于安裝和推廣 。2) 該系統(tǒng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了多流量值 、多時(shí)段參數(shù)設(shè)置 ， 利用文本框組合的形式構(gòu)建了 24h 制以分鐘計(jì)時(shí) 、串口屏?xí)r間設(shè)置的方法 ， 以及串口數(shù)據(jù)交互程序 ，使系統(tǒng)應(yīng)用局域網(wǎng)絡(luò)工作可靠 。3) 試驗(yàn)結(jié)果表明 : 該系統(tǒng)有效通訊距離為 25m，通訊準(zhǔn)確率為 100% ， 對大面積溫室 ( 60 100m2) 單體 進(jìn)行組網(wǎng)時(shí) ， 通過設(shè)置中轉(zhuǎn)收發(fā)站實(shí)現(xiàn)大面積溫室內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸 ; 管路流量準(zhǔn)確率為 92% ， 標(biāo)準(zhǔn)差為 1552mL， 說明管路流量控制具有較好的穩(wěn)定性 ， 可滿足滴灌管路流量控制的農(nóng)業(yè)應(yīng)用要求 。參考文獻(xiàn) : 1 王 嘉寧 ， 牛新濤 ， 徐子明 ， 等 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室 CO2濃 度監(jiān)控系統(tǒng) J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) ， 2017， 48( 7) :280 285， 367 2 許 朋 ， 孫通 ， 馮國坤 ， 等 基于 STM32 的智能溫室無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 農(nóng)機(jī)化研究 ， 2015， 37( 3) : 87 90 3 余 良俊 ， 汪小志 ， 劉志剛 ， 等 基于 AM 與 ZigBee 的溫室環(huán)境無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 農(nóng)機(jī)化研究 ， 2015， 37( 7) :97 100 4 鄒 偉 ， 王秀 ， 周建軍 ， 等 溫室環(huán)境無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) J 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào) ， 2013， 34( 5) : 251 255 5 戰(zhàn) 美 ， 劉春紅 ， 位耀光 ， 等 基于模糊控制的溫室溫濕度無線智能監(jiān)控系統(tǒng) J 農(nóng)業(yè)工程 ， 2013( 3) : 47 50 6 張 偉民 ， 王亞林 基于嵌入式 Web 的無線傳感溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 農(nóng)機(jī)化研究 ， 2013， 35( 8) : 125 127， 131 7 胡 瑾 ， 樊宏攀 ， 張海輝 ， 等 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室光環(huán)境調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào) ， 2014， 30( 4) :160 167 8 李 友麗 ， 郭文忠 ， 趙倩 ， 等 基于水分 、電導(dǎo)率傳感器的黃瓜有機(jī)栽培灌溉決策研究 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) ， 2017， 48( 6) : 263 270 9 劉 紅艷 ， 張明偉 ， 魏純 基于 AM 和 STM32 的樹苗無線灌水智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 農(nóng)機(jī)化研究 ， 2017， 39( 1) :132 136Greenhouse Zonal Multi period Irrigation Control SystemCai Jichen1 ， 2 ， 3 ， 4， Yang Shuo1 ， 2， 3， 4， Wang Xiu2， 3， 4( 1 College of Information and Electrical Engineering， China Agricultural University， Beijing 100083， China; 2 Beijingesearch Center of Intelligent Equipment for Agriculture， Beijing 100097， China; 3 Key Laboratory of Agri informat-ics， Ministry of Agriculture， Beijing 100081， China; 4 Beijing Key Laboratory of Intelligent Equipment Technology forAgriculture， Beijing 100097， China)Abstract: To solve the problem of zonal planting， multi period and quantitative irrigation of the greenhouse manage-ment， a control system which could multi period and quantitative irrigation according to the zonal was designed Thesystem was consists of a parameter interface， a central processing unit and terminal control units The parameter interfaceinteracts with the central processing unit through serial port for setting total flow per zone and time period informationThe central processing unit analyzed data The wireless local area network was set up by wireless data transmission mod-ule of radio station， and the terminal control units received instructions and realized the purpose of zonal， multi periodand quantitative irrigation Greenhouse test results show that the effective communication distance is 25m， and the accu-racy of controlling irrigation in greenhouse is 92% ， which could satisfy the requirement of zonal irrigation in greenhouseKey words: zonal irrigation; greenhouse management; local area network; flow control·98·2019 年 1 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 1 期</p>