自組網型高效節能節水灌溉控制系統設計

李柏林，劉白楊，陳嘉偉，程 鋼

（邵陽學院，電氣工程系，湖南邵陽，422000）

自組網型高效節能節水灌溉控制系統設計

李柏林，劉白楊，陳嘉偉，程 鋼

（邵陽學院，電氣工程系，湖南邵陽，422000）

針對目前我國存在農業灌溉水資源浪費嚴重、耗電量大的問題，設計了一套基于STM32自組網型高效節能節水灌溉控制系統，本系統采用太陽能光伏供電、無線組網和氣象數據分析等技術，緩解了農業灌溉用電需求緊張的局面，擴大了環境檢測范圍，通過制定精細化灌溉方案，實現了高效節能節水的目的。實驗結果表明，太陽能供電穩定可靠，系統運行功耗低，組網靈活可靠，數據監測范圍廣，實時獲取氣象數據，有效地降低了用電量和用水量，提高了灌溉效率。因此在經濟欠發達、水資源短缺和電能供應不足的地區本系統具有廣闊的應用前景。

農業灌溉；天氣預測；光伏發電；自組網

0　引言

我國雖然是一個人口大國，人口眾多，但是資源稀缺。在灌溉用水方面，南北、東西資源不協調，干旱的自然災害多，缺水嚴重，比如說我過的淡水的總量只占了全球的百分之六，人口總量卻是全球的五分之一，所以我國是全球人均水資源最貧乏的國家之一。總量不多，再除去偏遠地區的和分散的水資源，可以利用的總量就更少了，僅為我國總量的二分之一不到。而我國農業還不是集中化的管理，所以用水量很大，灌溉效率低，整體用水非常浪費。

在灌溉用電方面，每年灌溉期，農業負荷季節性增長較快，嚴峻考驗著電網運行及主設備負載能力，給電網的安全可靠供電帶來很大壓力。如何在春夏季灌溉高峰期保證農業負荷用電，不誤農時，是目前研究的一個熱點問題之一。

可見，高效節能節水灌溉系統對于節約水資源、緩解供電緊張局面具有重要的現實意義。鑒于此設計一套自組網型高效節能節水灌溉控制系統，采用太陽能光伏供電系統，對土壤和空氣環境進行實時檢測，各檢測點之間自動組網，數據無線傳輸，擴大檢測范圍，并結合氣象預測數據對灌溉實施決策，從真正意義上實現綜合高效節能節水農業灌溉，根據農作物生長的不同階段使其處于最佳的土壤濕度環境之中，提高農作物產量的同時節省水資源。

1　總體設計

本系統采用太陽能光伏發電系統供電，通過無線自組網數據采集模塊對土壤中含水量以及空氣溫濕度等環境數據進行采集，并傳輸到處理器，另外處理器通過網絡模塊不僅可以實時上傳數據到云端，通過web和手機app進行監控，還可以遠程獲取氣象局的天氣數據，并對數據進行解析，合理安排灌溉計劃。系統采用微分先行PID進行綜合控制，智能的調節繼電器的開關時長，實現高效智能全自動的農業節水灌溉，系統結構框圖如圖1所示。

圖1　自組網型高效節能節水灌溉控制系統結構框圖

1　系統的硬件設計

1.1數據采集節點。節點由STM32單片機與NRF24L01無線射頻模塊組成。STM32采用STM32F103C8T6閃存32位微控制器。它基于突破性的ARMCortex-M3內核，工作頻率為72 MHz，內部集成了高速存儲器（高達128 Kb閃存和20 KbSRAM）、通過APB總線連接豐富增強的外設和I/O，另外包含了2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM定時器，還包含標準和先進的通信接口：2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN。

無線組網模塊采用NRF24L01，這是一款極低功耗的射頻模塊，相比于Zigbee，它同樣低功耗并且可組網，但價格更低，傳輸距離更遠，在50M以內丟包率接近于0，當工作在發射模式下即發射功率為0dBm時，電流消耗僅為11.3mA ，接收模式下僅為12.3mA，在沒有數據傳輸時，自動進入掉電模式或待機模式，從而減少更多的電流消耗。

圖2　數據采集節點原理圖

圖3　SIM900A硬件原理圖

圖4　自組網流程圖

節點與傳感器連接之后便可采集數據，節點之間通過一套自組網協議進行逐級連接，然后將數據傳輸到單片機中心節點進行綜合處理。節點原理圖如圖2所示。

1.2網絡通信節點。節點由STM32單片機、NRF24L01無線射頻模塊、SIM900A模塊組成。SIM900A是緊湊型、高可靠性的網絡通信模塊，采用SMT封裝的雙頻GSM/GPRS模塊解決方案，性能穩定，外觀精巧，性價比高，并且能夠滿足設計的多種需求。通過STM32的異步串行口發送AT指令，可以操作SIM900A模塊以GPRS方式與PC上位機、網絡服務器等進行遠程通訊，這使得節點更加強大，由此將其作為整個自組網網絡的中心節點，負責匯總并分析各節點信息，并進行灌溉控制。SIM900A的硬件原理圖如圖3所示。

2　系統的軟件設計

2.1自組網數據采集與低功耗優化。為滿足農田系統大規模數據采集的需要，設計了一套基于低功耗NRF24L01的自組網協議，整個協議層具有完全的自主知識產權，其組網流程如圖4所示，它具有以下特點：

（1）自動搜尋和連接，斷網可重連；

（2）層級輻射式組網，理論上可連接數萬個節點；

（3）載波檢測，僅在信道通暢條件下傳輸，避免擁擠；

（4）高效節能，性價比高。

由于節點布置數量較多，因此有必要進行一定的低功耗優化，程序充分利用STM32的特點做了如下改進：

（1）盡量不使用STM32的高頻systick clock、DMA、TIM等外設，同時設置睡眠模式，通過外部中斷（無線模塊接收到數據時可觸發）和RTC低功耗時鐘定時喚醒，設置之后功耗從幾十mA降至約3mA；

（2）輸入管腳模式設為和常態一致，如果常態是低電平則設為下拉輸入，反之則設為上拉輸入，防止形成回路，白白消耗電流，未連接的管腳則全部設為下拉輸入，防止產生漏電流；

（3）避免復雜運算，如指數運算、浮點乘除，改用移位運算或查表操作，減少處理時序，增加休眠時間，節省更多能耗。

經過一系列優化之后，單片機功耗可降至幾十uA左右。

2.2天氣數據獲取與墑情監測。系統使用GPRS通信模塊與氣象服務器連接，下載并解析當天和未來多天的天氣數據，天氣類型有三十余種，鑒于天氣預測的不確定性，這里只摘取今明后三天，天氣按照等級排列，晴天排在0號，根據降雨概率和降雨量從小到大依次往后排，降水變化對作物的需水量有一定影響，所以根據未來天氣情況可以在一定程度上預知需水量變化，結合本地所測數據進行綜合分析，從而優化灌溉策略，提高灌溉效率。

同時，實時上傳土壤墑情數據到云端服務器，并保存在數據庫中，使用Web或手機App可對土壤墑情進行遠程實時數據監測及歷史數據查詢，方便并及時處理異常情況，如水管爆裂或漏水等，防止水資源浪費。示意如圖5所示。

圖5　天氣預測數據獲取與墑情檢測示意圖

2.3系統決策與控制方式。單片機通過控制一個繼電器，間接的對執行機構進行控制，這適用于多種控制對象，可以為水泵，也可以為電磁閥等。

圖7　現場調試實物圖

圖8　web上位機顯示的系統控制實物圖

地表土壤的水分收支主要受兩個因素的控制，一個是來自大氣的降水，另一個是地表的蒸散，由于本系統進行的是實時控制，所以可以不考慮地表蒸散，只引入降水情況觀測，也即天氣預報功能，天氣預測只使用明后兩天的天氣，設明天的天氣為S1，后天的為S2，K1、K2為兩個合理的比例系數。則

灌溉的自動控制是一個大慣性、純滯后、非線性的過程，常規的PID控制方法很容易就會引起超調，導致過分灌溉而浪費水資源，針對灌溉控制的特殊性，系統采用微分先行的控制方案，它的特點是能夠按照被控參數變化速度大小矯正被控參數的偏差，對克服超調能起到很大作用，系統原理圖如圖6所示。

圖6　微分先行控制系統原理圖

其中X（s）為給定量，F（s）為擾動量，Y（s）為輸出，為滯后時間常數。同時，將時間分割成若干個單位時間，一般為（1-3），這一時間段內控制對象已經變化并趨于平穩。定義灌溉強度（%）為單位時間內灌溉時長與整個單位時長的比值，系統的控制對象為土壤濕度（%），輸出量則為灌溉強度，100%強度為單位時間內一直灌溉，0%強度即單位時間內不灌溉。

3　調試和性能分析

實驗在室外進行，實物如圖7所示，調整太陽能板使之迎向太陽光，用多塊干燥的鮮花泥模擬真實土壤，周圍安裝三個STM32單片機控制的數據節點，以及一個帶有LCD顯示屏的STM32單片機控制終端，它們都接有一個無線模塊，傳輸距離可達100米，具有穩定的自組網性能，這里將他們放在一起，以便觀察。設定濕度為70%，單片機通過GPRS模塊獲取今明后三天的天氣（陣雨），將設定值自動調整為61%，以節約用水量。

調試結果每隔10s一次上傳到云端，從Web查看的土壤墑情曲線，如圖8所示，結果表明，系統的調節時間約為100s，超調量低于設定值的10%，靜態特性良好，保持在5%的波動范圍以內，完全達到設計要求，具有理想的控制效果。

4　結語

本作品緊緊圍繞“節能減排，綠色能源”主題，設計思路獨特，設計方法新穎，包括：

（1）自動獲取并分析氣象局天氣預報信息，結合本地墑情數據，提出一種用于節水灌溉的微分先行PID控制策略；

（2）提出一種“輻射式”無線自組網傳輸協議，實現了大面積土壤和空氣環境檢測；

（3）實時上傳土壤墑情到云服務器，通過手機App、Web遠程實時監測和歷史數據查詢；

（4）提出一種基于太陽能光伏供電的系統低功耗運行控制策略。

因此在經濟欠發達、水資源短缺和電能供應不足的地區本系統具有廣闊的應用前景，對提高農業灌溉水資源利用率、滿足農業灌溉用電需求具有重要的現實意義。

［1］ 邵福宏.發展節水灌溉技術的現實意義［J］.農民致富之友，2015，（4）：10.

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［3］ 王鑫.春夏季灌溉高峰期農業用電措施探討［J］.新疆農墾科技，2011，（4）：77-78.

［4］ 于紅文.農村灌溉用電存在的問題及對策［J］.中國價格監督檢查，2012，（6）：23.

［5］ 金立民，王守國，葛子輝.長豐縣農業灌溉用水用電調查與研究［J］.安徽農學通報，2014，20（12）：141-142.

李柏林，（1994年2月-）男，漢族，湖南省岳陽市，本科生，研究方向：控制系統分析與設計；

劉白楊（通訊作者），（1987年3月-）男，漢族，河北省邢臺市，碩士，講師，研究方向：電氣自動化控制系統分析與設計

Research on the Energy and Water-saving Intelligent Control System in agricultural irrigation

Li Bailin，Liu Baiyang，Chen Jiawei，Cheng Gang
（Department of electrical engineering， Shaoyang University， Shaoyang， Hunan 422000）

Water resources shortage is a key factor restricting agricultural production and sustainable socio-economic development in China. Also technical production efficiency，agricultural water waste and inefficient water use in farming regions contribute immensely to water resources shortage.To this end，the functions of photovoltaic generation，self-organizing network，weather forecast are realized in this intelligent control system. The prototype testing for energy and water-saving operational performance shows reliable photovoltaic power supply，convenient organizing network，large data acquisition scope and realtime collecting weather information.This agricultural irrigation control system will be a promising applied future in the field of acute water or electricity shortages.

agricultural irrigation；weather forecast；photovoltaic generation；self-organizing network

校企合作電氣類專業人才培養省級示范基地建設項目（湘教通〔2015〕274號）；2016年度湖南省大學生研究性學習和創新性實驗計劃項目（273）