尹向雷

(陜西理工學(xué)院 電氣工程學(xué)院,陜西 漢中 723000)

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基于電力線載波通信的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

尹向雷

(陜西理工學(xué)院 電氣工程學(xué)院,陜西 漢中 723000)

摘要：為達(dá)到節(jié)水灌溉目的,設(shè)計(jì)了一套基于電力線載波通信的噴灌控制系統(tǒng).系統(tǒng)以電力線載波為通信手段,以主控室的主機(jī)為核心,以主從多機(jī)通信模式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程采集及控制,最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試.結(jié)果表明,數(shù)據(jù)傳輸誤差率低,設(shè)備運(yùn)行可靠、穩(wěn)定,控制距離達(dá)到了約300 m.系統(tǒng)不僅達(dá)到了控制目的,節(jié)約了水資源,同時(shí)節(jié)約了大量通信電纜,具有很好的應(yīng)用價(jià)值.

關(guān)鍵詞：灌溉； 控制； 電力線載波； 通信

我國(guó)是一個(gè)缺水嚴(yán)重的國(guó)家,人均水資源量?jī)H為世界平均水平的1/4.淡水資源中灌溉用水總量約占全國(guó)總用水量的1/2以上,且我國(guó)用水效率極低,水資源浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重[1-2].隨著對(duì)節(jié)水的迫切要求,農(nóng)業(yè)灌溉中廣泛使用自動(dòng)控制器.目前節(jié)水灌溉方式較多,控制的通信方式基本集中在RS-485通信方式以及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[3-5].RS-485通信需要單獨(dú)鋪設(shè)通信電纜,存在布線多、施工難和成本高的問(wèn)題[6].無(wú)線通信和電力線載波通信都是不用額外布置通信線的通信方式.無(wú)線通信最大優(yōu)勢(shì)是安裝方便、靈活且易維護(hù),但其在數(shù)據(jù)傳輸上抗干擾性差，易受周?chē)h(huán)境如建筑物、其他無(wú)線電以及天氣等的影響,另外,無(wú)線模塊外置天線的位置需現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,損壞或位置變動(dòng)都將嚴(yán)重影響通信效果,如果利用營(yíng)運(yùn)商的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)還存在長(zhǎng)期維護(hù)的費(fèi)用問(wèn)題[7].對(duì)于數(shù)據(jù)要求較高的場(chǎng)合,電池供電很難勝任,如果使用外接電源供電,又會(huì)產(chǎn)生電源選擇及施工布線問(wèn)題.

電力線載波通信(power line carrier communication,PLCC),是利用電力線作為信號(hào)的傳輸媒介,通過(guò)載波方式將模擬或數(shù)字信號(hào)進(jìn)行高速傳輸?shù)募夹g(shù)[8].具有信息傳輸穩(wěn)定可靠、無(wú)需重新布線、節(jié)約系統(tǒng)成本且使用方便等特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于電力網(wǎng)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)及電力網(wǎng)智能化改造系統(tǒng)中[9-10].近年來(lái)隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,電力線載波通信在智能家居以及智能控制等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用[11-14].由于在灌溉控制系統(tǒng)中的執(zhí)行器大多需要供電,相比無(wú)線通信而言,電力線載波通信不但有效利用了電力線,而且避免了野外復(fù)雜環(huán)境對(duì)無(wú)線通信的影響；相比RS-485等有線通信,又可節(jié)省大量通信電纜[15].本文提出了一種利用PLCC技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)在低壓電源線上傳輸?shù)慕鉀Q方案,并設(shè)計(jì)了一套基于HL-PLC電力線載波模塊的節(jié)水灌溉控制裝置,并在校園內(nèi)的草坪中進(jìn)行了灌溉驗(yàn)證,取得了滿(mǎn)意的控制效果.

1硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)地形和環(huán)境鋪設(shè)灌溉管道設(shè)施以及噴頭電磁閥和傳感器等提供電能的低壓電力線纜,通過(guò)電力線載波通信技術(shù)進(jìn)行各個(gè)模塊以及總控制站之間的信息傳遞.各個(gè)節(jié)點(diǎn)將監(jiān)測(cè)到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳至主機(jī)(PC機(jī))中的數(shù)據(jù)中心,數(shù)據(jù)中心以數(shù)據(jù)庫(kù)方式后臺(tái)存儲(chǔ)和管理數(shù)據(jù).同時(shí)主機(jī)中的軟件算法對(duì)收集到的灌溉及環(huán)境參數(shù)進(jìn)行分析、決策,最后將控制命令發(fā)布給各個(gè)相應(yīng)的PLCC從站,達(dá)到控制目的.

1.1網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

根據(jù)田地以及管道鋪設(shè)的特點(diǎn),田間作物一般呈直線分布,據(jù)此,總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較適合,見(jiàn)圖1.考慮到田間操作的安全性以及傳感器、執(zhí)行器的供電方便,電力線的電壓通過(guò)變壓器降壓至24 V.組網(wǎng)時(shí)各個(gè)節(jié)點(diǎn)均位于一個(gè)變壓器二次側(cè)內(nèi).

圖1　節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)總方案框圖Fig.1　Total solution diagram of the water-saving irrigation automatic control system

系統(tǒng)分為主模塊和從模塊,各個(gè)模塊通過(guò)24 V交流電力線相連.主模塊是網(wǎng)絡(luò)中的根節(jié)點(diǎn),位于控制室內(nèi),主機(jī)是一個(gè)PC機(jī),其和PLCC通過(guò)串口線相連.從模塊均位于田間現(xiàn)場(chǎng),從機(jī)是一個(gè)單片機(jī),其和PLCC通過(guò)串口線相連.主機(jī)和從機(jī)采用主從式多機(jī)通信方式.

1.2節(jié)點(diǎn)的功能設(shè)計(jì)

主模塊和從模塊中的PLCC選用宏訊電子提供的HL-PLC電力線載波模塊,其主芯片型號(hào)是HLPLCS520F.HL-PLC電力線載波模塊采用FSK通訊方式,軟件采用超級(jí)模糊算法,即使傳輸信號(hào)被干擾或丟失達(dá)40%,也能準(zhǔn)確還原出原載波信號(hào),通訊穩(wěn)定,抗干擾能力超強(qiáng).載波中心頻率為72 kHz,模塊可以在過(guò)零發(fā)送模式和正常發(fā)送模式間自由切換.正常模式發(fā)送,載波線上有效數(shù)據(jù)速率可達(dá)6 700 bps；過(guò)零模式發(fā)送,載波線上數(shù)據(jù)速率為1 000 bps.串口通訊速率1 200，2 400，4 800，9 600 bps可選,偶校驗(yàn)和無(wú)校驗(yàn)可選,模塊采用全透明傳輸方式,無(wú)字符長(zhǎng)度限制.

主模塊中電源管理模塊給PLCC提供電源支持,如圖2所示.電源管理模塊通過(guò)全橋整流,然后再通過(guò)穩(wěn)壓芯片7812提供12 V電壓給PLCC.

圖2　主模塊結(jié)構(gòu)Fig.2　The main module structure

從模塊屬于末梢節(jié)點(diǎn),如圖3所示.從機(jī)是一個(gè)單片機(jī),型號(hào)為STC900C516RD+,該單片機(jī)不需要專(zhuān)用的編程器和燒錄器,可通過(guò)串口線進(jìn)行程序下載.從機(jī)收集來(lái)自田間現(xiàn)場(chǎng)的水分量信號(hào)以及溫度信號(hào),并將此信號(hào)通過(guò)PLCC模塊傳送至主機(jī),主機(jī)根據(jù)整體情況進(jìn)行判斷,如需灌溉則將命令信號(hào)通過(guò)PLCC送回從機(jī),從機(jī)輸出閥門(mén)信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)噴頭電磁閥門(mén)進(jìn)行灌溉,當(dāng)達(dá)到所需水分時(shí)關(guān)閉電磁閥門(mén).

圖3　從模塊結(jié)構(gòu)Fig.3　The slave module structure

水分傳感器采用RHD-100型,探針長(zhǎng)度為55 mm,探針為不銹鋼材質(zhì),直徑為3 mm,工作電壓為5~12 V,測(cè)量主頻為100 MHz,輸出電壓信號(hào)為0~2 V.因其測(cè)量范圍較小(半徑為10 cm的范圍內(nèi)),故在一個(gè)節(jié)點(diǎn)中使用了3個(gè)水分傳感器,其分布方式可以采用三角形的3個(gè)頂角位置的方法.

水分傳感器采集到的信號(hào)是模擬信號(hào),其需要模數(shù)轉(zhuǎn)換后才能送給單片機(jī).模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用多路模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片MAX186,MAX186是一個(gè)12位八通道單端/四通道差分模擬輸入ADC,其最高采樣頻率可達(dá)130 kHz,具有高通過(guò)率、低功耗、高精度等特性.水分模擬信號(hào)以差分輸入方式輸入給MAX186.

電磁閥采用FNSLP10,驅(qū)動(dòng)電壓為DC24V.為防止驅(qū)動(dòng)電路對(duì)單片機(jī)的影響,其間加入了光耦隔離TP521,驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)使用快速恢復(fù)二極管FR304.

溫度傳感器采用DS18B20,這種傳感器采用單總線結(jié)構(gòu),直接將采集的信號(hào)以數(shù)字量的形式輸出,省去了模數(shù)轉(zhuǎn)換器.

2軟件設(shè)計(jì)

主機(jī)為位于控制室內(nèi)的監(jiān)控PC機(jī),其在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行中起著至關(guān)重要的作用.系統(tǒng)基于Visual Basic 6.0開(kāi)發(fā),利用Visual Basic的SQL數(shù)據(jù)庫(kù),將采集到的數(shù)據(jù)存放到數(shù)據(jù)庫(kù)中.主機(jī)管理功能框圖如圖4所示,功能分為4個(gè)部分:采集控制、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)管理以及登陸管理.

系統(tǒng)的手動(dòng)采集以及閥門(mén)的手動(dòng)控制功能主要是作為測(cè)試用,正常工作處于自動(dòng)采集,其采集的時(shí)間間隔可由控制參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,最短為3 min,最長(zhǎng)為1 h.植物水分閾值設(shè)置可以根據(jù)不同作物進(jìn)行不同的閾值設(shè)置.控制參數(shù)中可以設(shè)置采集的定時(shí)時(shí)間以及報(bào)警閾值.當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí),從機(jī)采集現(xiàn)場(chǎng)溫度及水分信息并將數(shù)據(jù)通過(guò)串口和PLCC通信的方式發(fā)送給主機(jī).如果主機(jī)檢測(cè)到的土壤水分值小于或等于植物水分閾值設(shè)置的下限,主機(jī)將啟動(dòng)閥門(mén)的命令通過(guò)串口通訊和PLCC通訊的方式發(fā)給從機(jī)進(jìn)行閥門(mén)控制.除此之外,為了避免從機(jī)的數(shù)據(jù)干擾和誤動(dòng)作,主機(jī)會(huì)每隔3 min給從機(jī)發(fā)送閾值參數(shù)、定時(shí)參數(shù)以及閥門(mén)的控制命令.

圖4　主機(jī)管理功能框圖Fig.4　The host management function block diagram

3測(cè)試

測(cè)試地點(diǎn)為陜西理工學(xué)院花園內(nèi)的草坪.草坪中安裝固定式噴灌系統(tǒng),采用搖臂式旋轉(zhuǎn)噴頭,射程為10 m,試驗(yàn)灌區(qū)為2個(gè),每個(gè)灌區(qū)水分傳感器采用三角形分布,位置離中心噴頭為3 m,溫度傳感器和其中的一個(gè)水分傳感器安放在一起.HL-PLC電力線載波模塊設(shè)定為過(guò)零模式發(fā)送,通信速率設(shè)為1 200 bps.

為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?對(duì)水分傳感器RHD-100采集并傳輸?shù)街鳈C(jī)中的水分信號(hào)和已標(biāo)定的土壤水分進(jìn)行對(duì)比,標(biāo)定設(shè)備為T(mén)SC-Ⅳ型土壤水分檢測(cè)儀.測(cè)試時(shí),2種水分檢測(cè)設(shè)備檢測(cè)同一點(diǎn)的水分,采用手動(dòng)采集方式,通信距離約為300 m,對(duì)比的結(jié)果如表1所示.

表1　水分信號(hào)采集數(shù)據(jù)及誤差

從表1可看出,在1 200 bps的通信速率下,RHD-100傳感器采集并通過(guò)電力線載波模塊傳送到主機(jī)的數(shù)據(jù)和標(biāo)定的TSC-Ⅳ型水分測(cè)試儀測(cè)得的水分?jǐn)?shù)據(jù)比較接近,其誤差在5%以?xún)?nèi),滿(mǎn)足灌溉設(shè)計(jì)要求.但在通信速率為9 600 bps時(shí),其誤差明顯增大,接近8%.經(jīng)測(cè)試,隨著通信距離的增大,2種通信速率下的誤差率也增大,其中通信速率越高,誤差率增大越明顯,另外,由于HL-PLC電力線載波模塊對(duì)數(shù)據(jù)處理速度的限制,如果選擇更高通信速率,數(shù)據(jù)傳輸會(huì)出現(xiàn)明顯的錯(cuò)誤,有時(shí)甚至出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象,因此,在數(shù)據(jù)量大且實(shí)時(shí)性要求較高的場(chǎng)合需要權(quán)衡選擇.根據(jù)測(cè)試結(jié)果,本系統(tǒng)的通信速率選擇1 200 bps,此時(shí)通信距離可以達(dá)到300 m左右.為了驗(yàn)證長(zhǎng)期運(yùn)行效果,將系統(tǒng)信號(hào)采集時(shí)間間隔設(shè)為10 min,經(jīng)過(guò)15 d的測(cè)試,系統(tǒng)運(yùn)行良好.

4結(jié)論

節(jié)水灌溉的通信方式較多,本文將以往用于電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程抄表的電力線載波通信技術(shù)用于節(jié)水灌溉的遠(yuǎn)程控制,設(shè)計(jì)了一套基于電力線載波模塊通信的噴灌控制系統(tǒng).系統(tǒng)以主控室的主機(jī)為核心,以主從通信的多機(jī)通信模式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行了遠(yuǎn)程采集及控制,最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試.結(jié)果表明，數(shù)據(jù)傳輸誤差率低,設(shè)備運(yùn)行可靠、穩(wěn)定,在1 200 bps下,系統(tǒng)的控制距離達(dá)到了約300 m.電力線載波通信在使用時(shí)有其自身的不足.配電變壓器對(duì)電力載波信號(hào)有阻隔作用,所以電力線載波信號(hào)只能在一個(gè)配電變壓器區(qū)域范圍內(nèi)傳送,另外,三相電力線間有很大信號(hào)損失,一般電力線載波信號(hào)只能在單相電力線上傳輸.電力線上各種用電設(shè)備性質(zhì)不同,功率不同,以及設(shè)備的頻繁開(kāi)關(guān)等因素會(huì)給電力線帶來(lái)各種噪聲干擾,這限制了電力線載波通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛡鬏斁嚯x.如果需要更遠(yuǎn)距離的控制,有3種思路,一是設(shè)計(jì)更好的調(diào)理電路和控制算法,二是增加中繼器,三是進(jìn)一步完善通信協(xié)議,這也是下一步的工作任務(wù).本文提出的控制方法給節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)提供了新的思路,系統(tǒng)不僅達(dá)到了控制目的,節(jié)約了水資源,同時(shí)節(jié)約了大量通信電纜,具有很好的應(yīng)用價(jià)值.

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Design of control system in water-saving irrigation basedon power line carrier communication

YIN Xiang-lei

(College of Electrical Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, China)

Abstract：For the purpose of water-saving irrigation, a set of the sprinkler irrigation control system was designed based on power line carrier communication. The system could get the field signal and control the actuator with master-slave multicomputer communication mode based on power line carrier communication means, and the host on the control centre room was as the core. Finally, the system test had been carried out. Results showed that the error rate was low, and the data transmission equipment operation was reliable and stable. The control distance reached about 300 m long. The system not only achieves the control purpose, saves the water resources, but also saves a large amount of communication cable, and has very good application value.

Key words：irrigation; control; power line carrier; communication

中圖分類(lèi)號(hào)：TP 29

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-754X(2016)01-0090-05

作者簡(jiǎn)介：尹向雷(1977—),男,陜西咸陽(yáng)人,講師,碩士,從事控制工程研究,E-mail: thunder2@163.com.

收稿日期：

2015-05-22.

本刊網(wǎng)址·在線期刊：http://www.journals.zju.edu.cn/gcsjxb

基金項(xiàng)目：陜西省教育廳科研基金項(xiàng)目(2013JK1086).

http://orcid.org//0000-0001-9962-7986

DOI:10.3785/j.issn. 1006-754X.2016.01.014