基于Zigbee的多節(jié)點(diǎn)管道噴霧壓力控制系統(tǒng)研究

吳偉鋒，洪添勝，代秋芳，宋淑然，李 震

(1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510642；2.國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機(jī)械化研究室，廣州 510642；3.廣東省山地果園機(jī)械創(chuàng)新工程技術(shù)研究中心，廣州 510642；4.華南農(nóng)業(yè)大學(xué) a.工程學(xué)院；b.電子工程學(xué)院，廣州 510642)

0 引言

我國多山地果園，往往采用低矮密植型種植模式，移動式噴霧機(jī)械很難進(jìn)入。許多果農(nóng)仍采用背負(fù)式噴霧機(jī)進(jìn)行噴藥作業(yè)，勞動強(qiáng)度大，效率低[1-3]。落后的施藥設(shè)備和技術(shù)造成了農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留超標(biāo)、環(huán)境污染等問題[4-6]。管道噴藥技術(shù)自20世紀(jì)80年代中期引入我國后，因其無需機(jī)具在果園中移動、省工省能、噴藥速度快、投資少及效益高等優(yōu)點(diǎn)而發(fā)展迅速[7-10]。管道噴霧依靠藥液泵形成的較高壓力，將藥液在噴頭處進(jìn)行霧化并施向靶標(biāo)，可多點(diǎn)同時噴霧[11]；但管道內(nèi)藥液壓力隨作業(yè)人數(shù)不同而波動，同時藥液在管道中流動會有壓力損失[12]，導(dǎo)致管網(wǎng)內(nèi)藥液壓力各不相同，因此壓力成為影響管道噴霧效果的最重要的因素之一[13-15]。

噴霧壓力的改變會對噴霧量、噴霧角、霧滴參數(shù)和霧滴譜產(chǎn)生影響，從而影響噴霧效果[16-21]。為了使得出藥口的壓力穩(wěn)定，宋淑然[22]等研發(fā)了基于微機(jī)的管道恒壓噴霧控制裝置，提出自整定PID控制[23]，可有效解決壓力不穩(wěn)定的問題；但是，該系統(tǒng)僅控制水泵出藥口壓力，不能使管道中每個出藥口壓力達(dá)到最優(yōu)。為此，本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee的管道噴霧多點(diǎn)藥液壓力控制系統(tǒng)，對整個噴霧管網(wǎng)的壓力進(jìn)行了有效的控制，提高了噴霧效果，為噴頭選型、管道噴霧控制裝置的優(yōu)化提供了一定的參考。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

噴霧支管根據(jù)果園面積，安裝N個ZigBee無線壓力發(fā)送節(jié)點(diǎn)，泵房安裝1個控制箱，控制箱包括單片機(jī)主控制器、ZigBee無線接收模塊、輔助電源、按鍵模塊及顯示模塊。其中，ZigBee無線接收模塊采取廣播模式，用于接收無線壓力發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)處壓力傳感器監(jiān)測出藥口的壓力值，通過信號轉(zhuǎn)換電路，傳輸給ZigBee無線模塊，所有的無線壓力發(fā)送節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)傳輸給無線壓力接收模塊。無線壓力接收模塊接收N個無線壓力發(fā)送節(jié)點(diǎn)傳輸過來的壓力值，經(jīng)過運(yùn)算，實(shí)時調(diào)節(jié)變頻器的頻率值，從而保證管道壓力穩(wěn)定。系統(tǒng)框圖如圖1所示，ZigBee無線壓力發(fā)送節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖如圖2所示。

系統(tǒng)主要有以下功能：實(shí)時監(jiān)測噴霧支管出藥口壓力值，無線壓力發(fā)送節(jié)點(diǎn)分別監(jiān)測各自出藥口出的壓力值，傳輸給無線接收模塊，求平均值，控制系統(tǒng)將平均值作為PID算法的輸入值，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)動的頻率，使得支管道中的壓力穩(wěn)定在設(shè)定工作壓力誤差范圍內(nèi)。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 Zigbee無線壓力發(fā)送節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框圖

各種模塊作用如下：

1)單片機(jī)主控模塊：完成各種信號的處理和控制協(xié)調(diào)各單元模塊的工作。

2)無線壓力發(fā)送節(jié)點(diǎn)模塊：噴霧支管上N個節(jié)點(diǎn)分別監(jiān)測出藥口的壓力值，并把壓力值傳輸給ZigBee無線接收模塊。

3)ZigBee無線接收模塊：負(fù)責(zé)接收無線壓力發(fā)送節(jié)點(diǎn)傳輸過來的壓力值，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)點(diǎn)硬件電路

節(jié)點(diǎn)采用致遠(yuǎn)電子的ZM5161P2-2C型號的ZigBee模塊，基于NXPJN5168芯片開發(fā)的低功耗、高性能型ZigBee模塊，它提供一個完整的基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)ISM(2.4～2.5GHz)頻段的應(yīng)用集成方案。采用FastZigBee協(xié)議，可快速應(yīng)用于工業(yè)控制、工業(yè)數(shù)據(jù)采集、農(nóng)業(yè)控制、礦區(qū)人員定位、智能家居及智能遙控器等場合。

節(jié)點(diǎn)采用直流3.3V供電，有4路ADC、6路IO口、1個串口，本地網(wǎng)絡(luò)地址范圍為0x0000～0xFFFF，目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)地址為0x0000～0xFFFF，通道號為CH11～26，可設(shè)定為廣播模式或單播模式。該模塊主要參數(shù)如表1所示。

表1 ZigBee模塊主要參數(shù)

系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)號分別設(shè)定為2001～2001+N-1，設(shè)定為廣播模式，在通常情況下節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)。當(dāng)ZigBee無線接收模塊(節(jié)點(diǎn)號2010，采用廣播模式)向無線壓力發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送讀取ADC值的命令(如DEDFEFD7200100)，無線壓力發(fā)送節(jié)點(diǎn)就會向無線壓力接收模塊返回該節(jié)點(diǎn)的ADC值。

無線壓力發(fā)送節(jié)點(diǎn)的硬件電路如圖3所示。采用PTB203S壓力傳感器監(jiān)測出藥口的壓力值，壓力傳感器采用10～36VDC供電，輸出4～20mA電流信號。由于ZigBee模塊的參考電壓為2.47V，硬件電路需并聯(lián)一個120Ω的電阻，以防止最大電壓超過模塊參考電壓。將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，單向TVS管可抑制壓力傳感器啟動時的瞬間電流，以防止擊穿ZigBee模塊。ZigBee模塊的ADC1監(jiān)測壓力傳感器的值，最后通過串口將ADC1的值傳輸給無線壓力接收模塊。

圖3 無線發(fā)送節(jié)點(diǎn)硬件電路

2.2 控制箱硬件電路

控制箱部分包括單片機(jī)主控電路、OLED顯示電路、ZigBee無線接收電路和外部按鍵電路。

2.2.1 單片機(jī)主控電路

單片機(jī)主控電路由單片機(jī)最小系統(tǒng)和變頻器控制電路組成。

1)單片機(jī)最小系統(tǒng)。單片機(jī)最小系統(tǒng)包括電源電路、晶振電路及復(fù)位電路。其中，單片機(jī)采用基于ARM Cortex-M3內(nèi)核STM32F103CBT6芯片，時鐘頻率達(dá)到72MHz，其各引腳對應(yīng)連接關(guān)系及意義如表2所示。

表2 單片機(jī)各引腳對應(yīng)連接

2)變頻器控制電路。在無線壓力接收模塊接收到無線壓力發(fā)送節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，由數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，求平均值。經(jīng)過PID算法處理，平均值作為輸入信號，設(shè)定工作壓力為目標(biāo)值，得出實(shí)時的頻率值，通過變頻控制電路傳輸給變頻器，其電路如圖4所示。電路采用MAX485芯片，單片機(jī)的串口接485芯片的串口接口，由A、B兩相進(jìn)行輸出。

圖4 變頻器控制電路

2.2.2 ZigBee無線接收電路

ZigBee無線接收電路在工作過程中，先分別向節(jié)點(diǎn)發(fā)送讀取ADC值的命令，無線壓力發(fā)送節(jié)點(diǎn)就會向無線壓力接口模塊返回該節(jié)點(diǎn)的ADC值。

ZigBee無線接收電路如圖5所示。其由3.3VDC供電，串口連接單片機(jī)的串口2，當(dāng)接收到無線壓力發(fā)送節(jié)點(diǎn)返回的ADC值時，就將ADC值傳輸給單片機(jī)。

圖5 ZigBee無線接收電路Fig.5 ZigBee wireless receiver circuit

2.2.3外部按鍵電路

控制箱主要有4個按鍵，分別是電源按鍵、啟動停止按鍵、模式選擇按鍵及升壓降壓按鍵。

電源按鍵采用正泰的自鎖按鍵，用來控制電路板上面的電源。按下時，給電路板供電，系統(tǒng)可以正常工作；彈開時，電路板斷電，系統(tǒng)不能啟動。啟動停止按鍵控制系統(tǒng)的啟動和停止，模式選擇按鍵用來選擇系統(tǒng)工作模式。該系統(tǒng)有打藥和灌溉2種工作模式，本文主要介紹打藥工作模式。升壓降壓按鍵用來設(shè)定極限壓力和工作壓力，采用的是洪波數(shù)字式編碼波段開關(guān)，共有24個檔位，可循環(huán)旋轉(zhuǎn)。

2.2.4 OLED顯示電路

OLED顯示電路采用SPI協(xié)議的6腳OLED液晶屏顯示模塊，系統(tǒng)采用模擬SPI協(xié)議，將各個節(jié)點(diǎn)的壓力值、平均值顯示在OLED顯示屏上。硬件電路如圖6所示。

圖6 OLED硬件電路

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分主要包括主程序、壓力設(shè)定子程序、ADC處理子程序、頻率調(diào)節(jié)子程序及顯示子程序。

3.1 主程序

管道藥液多點(diǎn)壓力控制系統(tǒng)軟件流程圖如圖7所示。程序首先選擇系統(tǒng)的工作模式，打藥模式下，設(shè)定管道極限壓力值、工作壓力值；啟動系統(tǒng)，每2s無線壓力接收模塊向各個無線壓力發(fā)送節(jié)點(diǎn)發(fā)送讀取壓力值的命令，包含各個無線壓力發(fā)送節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號；無線壓力發(fā)送節(jié)點(diǎn)接收到無線壓力接收模塊發(fā)來的指令后，向無線壓力接收節(jié)點(diǎn)發(fā)送自身監(jiān)測到的數(shù)值；無線壓力接收模塊接收到數(shù)據(jù)后求平均值，作為PID算法的輸入值，經(jīng)過PID算法進(jìn)行計(jì)算，得出輸出值，得到實(shí)時的壓力值；通過變頻器控制電路向變頻器發(fā)送指令，實(shí)時改變變頻器的頻率，進(jìn)而控制變頻電機(jī)的頻率，改變水泵的轉(zhuǎn)速及管道中的壓力值，使得管道中的壓力值慢慢的趨近于設(shè)定的工作壓力值。

3.2 壓力設(shè)定子程序

壓力設(shè)定子程序用于設(shè)定管道中的極限壓力值和工作壓力值，設(shè)定壓力每次調(diào)節(jié)的幅度為±0.1MPa。

3.3 ZigBee無線壓力接收模塊處理子程序

ZigBee無線壓力接收模塊處理子程序?yàn)橹袛喾?wù)處理程序，用來檢測節(jié)點(diǎn)傳來的ADC值，一旦節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)即向單片機(jī)發(fā)送中斷服務(wù)請求信號。若USART_IT_RXNE有效，則設(shè)置接收到數(shù)據(jù)標(biāo)志位data_received為1，同時關(guān)閉中斷響應(yīng)并等待。

3.4 頻率處理子程序

頻率處理子程序用來實(shí)時調(diào)節(jié)變頻器的頻率，當(dāng)平均壓力小于設(shè)定工作壓力時，系統(tǒng)通過變頻器控制電路增加變頻器的頻率；反之，系統(tǒng)減小變頻器的頻率。

圖7 管道藥液多節(jié)點(diǎn)壓力控制系統(tǒng)軟件流程圖

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方法

在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系試驗(yàn)基地的果園進(jìn)行田間試驗(yàn)，選取2條噴霧支管進(jìn)行試驗(yàn)，節(jié)點(diǎn)間距為10m，每條噴霧支管安裝4個節(jié)點(diǎn)，共8個節(jié)點(diǎn)；離泵房近的一條支管道分別為節(jié)點(diǎn)1～4，離泵房較遠(yuǎn)的支管道分別為節(jié)點(diǎn)5～8。試驗(yàn)介質(zhì)為常溫清水，泵房離噴霧支管的距離分別為20、40m。每次試驗(yàn)時先進(jìn)行單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的試驗(yàn)，再進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的試驗(yàn)，設(shè)定工作壓力范圍為0.6～1.6MPa，記錄兩種噴霧方式下的壓力分布情況，試驗(yàn)重復(fù)3次。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表3 單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表3

表4 多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的試驗(yàn)結(jié)果

通常采用式(1)計(jì)算各個節(jié)點(diǎn)相對于設(shè)定工作壓力的偏離程度，定義為節(jié)點(diǎn)壓力方差；采用式(2)計(jì)算相對于設(shè)定工作壓力的相對偏離程度，定義為壓力吻合度。

節(jié)點(diǎn)壓力方差表達(dá)式為

(1)

式中Pi—每個節(jié)點(diǎn)的壓力值(MPa)；

P0—設(shè)定工作壓力值(MPa)；

N—節(jié)點(diǎn)的個數(shù)。

壓力吻合度表達(dá)式為

(2)

P0—設(shè)定工作壓力值(MPa)。

單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)壓力方差為0.050～0.31，壓力吻合度為62.67%～65.93%；多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)壓力方差為0.000 70～0.003 5，壓力吻合度為98.29%～99.85%。多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)相對于單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，各個節(jié)點(diǎn)的壓力都會更接近于設(shè)定工作壓力，說明多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)相對于單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，可顯著提高噴霧支管壓力值。

5 結(jié)論

1)多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)采用32位的STM32單片機(jī)作為主控芯片，多個無線壓力發(fā)送節(jié)點(diǎn)用于監(jiān)測噴霧支管出藥口的壓力值。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時調(diào)節(jié)噴霧支管壓力的功能，從而實(shí)現(xiàn)各出藥口的平均壓力與設(shè)定工作壓力保持一致(誤差為±5%)。

2)系統(tǒng)采用的ZigBee模塊傳輸距離為2km，發(fā)射功率為+20dbm，傳輸距離遠(yuǎn)，發(fā)射功率大，適合山地果園復(fù)雜的地形，滿足試驗(yàn)的要求。

3)對單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)和多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)進(jìn)行對比試驗(yàn)，結(jié)果表明：單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)壓力方差為0.050～0.31，壓力吻合度為62.67%～65.93%；多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)壓力方差為0.000 70～0.003 5，壓力吻合度為98.29%～99.85%。研究結(jié)果表明：相對于單節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)，多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)可顯著提高各節(jié)點(diǎn)壓力與設(shè)定工作壓力的吻合度，從而提高噴霧效果。