基于PLCC的茶園灌溉自動控制系統(tǒng)設計

（陜西理工學院 電氣工程學院，漢中 723000）

茶樹生長所需水分在自然條件下主要靠降水供給，我國茶葉產區(qū)降水量時空分布極不均勻，多數(shù)茶葉產區(qū)存在伏旱和秋旱現(xiàn)象，為減少這些現(xiàn)象對茶樹生長、茶葉品質、茶葉產量的影響，必須及時對茶園進行補充性灌溉[1]。節(jié)水灌溉是實現(xiàn)茶園補充性灌溉的有效手段。目前節(jié)水灌溉方式較多，控制的通信方式基本集中在RS-485通信以及無線網絡[2-4]。RS-485網絡布線存在布線多、施工難和成本高的問題，無線通信又存在通信距離短、電源供電以及抗干擾能力差等問題，如果利用運營商的無線網絡還存在長期維護的費用問題。

電力線載波通信PLCC（power line carrier communication），是利用電力線作為信號的傳輸媒介，通過載波方式將模擬或數(shù)字信號進行高速傳輸?shù)募夹g[5]。具有信息傳輸穩(wěn)定可靠、無需重新布線、節(jié)約系統(tǒng)成本且使用方便等特點，廣泛應用于電力網遠程抄表系統(tǒng)及電力網智能化改造系統(tǒng)中[6]。近年來隨著物聯(lián)網的發(fā)展，電力線載波通信在智能家居以及智能控制等領域發(fā)揮了重要作用。本研究以校園旁的茶園為試驗田，通過采用PLCC技術，實時采集茶園土壤濕度、空氣溫度，開發(fā)了一套茶園灌溉控制系統(tǒng)，測試取得了滿意的控制效果。

1 硬件設計

根據(jù)地形環(huán)境鋪設灌溉管道設施以及噴頭電磁閥和傳感器等提供電能的低壓電力線纜，通過電力線載波通信技術進行各個模塊以及總控制站之間的信息傳遞。各個節(jié)點將監(jiān)測到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳至主機（PC機）中的數(shù)據(jù)中心，數(shù)據(jù)中心以數(shù)據(jù)庫方式后臺存儲和管理數(shù)據(jù)。同時主機中的軟件算法對收集到的灌溉及環(huán)境參數(shù)進行分析、決策，最后將控制命令發(fā)布給各個相應的PLCC從站，達到控制目的。

1.1 網絡拓撲結構的設計

根據(jù)田地以及管道鋪設的特點，田間作物一般呈直線分布，因此總線型拓撲結構比較適合，如圖1所示。考慮到田間操作的安全性以及傳感器、執(zhí)行器的供電方便，電力線的電壓通過變壓器降壓至24 V。組網時各個節(jié)點均位于1個變壓器二次側內。

圖1 節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)總方案框圖Fig.1 Diagram of the water saving irrigation automatic control system for total solution

系統(tǒng)分為主模塊和從模塊，各個模塊通過24 V交流電力線相連。主模塊是網絡中的根節(jié)點，位于控制室內，主機是1個PC機，其和PLCC通過串口線相連。從模塊均位于田間現(xiàn)場，從機是1個單片機，其和PLCC通過串口線相連。主機和從機采用主從式多機通信方式。

1.2 節(jié)點的功能設計

主模塊和從模塊中的PLCC選用宏訊電子提供的 HL-PLC電力線載波模塊，其主芯片型號是HLPLCS520F。HL-PLC電力線載波模塊采用頻移鍵控FSK（frequency shift keying）通訊方式，又稱數(shù)字頻率調制，該通信方式是用數(shù)字信號去調制載波的頻率，其主要優(yōu)點是容易實現(xiàn)、抗噪聲與抗衰減的性能好。軟件采用基于超模糊集的模糊算法，經典模糊集的隸屬函數(shù)值本身是一個確定的值，很難將不確定因素直接模型化表示出來，而超模糊集的每個隸屬函數(shù)值本身是一個模糊集合，可以很容易地描述不確定因素。廠家給出的測試結果表明，模塊HLPLC即使傳輸信號被干擾或丟失達40%，也能準確還原出原載波信號，通訊穩(wěn)定，抗干擾能力超強。HLPLC載波中心頻率72 k，其可以在過零發(fā)送模式和正常發(fā)送模式間自由切換，正常模式發(fā)送，載波線上有效數(shù)據(jù)速率可達5360 b/s；過零模式發(fā)送，載波線上數(shù)據(jù)速率為800 b/s。串口通訊速率1200 b/s、2400 b/s、4800 b/s、9600 b/s可選，偶校驗和無校驗可選，模塊采用全透明傳輸方式，無字符長度限制。

主模塊中電源管理模塊給PLCC提供電源支持，如圖2所示。電源管理模塊通過全橋整流，然后再通過穩(wěn)壓芯片 7812提供12 V電壓給PLCC。

圖2 主模塊結構Fig.2 Main module structure

圖3 從模塊結構Fig.3 Slave module structure

從模塊屬于末梢節(jié)點，如圖3所示。從機是一個單片機，型號采用STC900C516RD+，該單片機不需要專用的編程器和燒錄器，可通過串口線進行程序下載。從機收集來自田間現(xiàn)場的水分量信號以及溫度信號，并將此信號通過PLCC模塊傳送至主機，主機根據(jù)整體情況進行判斷，如需灌溉則將命令信號通過PLCC送回從機，從機輸出閥門信號給驅動器，驅動器驅動噴頭電磁閥門進行灌溉，當達到所需水分時關閉電磁閥門。

水分傳感器采用RHD-100型，探針長度55 mm，探針為不銹鋼材質，直徑3 mm，工作電壓5～12 V，測量主頻100 MHz，輸出電壓信號0～2 V。因其測量范圍較小（半徑為10 cm的范圍內），故在1個節(jié)點中使用了4個水分傳感器，其分布方式可以采用正方形4個頂角位置的方法。

水分傳感器采集到的信號是模擬信號，其需要模數(shù)轉換后才能發(fā)送給單片機。模數(shù)轉換器采用多路模數(shù)轉換芯片MAX186，MAX186是一個12位8通道單端/4通道差分模擬輸入ADC，其最高采樣頻率可達130 kHz，具有高通過率、低功耗、高精度等特性。水分模擬信號以差分輸入方式輸入給MAX186。

電磁閥采用FNSLP10，驅動電壓DC24 V，為防止驅動電路對單片機的影響，其間加入了光耦隔離TP521，驅動電路的保護使用快速恢復二極管FR304。

溫度傳感器采用DS18B20，這種傳感器采用單總線結構，直接將采集的信號以數(shù)字量的形式輸出，省去了模數(shù)轉換器。

2 軟件設計

主機為位于控制室內的監(jiān)控PC機，其在整個系統(tǒng)運行中起著至關重要的作用。系統(tǒng)基于Visual Basic 6.0開發(fā)，利用Visual Basic的SQL數(shù)據(jù)庫，將采集到的數(shù)據(jù)存放到數(shù)據(jù)庫中。主機管理功能框圖如圖4所示，功能分為4個部分：采集控制、參數(shù)設置、數(shù)據(jù)管理以及登陸管理。

圖4 主機管理功能框圖Fig.4 Host management function block diagram

系統(tǒng)的手動采集以及閥門的手動控制功能主要是作為測試用，正常工作處于自動采集，其采集的時間間隔可由控制參數(shù)進行設置，最短為3 min，最長為1 h。植物水分閾值設置可以根據(jù)不同作物進行不同的閾值設置。控制參數(shù)中可以設置采集的定時時間以及報警閾值設置。當系統(tǒng)正常工作時，從機采集現(xiàn)場溫度及水分信息并將數(shù)據(jù)通過串口和PLCC通信的方式發(fā)送給主機。如果主機檢測到的土壤水分值小于或等于植物水分閾值設置的下限，主機將啟動閥門的命令通過串口通訊和PLCC通訊的方式發(fā)給從機進行閥門控制。除此之外，為了避免從機的數(shù)據(jù)干擾和誤動作，主機會每隔3 min給從機發(fā)送閾值參數(shù)、定時參數(shù)以及閥門的控制命令。

3 測試

測試地點為校園旁的茶園。茶園中安裝固定式噴灌系統(tǒng)，采用搖臂式旋轉噴頭，射程10 m，試驗灌區(qū)為2個，每個灌區(qū)水分傳感器采用正方形分布，位置離中心噴頭為3 m，溫度傳感器和其中的一個水分傳感器安放在一起。HL-PLC電力線載波模塊設定為過零模式發(fā)送，通信速率設為1200 b/s。

為了驗證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑢λ謧鞲衅鱎HD-100采集并傳輸?shù)街鳈C中的水分信號和已標定的土壤水分進行了對比，標定設備為TSC-IV型土壤水分檢測儀。測試時，2種水分檢測設備檢測同一點的水分，采用手動采集方式，對比的結果如表1所示。

表1 水分信號采集數(shù)據(jù)及誤差Tab.1 Moisture signal gathering data and error

從表1可看出RHD-100傳感器采集并通過電力線載波模塊傳送到主機的數(shù)據(jù)和標定的TSC-IV型水分測試儀測得的水分數(shù)據(jù)比較接近，其誤差在5%以內，滿足灌溉設計要求。系統(tǒng)的通信距離經測試，在1200 b/s的波特率下可以達到近300 m的距離。為了驗證長期運行效果，將系統(tǒng)信號采集時間間隔設為10 min，經過一周的測試，系統(tǒng)運行良好。

4 結語

為達到茶園補充灌溉目的，本文將以往用于電力系統(tǒng)遠程抄表的電力線載波通信技術用于節(jié)水灌溉的遠程控制，設計了一套基于電力線載波模塊通信的噴灌控制系統(tǒng)，系統(tǒng)以主控室的主機為核心，以主從通信的多機通信模式對現(xiàn)場信號進行了遠程采集及控制，最后對系統(tǒng)進行了測試，數(shù)據(jù)傳輸誤差率低，設備運行可靠、穩(wěn)定。系統(tǒng)的控制距離達到了近300 m，如果需要更遠距離的控制，有2種思路，一是增加中繼器，二是進一步完善通信協(xié)議，這也是下一步的工作任務。本文提出的控制方法不僅達到了茶園補充灌溉自動控制的目的，同時給節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)提供了新的思路。系統(tǒng)不僅達到了控制目的，節(jié)約了水資源，同時節(jié)約了大量通信電纜，具有很好的應用價值。

[1] 韓安太，何勇，陳志強，等.基于無線傳感器網絡的茶園分布式灌溉控制系統(tǒng)[J].農業(yè)機械學報，2011，42（9）：173-179.

[2] 薛巖，張建鋒，李鵬宇，等.基于需水模型的精細灌溉控制系統(tǒng)軟件設計[J].計算機工程與設計，2014，35（9）：360-364.

[3] 賈艷玲，朱瑜紅，劉思遠.基于無線傳感網絡的枸杞園智能灌溉系統(tǒng)設計[J].湖北農業(yè)科學，2014，53（23）：255-258.

[4] 李野，董守田，黃丹丹.基于ZigBee技術的水稻自動灌溉控制系統(tǒng)設計[J].農機化研究，2015（2）：226-229.

[5] 戚佳金，陳雪萍，劉曉勝.低壓電力線載波通信技術研究進展[J].電網技術，2010，34（5）：161-172.

[6] 徐偉，王斌，姜元建.低壓電力線載波通信技術在用電信息采集系統(tǒng)中的應用[J].電測與儀表，2010，47（7A）：44-47.