基于FDRE的節水灌溉智能控制系統的研究與設計

孫思敏，董宇欣，呂 楊

(延安大學 物理與電子信息學院，陜西 延安 716000)

0 引言

我國作為農業生產大國，每一年的農作物產量高達上千萬噸，在保證農作生長方面，灌溉輔助起到了決定性作用[1-2]。我國是可持續發展中國家，提倡節約資源，因此，在灌溉過程中也需要極力體現節水灌溉，相關人員提出了節水灌溉智能控制系統的研究。

當前節水灌溉智能控制系統不斷應用，主要有基于物聯網的節水灌溉智能控制系統和基于神經網絡的節水灌溉智能控制系統，然而當前系統在運行過程中，會無故浪費水資源，且灌溉時間過長，灌溉面積難以達到人們的要求，需要不斷投入人力物力資源，擴大灌溉面積，減少水資源浪費[3]，因此，研究有效的節水灌溉系統，是當前人們迫切需要解決的問題。

針對上述問題，本文提出基于FDRE的節水灌溉智能控制系統的理念，對硬件和軟件進行設計與研究，并通過實驗驗證了控制系統的可行性。

1 系統結構及原理

本文設計的基于FDRE的節水灌溉智能控制系統的硬件區域由中央處理器模塊、無線通信模塊、傳感器模塊、電池模塊、上位機模塊以及下位機模塊組成[4-5]。軟件區域設計了無線通信程序、上位機和下位機調控程序和數據庫程序。基于FDRE的節水灌溉智能控制系統結構示意圖如圖1所示。

圖1 基于FDRE的節水灌溉智能控制系統結構示意圖

根據圖1可知，中央處理器模塊是控制硬件設備工作的核心，無線通信模塊是將采集到的節點灌溉情況傳輸到軟件系統中，完成灌溉形式的確定，傳感器模塊視采集土壤情況為灌溉方法提供根據，上位機模塊和下位機模塊通過采集土壤濕度信息合理調控電磁閥門的狀態，各個模塊具體的功能如下進行分析，模塊與模塊之間存在聯系共同工作維持節水灌溉智能控制系統的運行。

2 基于FDRE的節水灌溉智能控制系統的硬件設計

選用STM24865V5848的單機片作為中央處理器模塊核心零件，增大控制系統存儲空間，采用STC158345DF5485的單機片作為節點中央處理器模塊微控制器，加快控制系統運行速度。利用AMS753的電路作為電池模塊，為控制系統提供超長持久穩定的電功率。運用ZG763F3278混合信號微控制器，避免控制系統出現信息遺漏。

2.1 中央處理器模塊設計

硬件區域中央處理器模塊的工作任務是保證節水灌溉智能控制系統的穩定運行，分為基站中央處理器模塊和節點中央處理器模塊兩部分[6]，每個部分都是由不同微處理器和不同連接狀態的濾波電路、晶振電路和復位電路構成，兩個區域運行的選擇條件是區別采集到的土壤信息，合理開啟相應的處理器模塊，維護系統的正常運行。

微處理器是中央處理器的核心組成零件，微處理器的運行速度、工作狀態和耗能情況都間接地影響中央處理器模塊的運行。因為基站中央模塊的各個電路只需要串聯起來就可以正常運行，因此選用結構簡單的STM24865V5848的單機片，此類型的單機片具有內存存儲空間大，通訊信號采集敏銳的特點[7]。當通信模塊傳輸過來的土壤情況，微處理器進行分析，如果土壤狀態良好，那么選擇基站中央處理器部分；如果土壤狀態復雜，那么需要采用節點中央處理器部分完成處理工作[8]。

基站中央處理器模塊內部運行電路結構如圖2所示。

圖2 基站處理器模塊內部運行電路結構示意圖

本文采用型號STC158345DF5485的單機片作為節點中央處理器模塊微控制器，此類型的單機片經過優化更新，其運行速度是傳統的單機片運行速度的兩倍。節點中央處理器模塊的電路結構由時鐘晶振電路、多根接口線、信道通道、以及定時器組成。晶振電路的左右串聯一個電容就構成了時鐘晶振電路，時鐘晶振電路可以排除外界的干擾電信號，穩定單機片的運行。多根線口提高了時鐘晶振的有限調試性能，具有較強的保密性和抗干擾能力[9-10]。此類型的單機片在待機運行時關閉各個板塊的功能，通過信號接收的狀態調控節點處理器結構功能的狀態，具有低功耗的優點，具體的節點中央處理器模塊電路結構示意圖如圖3所示。

圖3 節點中央處理器模塊電路結構示意圖

2.2 無線通信模塊設計

基于FDRE的節水灌溉智能控制系統硬件設備中的無線通信模塊的工作是完成被灌溉目標的信息采集和發送，比如土壤、菜園、果園等大型灌溉目標。無線通信模塊主要由引腳、串口、射頻芯片、時鐘線、信息備份結構組成。引腳是無線通信模塊的核心，因為各個引腳之間的連接，完成無線通信功能和數據的傳輸。各個引腳的功能如表1所示。

表1 引腳功能

當接收到時鐘信號穩定波動時，就表示有需要接收的數據信息，這時各個引腳協同工作將數據的全部信息接收進入模塊中并及時備份[11-12]。在數據接收過程中模塊的電平值保持在小于0.4 V范圍內，因為上文設計的中央處理器模塊在運行過程具有實時中斷的功能，因此當通信模塊需要向外傳輸數據時，同時將模塊的輸出電平值增加到大于2.4 V的穩定范圍值，保證通信模塊的正常工作。通過電平值的高低轉換，完成通信模塊功能的實現。具體的通信模塊電路模擬如圖4所示。

圖4 通信模塊電路接收和發送數據模擬電路示意圖

本文設計的通信模塊的數據傳輸速度可以達到9 600 bps，數據輸送距離最遠可以傳輸1 000 m，并且工作的輸出頻率一直穩定在418 MHz波動，具有高效率的特點。

2.3 電池模塊設計

基于FDRE的節水灌溉智能控制電路的電池模塊的工作任務是為系統提供運行基礎。電池模塊的工作電壓為3.3 V，系統不工作時電池模塊提供的休眠電流大小為10 μA，輸出數據電流為30 mA，接收數據提供電流提供16 mA。本次電池模塊采用AMS753的電路，此電路可以提供超長持久穩定的電功率，具有超強的輸入輸出電壓通道，穩定的電功率轉化為穩定的電壓持續供電。在節水灌溉基礎上，本文的電池模塊也具有節約電能、低功效的設計[13-14]。電池模塊選擇低功耗傳感器、單片機、等供電器件，單片機在完成工作的基礎上具有休眠功能，在一定程度上減少電池模塊的電流輸出。低功耗傳感器采用脈沖式電磁閥，當接收到被灌溉的命令時，驅動電池閥打開，開始灌溉操作，當被灌溉事物將要達到灌溉要求時，脈沖信號會逐漸消失直到斷開，驅動電磁閥門閉合，完成灌溉操作。

2.4 上位機和下位機模塊設計

系統硬件區域上機位設備的設計目的是用于記錄被灌溉事物的數據信息以及決策判斷對事物的灌溉操作方式和用量，下機位通過上機位的決策信息通過控制電磁閥門實現對被灌溉事物操作。

上機位設備安裝在系統內部，由AR56開發板、芯片、操作系統和接口組成[15]。AR56開發板的工作設備是微處理器，微處理器通過FDRE技術對通信模塊傳輸的需要灌溉的事物數據進行分析，綜合提取出一個最佳的節水灌溉方法。I/O接口具有高速的數據傳輸功能，節省數據傳輸的時間。

下機位安裝在需要灌溉的區域，下機位的組成結構復雜，主要由微控制器、MCU芯片、看門狗定時器、引腳、存儲器、模擬比較器溫度采集器組成。微控制器的型號是采用最新控制技術生產的ZG763F3278混合信號微控制器，此微處理器對于硬件設計的各個模塊傳出的信號和信息都可以快速捕捉，避免出現信息的遺漏。看門狗定時器的設計目的是下機位在實現灌溉操作時進行實時記錄時間并且采集被灌溉的濕度情況，防止灌溉超時，造成浪費。引腳是連接各個組成結構的中介，溫度傳感器實時檢測被灌溉的濕度情況，如果數據分析有誤時，可以及時進行灌溉方式的修改。

3 基于FDRE的節水灌溉智能控制系統的軟件設計

軟件系統的任務是調控基于FDRE的節水灌溉智能控制系統硬件設備，完成系統的工作。本文軟件區域設計了無線通信程序、上位機和下位機調控程序和數據庫程序3個部分。

3.1 無線通信的實現程序設計

對于硬件區域的無線通信模塊的調用，本文通過CRC通信校驗方法進行調控。通信實現程序的調用過程是將硬件區域采集到的灌溉數據信息轉化為二進制字節形式，通過識別通信字節的幀長度和字節信息進行無線通信的實現，傳遞出有效的灌溉信息。每個灌溉信息二進制字節的開始字節都代表灌溉類型，CRC通信校驗方法通過識別初字節確定灌溉類型，然后逐步識別下位次的字節，完成無線通信的實現。

3.2 上位機下位機調控程序設計

上機位和下機位的調控程序的開發語言是C語言，調控程序分為自動灌溉選擇、灌溉線程的優先級、設定灌溉目標效率三項選擇，灌溉命令之間存在選擇分配，通過灌溉數據之間的通信、灌溉選擇匹配完成灌溉智能控制操作，提高灌溉的效率。

上機位與下機位同時接通電源，首先上機位進行灌溉數據信息初始化，接收灌溉指令。然后通過通信實現程序完成信息的校驗，設定灌溉區域的灌溉水量、灌溉速度和時間、水的溫度，將命令傳送給下機位。最后下機位接收上機位的通信命令，根據命令對于設定的安全值，開啟開門狗裝置和電磁閥門，完成灌溉任務。具體的上機位和下機位調控程序流程如圖5所示。

圖5 上機位和上機位調控流程圖

3.3 數據庫程序設計

為了合理并且準確地調用硬件系統的各個模塊功能，本文軟件區域設計了SQL數據庫。SQL數據庫程序包括設定灌溉對象、灌溉時間、識別灌溉區域、提取灌溉計劃、數據存儲五個步驟。具體的數據庫框架如圖6所示。

基于FDRE的節水灌溉智能控制系統在對被灌溉區域識別后，會對比數據庫中的數據，如果出現相同情況的灌溉需求，則可以直接得出灌溉方案。在數據庫中每次灌溉周期完成后，數據庫的表信息會實時更新，軟件系統會定期清理緩存，數據庫管理人員也可以進行修改與刪除。本文設計的數據庫程序的主鍵為灌溉區域和灌溉時間。

4 實驗分析

本文通過以上對基于FDRE的節水灌溉智能控制系統硬件區域和軟件區域的研究分析，設計了一個全新的基于FDRE的節水灌溉智能控制系統。為了驗證本文設計系統的性能效果，本文進行對比實驗，將本文設計系統與傳統的基于物聯網的節水灌溉智能控制系統、基于神經網絡的節水灌溉智能控制系統進行對比。

實驗環境如圖7所示。

為了保證對比試驗的公平性和結果數據的真實性，本文選擇兩塊相同質地并且面對太陽角度相同的100平方米的土地作為本次實驗的實驗場地。另外需要5名協助人員和兩臺計算機，協助人員記錄土地灌溉情況并實驗全程觀看灌溉操作，如果出現意外情況協助人員及時切斷電源，防止資源的耗費。具體的實驗操作過程如下所示：

1)在實驗進行前，協助人員提前打開節水灌溉智能控制系統，簡單檢測是否系統出現故障，如果出現故障則換無故障的系統進行實驗，檢測完成后關閉系統，并將兩個系統連入兩臺計算機中，計算機將實時記錄系統工作的全部過程以及數據。

2)同時開啟兩個節水灌溉智能控制系統，工作人員在必要時記錄灌溉開始時間、完成時間等關鍵數據。在實驗進行過程中，一旦出現危險情況立即終止實驗，保證人員及實驗設備的安全。

3)直至兩個系統完成灌溉操作，工作人員記錄實驗數據，關閉電源，整理實驗場地，一切工作完成后，整理人工記錄的數據以及計算機記錄的數據。

數據整合完成后繪制以下結果，灌溉效率如圖8所示。

圖8 灌溉效率結果對比示意圖

觀察圖8可知，本文研究的基于FDRE的節水灌溉智能控制系統完成時間比傳統的節水灌溉系統的完成時間短半個周期。而本文設計的節水灌溉控制系統在10分鐘內完成了土壤常規灌溉，此時常規系統才開始灌溉。一方面這是因為本文設計的硬件系統中無線通信模塊傳輸灌溉數據的速率高達9 600 bps，在一定程度上節約了時間。另一方面因為本文硬件區域的中央處理器模塊具有超強的數據分析功能，接收到通信模塊采集到數據信息的同時，立即進行分析，減少灌溉方式的思考時間。

土壤濕度實驗結果如圖9所示。

圖9 土壤濕度結果對比示意圖

由圖9可知，本文設計的基于FDRE的節水灌溉智能控制系統的灌溉效果優于傳統的節水灌溉控制系統。本文灌溉系統操作后土壤的平均濕度為45%，傳統系統灌溉后土壤的平均濕度為30%，根據我國規定土壤的適合農作物生長的土壤濕度為43%，對比可以知道基于FDRE的節水灌溉控制系統的灌溉效果好。這是因為本文設計系統具有超強功能的上機位和下機位調控程序以及微控制處理器，共同工作，維護灌溉系統的正常運行。

綜上所述，本文研究的基于FDRE的節水灌溉智能控制系統具有超強的性能和應用效果。

5 結束語

本文通過分析研究基于FDRE的節水灌溉智能控制系統的硬件組成和軟件組成，在原有灌溉智能控制系統的基礎上，完善系統的功能并提高節水灌溉智能控制系統的性能。本文設計的系統可以根據土壤土質的不同情況，采用合理的灌溉方法，在一定程度上提高系統的節水灌溉效率，并且工作流程簡單，不易出現錯誤，在節水灌溉領域具有重要的意義。