基于無線通信的農(nóng)藥流量監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

高 斌， 張文愛， 鄒 偉， 王 秀

(1.太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，山西晉中 030600； 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)

在農(nóng)業(yè)管理作業(yè)中，病蟲草害防治作為十分重要的環(huán)節(jié)，同時也是勞動強(qiáng)度最大的作業(yè)環(huán)節(jié)，很大程度上決定了農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)和產(chǎn)量[1-3]。噴灑農(nóng)藥是病蟲草害防治的主要措施，而我國農(nóng)藥用量偏高、利用率偏低一直是行業(yè)最重視的突出問題[4-7]。“控量提效”是農(nóng)藥使用零增長的必要措施，農(nóng)藥的流量監(jiān)控則是其中的一個重要組成部分[8]。

我國目前的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中，大多數(shù)仍采用人工操作完成噴藥機(jī)的電磁閥啟?？刂?，這使得農(nóng)藥流量控制精度低，造成了大量的農(nóng)藥浪費(fèi)和環(huán)境污染。并且由于人工操作分散，不利于對噴藥過程實(shí)時監(jiān)控，若管路出現(xiàn)故障不能及時發(fā)現(xiàn)，非常容易造成漏噴現(xiàn)象，從而影響農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量。在多路農(nóng)藥管路流量控制時，信號線雜亂，為現(xiàn)場布線帶來難題；且線路易出現(xiàn)連接錯誤、短路和腐蝕損壞等情況，影響系統(tǒng)的可靠性[9-14]。

針對以上存在的問題，本研究設(shè)計了一套農(nóng)藥流量監(jiān)控系統(tǒng)，采用近距離無線通信穩(wěn)定的藍(lán)牙模塊取代有線電纜作為上、下位機(jī)的通信通道。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)上位機(jī)操作界面流量值設(shè)置，流量曲線監(jiān)控及數(shù)值顯示，并通過PID算法處理檢測到的流量傳感器信號進(jìn)行流量的精確閉環(huán)控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

流量監(jiān)控系統(tǒng)主要由控制器、流量傳感器、藍(lán)牙模塊、顯示模塊、驅(qū)動器、隔膜泵以及其他外圍電路組成，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框見圖1。其中，AVR單片機(jī)為控器核心，能夠?qū)崿F(xiàn)采集并處理傳感器數(shù)據(jù)、控制驅(qū)動器以及與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

1.1.1 控制器 農(nóng)藥流量監(jiān)控系統(tǒng)采用AVR ATmega16單片機(jī)作為控制核心，結(jié)合MAX485通信模塊、TLV5617型D/A轉(zhuǎn)換模塊等進(jìn)行流量監(jiān)控作業(yè)。AVR ATmega16單片機(jī)的定時計數(shù)器有一個非常有特點(diǎn)的功能——T/C1的輸入捕捉功能。該功能可以應(yīng)用于精確捕捉一個外部事件的發(fā)生，記錄事件發(fā)生的時間印記。因此，利用輸入捕捉功能可以實(shí)現(xiàn)對流量傳感器信號的精確測量。MAX485通信模塊是AVR控制器與上位機(jī)的連接紐帶，它完成將TTL電平轉(zhuǎn)換為 RS-485 電平的功能。D/A轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動器的模擬信號輸出控制。

1.1.2 流量測量模塊 流量測量模塊選用Gems公司的霍爾效應(yīng)FT-110系列部件號為173931的渦輪流量傳感器。該型號流量傳感器的流量測量范圍為0.5～5.0 L/min，其測量結(jié)果不受系統(tǒng)壓力變化影響，適合在線檢測流量。由于流量傳感器輸出的脈沖信號高電平為12 V，需經(jīng)過1個光電耦合電路將其轉(zhuǎn)換為5 V供單片機(jī)接收。光電耦合電路見圖2。

1.1.3 藍(lán)牙模塊 藍(lán)牙模塊選用廣州匯承信息科技有限公司的HC-06 2.0藍(lán)牙串口通信模塊，它的工作電流不大于50 mA，功耗較低，有效通信距離可達(dá)到10 m。在該系統(tǒng)中HC-06藍(lán)牙的模塊工作電壓為3.3 V，程序中設(shè)定波特率為9 600 b/s。使用時需要把藍(lán)牙的RX、TX端口通過TTL-RS485轉(zhuǎn)換模塊分別與單片機(jī)和上位機(jī)相連，TTL-RS485轉(zhuǎn)換模塊兼容3.3 V/5 V TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，硬件連接正確以后就可以與單片機(jī)和上位機(jī)實(shí)現(xiàn)透傳功能。

1.1.4 驅(qū)動器 為了滿足設(shè)計性能要求，驅(qū)動隔膜泵正常運(yùn)轉(zhuǎn)，本系統(tǒng)采用成都愛控電子科技有限公司型號為AQMD3610NS的直流有刷電機(jī)驅(qū)動器，調(diào)速方式設(shè)為0～5 V模擬信號PWM調(diào)速。系統(tǒng)工作時，上位機(jī)下發(fā)設(shè)定流量給主控制器，主控制器輸出相應(yīng)的模擬電壓信號給驅(qū)動器，從而驅(qū)動隔膜泵達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速。主控制器捕捉流量傳感器測得流量信號，與設(shè)定值對比，根據(jù)測量值與設(shè)定值的偏差，調(diào)整模擬電壓值的大小。當(dāng)測量值超過設(shè)定值時，通過減小模擬電壓值降低電機(jī)轉(zhuǎn)速，流量減??；當(dāng)測量值低于設(shè)定值時，增大模擬電壓值增加電機(jī)轉(zhuǎn)速，流量增大；系統(tǒng)實(shí)時調(diào)節(jié)，從而使實(shí)際流量維持在設(shè)定值合理區(qū)間內(nèi)。流量控制系統(tǒng)見圖3。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

1.2.1 上位機(jī)軟件設(shè)計 系統(tǒng)使用工控機(jī)作為人機(jī)交互界面，上位機(jī)軟件設(shè)計開發(fā)采用北京九思易自動化軟件有限公司的組態(tài)軟件“易控(INSEPEC)”，軟件主要具有流量值設(shè)置、曲線監(jiān)控及數(shù)顯的功能。軟件界面見圖4。

上位機(jī)通過打開/關(guān)閉按鈕控制與下位機(jī)通信，通信協(xié)議采用MODBUS協(xié)議，按鈕按下后自動對設(shè)置流量和實(shí)測流量進(jìn)行清零初始化。用戶鍵入設(shè)定流量值，單擊設(shè)置按鈕，上位機(jī)程序?qū)⒃O(shè)定流量值下發(fā)給下位機(jī)。上位機(jī)通過掃描查詢方式讀取下位機(jī)采集的流量數(shù)據(jù)，查詢周期為300 ms。軟件將讀回的流量數(shù)字顯示并進(jìn)行曲線監(jiān)控，還可以將相應(yīng)的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，供以后分析使用。

1.2.2 下位機(jī)軟件設(shè)計 流量系統(tǒng)的單片機(jī)控制系統(tǒng)采用功能模塊化程序結(jié)構(gòu)。根據(jù)模塊化軟件設(shè)計的要求將整個程序主要分為主程序設(shè)計、T/C1中斷服務(wù)程序以及串口通信和LED顯示子程序等。

1.2.2.1 主程序設(shè)計 主程序的功能主要有I/O端口、USART、定時器和LED顯示模塊初始化，使能全局中斷等。當(dāng)單片機(jī)接收到檢測指令后，計算得到與設(shè)定流量對應(yīng)的模擬電壓值輸出給電機(jī)驅(qū)動器。當(dāng)單片機(jī)捕捉到流量傳感器傳回的脈沖信號時，程序會跳轉(zhuǎn)到T/C1的捕捉中斷處理函數(shù)。單片機(jī)將計算的瞬時流量值通過串口發(fā)送到上位機(jī)，并在LED顯示器上顯示測量結(jié)果。單片機(jī)的主程序流程見圖5。

1.2.2.2 T/C1中斷服務(wù)程序 在本流量系統(tǒng)中僅使用1個16位的T/C1進(jìn)行流量傳感器脈沖信號周期的測量，涉及 T/C1 的溢出中斷和捕捉中斷2個中斷處理函數(shù)。單片機(jī)用 7.372 8 MHz 晶振，T/C1工作在計數(shù)器方式，時鐘源選用clkI/O/8，即將系統(tǒng)時鐘進(jìn)行8分頻，因此每計1個數(shù)的時間為1.085 μs。

T/C1設(shè)置為引腳ICP1的上升沿為外部事件的觸發(fā)。一旦ICP1上出現(xiàn)跳變，T/C1的硬件將自動同步地把當(dāng)前TCNT1的值復(fù)制到ICR1中，并申請捕捉中斷。在T/C1捕捉中斷服務(wù)程序中記錄下2個ICR1的值：1個為第1次觸發(fā)時的T/C1值，1個為第2次觸發(fā)時T/C1值。當(dāng)2個值都記錄下來后，將2個記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效性判斷和周期頻率的換算，隨即關(guān)閉T/C1所有的中斷并將結(jié)果交給主程序。

程序中還使用了T/C1的溢出中斷，該中斷主要用于記錄溢出的次數(shù)。T/C1計滿1次需要65 535個系統(tǒng)時鐘，約65 535×1.085 μs≈71.1 ms。當(dāng)溢出次數(shù)大于28即所測頻率小于0.5 Hz時，數(shù)據(jù)無效。單片機(jī)T/C1中斷服務(wù)程序流程見圖6。

2 試驗(yàn)研究

2.1 流量傳感器標(biāo)定試驗(yàn)

流量傳感器使用前，先對其進(jìn)行流量(Q)-脈沖頻率(f)標(biāo)定，F(xiàn)T-110流量傳感器標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。采用Matlab對表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，擬合方式采用基于單一變量的多項(xiàng)式逼近擬合，得到流量(Q)-脈沖頻率(f)方程式：

Q=9.532f-202.9。

(1)

式中：f為脈沖頻率(Hz)；Q為流量(mL)。

從表1可以看出，流經(jīng)流量傳感器的液體流量和其輸出脈沖頻率有良好的線性關(guān)系。將相應(yīng)方程寫入到控制程序，就可以根據(jù)實(shí)際需要控制噴藥流量。

2.2 噴藥流量測定試驗(yàn)

噴藥流量測定試驗(yàn)的測定方法采用單位時間計量法，定時時間為1 min，對管道內(nèi)的流量進(jìn)行測量。由于液體的體積在直接測量時精確度不高，誤差較大，因此，本試驗(yàn)通過測量液體質(zhì)量間接測得液體體積，再根據(jù)液體密度將重量換算為體積。

表1FT-110流量傳感器標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)所用高壓隔膜泵的最大輸出流量為5 L/min，流量傳感器的有效測量范圍為0.5～5.0 L/min。因此，本研究選擇隔膜泵最大輸出流量的20%～80%，即1～4 L/min作為試驗(yàn)設(shè)定流量值調(diào)節(jié)范圍進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測驗(yàn)證試驗(yàn)，增量為 0.5 L/min。其中，設(shè)定流量由上位機(jī)設(shè)定，測量值由監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)得到，實(shí)際流量值通過對1 min管道流出的液體稱質(zhì)量間接測得。每組試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)測定數(shù)據(jù)見表2。

表2試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)分析

注：相對誤差=|設(shè)定流量值-實(shí)際流量值|÷設(shè)定流量值×100%。

從表2可以看出，本流量監(jiān)控系統(tǒng)在各測試點(diǎn)的測量準(zhǔn)確度較高，設(shè)定流量與實(shí)際流量之間的最小相對誤差為 1.72%，平均相對誤差為2.63%，系統(tǒng)具有較高的測量精度。

3 結(jié)論

設(shè)計了基于無線通信的農(nóng)藥流量監(jiān)控系統(tǒng)，通過藍(lán)牙技術(shù)完成數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)了噴藥管路中農(nóng)藥流量的監(jiān)測及控制。流量傳感器標(biāo)定試驗(yàn)表明，流經(jīng)流量傳感器的液體流量和其輸出的頻率信號具有良好的線性關(guān)系，保證了流量的監(jiān)控精度。噴藥流量測定試驗(yàn)表明， 本流量監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的測

量精度，設(shè)定流量與實(shí)際流量之間的最小相對誤差為 1.72%，平均相對誤差為2.63%。

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