基于MBus的水肥一體化施肥機傳感器監測系統研制

高菊玲，孫昌權，黃 鋒

(1. 江蘇農林職業技術學院機電工程學院，江蘇 句容 212400；2.江蘇省現代農業裝備工程中心，江蘇 句容 212400)

我國人口已有14億人，人均耕地面積小，淡水資源短缺[1]，嚴重威脅著農業的正常生產。因而節水灌溉研究一直都是一項重要而緊迫的任務。隨著滴灌、微噴灌、噴灌等技術的發展，能夠將水肥結合起來的水肥一體化技術也在不斷進步[2]。

水肥一體化技術是以滴灌和噴灌技術為基礎，能夠一次性將植物所需的肥料和灌溉水輸送給植物，滿足植物的生長所需。近年來隨著無土栽培技術的普及，在克服土壤連作障礙，提高投入產出比，提高農產品質量方面，無土栽培技術顯示出強大的發展潛力[3]。但無土栽培面臨著栽培基質無法提供充足養分的問題，水肥一體化技術正是這個問題的解決方法。水肥一體化技術和無土栽培技術的結合可以說是順應了農業科技的發展。現階段，施肥一體化技術的研究，有的是施肥機控制算法的研究[4-6]，有的是施肥機混肥系統的研究[7,8]。為了提高肥料的利用率，降低生產成本，各種信息技術也進入到農業領域中，將物聯網與作物栽培結合起來[9]，發揮植物的生產潛能。可以預見，未來的水肥一體化技術，將會是自動化控制、植物生長生理、信息技術三者的相互結合。

與此同時，在工業控制領域，智能化儀表、電磁閥控制技術日趨成熟，甚至人們生活中，也出現了遠程抄表技術[10]。這些技術能夠提高設備的自動化程度，減少人的維護復雜程度，實現實時的遠程監管[11]。這些技術在農業上是否有適用的場合，需要不斷地探索。

本文對水肥一體化施肥機的傳感器網絡展開研究，使用電力線載波技術實現傳感器節點的供電和通訊，采集施肥區域的環境參數，進而控制施肥機的運作。對該技術的可用價值進行評價，以期為該技術在農業上的應用提供參考。

1 施肥機水肥一體化技術和MBus技術

1.1 施肥機水肥一體化技術

水肥一體化技術，以滴灌和噴灌技術為基礎，使用管道輸送水，配合肥料融合和肥料調節施肥裝置，將灌溉水以及作物需要的肥料一次性輸送到植物根系的施肥技術[12]。

一般而言，水肥一體化技術包括兩個層面，一是硬件層面，包括貯肥罐、混肥器、施肥管路和各種電磁閥；二是軟件層面，用于和作物、環境相耦合，實現精準的肥料施用控制，進而提高肥料的利用率，提升作物的品質，減少對環境的污染。

在實際的生產實踐中，人們逐漸意識到水肥一體化技術能夠降低生產成本，減少水資源的利用，有效提高作物的產量。如果能夠根據作物需水需肥規律，制定合理可靠的灌溉施肥制度，將會更進一步提升作物產量，保證較高的作物品質。

1.2 MBus技術

Metering-Bus簡稱MBus，是一種專門為計量儀表數據遠程傳輸而設計的主從式半雙工總線，只需2根線纜，便可完成主站與遠程從站之間的通訊。

MBus系統的一般結構見圖1，包括一個主站和多個從站。MBus采用“主站呼叫-從站應答”的方式通訊，從站之間不能直接進行通訊。Mbus使用兩線制通訊，不區分正負極、施工簡單、故障率低，總線具有一定的帶載能力，能夠直接給從機遠程供電，使用獨特的電氣特征傳輸信號，擁有優秀的抗干擾能力。Mbus技術廣泛應用于測量儀表數據數字化中，比如數字抄表系統、大型商場的火警監測系統等[13]。

圖1 MBus系統的一般結構

與MBus應用場景相近的還有RS485技術。但是RS485技術存在一些不足：容量少，接入設備不能超過128個；通信速率低，隨著距離的延伸，通信速率迅速降低；只能采用非隔離的通訊方式，不適合長距離的戶外通訊；不能給設備直接供電；RS485的芯片功耗較大，容易增加線路上的電壓降；布線方式受限制，只能使用串行方式。這些局限，更能顯示出MBus的先進。

2 基于MBus的施肥機傳感器監測系統設計

2.1 系統架構與組成

一般而言，施肥機組成包括：供水系統、攪拌電機、母液桶、增壓泵、混肥器、施肥管路、終端施肥的執行機構、電磁閥、控制器和人機交互界面(HMI)。

為了降低系統復雜程度，重點驗證MBus技術在施肥機方面的應用，本系統的施肥機架構與組成見圖2。

圖2 施肥機架構與組成

選擇三菱公司的Fx3G作為控制器，接口豐富，擴展功能強，易于通過安裝IO模塊增加輸入輸出能力。威綸通公司生產的HMI以可靠穩定、支持通信協議廣泛而聞名，能夠通過簡單的配置和PLC通訊，故選擇該公司的MT8102iP作為HMI。

本系統施肥機的工作原理是：PLC接收用戶的設定，按時開啟增壓泵，利用文丘里效應，母液桶中的濃縮母液經過流量控制閥進入到文丘里中，經混合后，制成特定比例的工作液。控制器通過對施肥管路中不同區域電磁閥的開閉，實現對不同區域的施肥作業。為了簡化設備的復雜度，提高可靠性，本設備取消了母液的自動化配置，采用手動調節流量控制閥，來控制不同的營養液濃度。

電磁閥的安裝靠近施肥機，便于供電和控制。MBus主站安裝在施肥機控制配電板上，與HMI連線通訊，MBus供電直接從配電板取得。

在施肥區域安裝MBus從站，其中從站的硬件設計見圖3[14]。

圖3 MBus從站硬件設計

從站用于采集施肥區域的環境參數，反饋給控制器。因為MBus模塊的特性，單片機可以直接從MBus總線獲取所需的電能，解除了用電的限制，在單片機的程序上可以增加傳感器的采樣頻率，提高對施肥區域環境參數變化的響應速度。使用銅康銅熱電偶，安裝在土壤下5 cm，用于采集土壤的溫度數據。土壤濕度傳感器利用電極測量土壤的電阻率，測量結果為電壓輸出型，輸出范圍為0～3.7 V，使用MCU的ADC模塊將電壓值轉化為土壤相對含水量。

主站部分，如果使用Fx3G的擴展板增加一個串行通信接口，那么會導致整個設備的成本增加，本設計充分利用威綸通HMI多出來的DB9接口，使用Free Protocol通信協議，在威綸通的宏命令中使用INPORT和OUTPORT函數，自行定義數據幀的格式，具體格式見表1。主站和從站的數據幀均遵守MBus儀表總線協議。采集的數據存儲在人機交互界面中，每5 min保存一次記錄。同時約定從站應答的數據格式，見表2。

表1 MBus數據幀格式

表2 從站應答幀中DATA部分格式

2.2 系統控制流程

主站部分，設置HMI的COM2接口使用Free Protocol協議，編寫宏程序。當機器開機以后，主站以10 s為一個周期向從站發送查詢幀，向從站輪詢采集的環境參數。接收到從站返回的數據幀后，對從站發回的數據進行解析，存放在HMI的寄存器中。HMI根據區域的環境參數與設定值進行比較，將控制指令下發給PLC，進而控制對應區域電磁閥的開閉。主站查詢與控制流程圖見圖4。

圖4 主站查詢與控制流程圖

從站在UART的中斷中偵聽主站的查詢請求，一旦MBus從站模塊獲取到詢問幀，從站則進入UART中斷服務，將從站連接的傳感器數據組裝后，按照MBus協議的要求遞交給MBus從站模塊，然后數據發送到主站中。從站中斷工作流程圖見圖5。

圖5 從站中斷工作流程圖

從站使用STM32F1x芯片的TIM，定期對傳感器進行數據的采集，由于DHT11自身已經對數據進行了處理，故每次直接讀取該傳感器的數據作為最新值。

(1)

式中：x為最新的采樣值；yi為更新前的數值；yi+1為更新后的值。

銅康銅熱電偶、土壤濕度傳感器的數據有一定的波動，為了減少波動對數據的影響，使用式(1)更新地溫數值。

3 試驗驗證

3.1 試驗方案

試驗在江蘇農博園的連棟塑料溫室中進行，對機器進行兩種工作模式下的驗證。實驗實際采用的是一主一從的方式，A組試驗和B組試驗交替進行，兩組試驗間隔4 h。

A組實驗，使用基于MBus通訊的傳感器采集區域的濕度情況。對比土壤濕度閾值，決定電磁閥的通斷。具體策略見式(2)。

(2)

式中：yi為i區域采集回來的濕度值；t為濕度設定的閾值，上下浮動10%，作為模糊區間，不作控制；YV為電磁閥，YV=on表示電磁閥開啟，YV=off表示電磁閥關閉。

實驗每次2 h，記錄土壤相對含水量。

B組實驗，在HMI上寫排程，用于定時控制PLC開啟電磁閥。設定形式為每半小時開啟電磁閥5 min，試驗同樣進行2 h，記錄土壤相對含水量。

使用土壤相對含水量表示土壤濕度，即土壤含水量占該土壤田間持水量的百分比，見下式。

(3)

在從站部分使用了片上自帶的ADC模塊，該模塊為12位逐次逼近型，可以將電壓、電流等模擬量信號轉化為0～4 096之間的數值。為了建立土壤相對含水量與傳感器數值之間的關系，需要對土壤含水量與ADC輸出數值進行標定。采集溫室內土壤，進行3次重復試驗，取平均值作回歸方程。標定結果如圖6所示。

圖6 土壤含水量與ADC讀值標定曲線

實驗結果的均勻性使用Christiansen計算法計算，見下式。

(4)

式中：ci為第i個采樣；n為樣本容量；Cu為樣本點的均勻性值。

實驗結果與設定的相符程度用平均誤差平方和來描述，值越小，那么實驗結果和設定值越相符。

(5)

式中：s為系統設置的濕度閾值；ci為所采的樣本；n為樣本容量；Qc-s為平均誤差平方和。

3.2 結果與分析

實驗對2 h內的變化進行了細致的記錄，數據為3次實驗結果的算術平均值。對A組實驗，濕度設定閾值為70%。B組實驗設計為每經過30 min，打開電磁閥灌溉5 min。兩組實驗下相對土壤含水量見圖7。

圖7 兩組實驗下土壤相對含水量

從圖7可以看出，兩種模式下，土壤的相對含水量都呈現鋸齒狀變化，分別在打開電磁閥灌溉后約5 min，土壤相對含水量達到峰值，之后緩慢下降，最終在25 min后，濕度下降到低于設定值。B組實驗，采用的是定時灌溉模式，土壤相對含水量上升的時機比較一致，灌溉5 min的設計能夠滿足70%的土壤相對含水量設計指標，但是土壤相對含水量有不斷增高的趨勢。

A組實驗，每當達到土壤相對含水量下閾值的時候，則開啟電磁閥進行灌溉，一直到相對含水量達到上閾值，則關閉電磁閥。對比B組的試驗結果，可以看出，A組實驗雖然也呈現出鋸齒狀的土壤相對含水量變化，但變化范圍始終圍繞在設定值附近。B組實驗采用定時灌溉的策略，隨著時間的增加，土壤相對含水量實際處于一個逐漸升高的狀態中，穩定性不如A組實驗。Christiansen計算法的結果也印證了這個觀察，其中A組實驗的均勻系數為92.157 3%，B組實驗的均勻性系數為90.837 5%。

當對比兩種方式與設定值的相符程度時，A組平均誤差平方和為54.892，B組為142.929，B組顯著高于A組，說明A組更加接近設定值，與實驗數據相符。

4 結 語

基于MBus的施肥機傳感器監測系統，通過Mbus技術將傳感器直接與施肥機控制設備相連，有效解決了定時方式的傳統施肥機無法精確對水肥施用控制的問題。與傳統的定時控制相比，使用從站節點獲取區域的環境參數能夠實現更加準確的施肥控制，避免水肥的浪費，具有良好的研究推廣價值。

本系統僅是MBus技術與施肥機相結合的初步探索，實驗時間有限，兩種技術的結合還有很多方面可以挖掘，如何提高施肥的準確性，提高MBus從站節點的數量，在新的技術融合下，改進施肥機的控制算法仍有待進一步驗證。