劉 勇,王運(yùn)圣,胡雯雯,吳穎靜,徐識(shí)溥

(上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)科技信息研究所,上海數(shù)字農(nóng)業(yè)工程與技術(shù)研究中心,上海 201403)

電磁閥是一種控制各種流體(氣體、液體)管道通斷的電子開關(guān)設(shè)備,其基本工作原理是通過線圈通電后產(chǎn)生的磁場(chǎng)吸合閥體來實(shí)現(xiàn)閥門的開關(guān)控制,目前在普通工業(yè)、武器工業(yè)、船舶工業(yè)、石油化工等行業(yè)應(yīng)用廣泛[1-6]。電磁閥在農(nóng)業(yè)上主要用于灌溉管道、營(yíng)養(yǎng)液管道以及噴藥管道的開關(guān)控制,以取代傳統(tǒng)的機(jī)械開關(guān),實(shí)現(xiàn)控制方式由手動(dòng)到自動(dòng)的升級(jí)[7-8]。

近年來,隨著農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和普及,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中許多設(shè)備需要進(jìn)行電氣化和網(wǎng)絡(luò)化改造,而電磁閥作為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的一種執(zhí)行機(jī)構(gòu),其使用量也在迅猛增長(zhǎng)。從目前的使用狀況來看,現(xiàn)有的電磁閥控制系統(tǒng)多以現(xiàn)場(chǎng)通過物理按鈕進(jìn)行手動(dòng)控制為主,少數(shù)引入農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的場(chǎng)所可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制,但是又缺乏現(xiàn)場(chǎng)控制,導(dǎo)致遠(yuǎn)程控制失效時(shí)所有的閥門都無法使用。為此,本試驗(yàn)擬研究一種遠(yuǎn)近一體的農(nóng)用電磁閥控制系統(tǒng),在實(shí)現(xiàn)基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠(yuǎn)程控制的同時(shí),保留近場(chǎng)控制方式。其中遠(yuǎn)程控制使用Wi-Fi 技術(shù)作為控制節(jié)點(diǎn)連接互聯(lián)網(wǎng)的方式,近場(chǎng)控制使用工業(yè)觸摸屏取代常用的物理按鈕或撥桿開關(guān),通過觸摸屏上的虛擬按鈕實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)控制。兩種控制方式并不是孤立進(jìn)行的,通過狀態(tài)同步的方式將其集成一體,任何一方進(jìn)行控制操作后都會(huì)將控制狀態(tài)同步到另一方,從而真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)近控制的一體化。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

遠(yuǎn)近一體的農(nóng)用電磁閥控制系統(tǒng)以現(xiàn)場(chǎng)嵌入式控制器和云服務(wù)器為核心,包含遠(yuǎn)程控制終端和現(xiàn)場(chǎng)控制終端,其中遠(yuǎn)程控制終端以手機(jī)APP、web 網(wǎng)頁端或者微信小程序的方式呈現(xiàn),現(xiàn)場(chǎng)控制終端為一塊10.1 英寸(1 英寸=2.54 cm)的工業(yè)觸摸屏,觸摸屏和控制器一起集成在一個(gè)控制箱里,系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1 所示。本系統(tǒng)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),除實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥的遠(yuǎn)近一體控制之外,還實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)環(huán)境數(shù)據(jù)的采集功能,采集的數(shù)據(jù)通過4G∕5G 模塊使用現(xiàn)有的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸,以保證數(shù)據(jù)采集的長(zhǎng)期連續(xù)性,同時(shí)也避免了與控制命令共用同一通道造成數(shù)據(jù)沖突,保證控制命令響應(yīng)更加及時(shí)。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Overall system architecture

1.2 控制器硬件架構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)控制器使用意法半導(dǎo)體的32 位微控制器STM32F103VET6 作為主控芯片,該芯片擁有ARM Cortex M3 內(nèi)核,運(yùn)行主頻高達(dá)72 MHz,具有64k RAM 和512k flash 存儲(chǔ)器,所以能夠以足夠快的速度響應(yīng)對(duì)多路電磁閥的控制。最關(guān)鍵的是它有4 個(gè)通用串行接口,正好滿足系統(tǒng)對(duì)串口數(shù)量的要求。如圖2 所示,STM32 微控制器的串口1 接4G∕5G 模塊,用于傳感器數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸；串口2 接觸摸屏,用于實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)控制功能；串口3 接485傳感器,用于采集農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù),傳感器類型可根據(jù)需要選擇,只要滿足485 接口且遵循Modbus RTU 協(xié)議即可；串口4 接Wi-Fi 模塊,用于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。除4 個(gè)串口之外,還使用了6 個(gè)通用IO 口PE7—PE12 來控制6 路繼電器,繼而控制6 個(gè)電磁閥,本研究選用的微控制器共有100 個(gè)引腳,其中超過70 個(gè)可作為通用IO 口使用,所以可控制的電磁閥遠(yuǎn)不止6 個(gè),可以根據(jù)需要增加數(shù)量。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)控制器硬件架構(gòu)Fig.2 Hardware architecture of field controller

1.3 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)近一體控制系統(tǒng)的核心功能都是通過嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)的,嵌入式軟件運(yùn)行于前文所述的STM32F103VET6 芯片之上。為保證控制的實(shí)時(shí)性,嵌入式軟件采用了無操作系統(tǒng)的前后臺(tái)架構(gòu),前臺(tái)軟件主流程如圖3 所示,系統(tǒng)上電后首先完成時(shí)鐘、串口、中斷系統(tǒng)等的初始化,之后進(jìn)入主循環(huán)中,無限往復(fù)執(zhí)行一些需要前臺(tái)處理的功能,如對(duì)觸摸屏命令的解析與處理、每隔40 s 對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的定時(shí)采集并上傳給Wi-Fi 模塊、每隔5 min 將采集的最新數(shù)據(jù)上傳給4G 或5G 模塊等。

圖3 嵌入式軟件主程序流程Fig.3 Main program flow of embedded software

后臺(tái)系統(tǒng)主要是指4 個(gè)串口數(shù)據(jù)的接收與處理,本系統(tǒng)中串口數(shù)據(jù)都是通過中斷函數(shù)接收的,每個(gè)串口每接收到一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)串口中斷并調(diào)用相應(yīng)的中斷函數(shù),在該函數(shù)中實(shí)現(xiàn)對(duì)接收字節(jié)的暫存,當(dāng)超過一定時(shí)間仍無數(shù)據(jù)接收時(shí),即認(rèn)為一幀數(shù)據(jù)接收完成,串口產(chǎn)生空閑中斷并調(diào)用中斷函數(shù),在該函數(shù)中可設(shè)置數(shù)據(jù)接收完成標(biāo)志位,供前臺(tái)程序調(diào)用以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,如本系統(tǒng)中對(duì)觸摸屏命令的處理即為這種方式。這種處理方式適合數(shù)據(jù)量大且通信次數(shù)頻繁的情況,主要是為了減少中斷函數(shù)占用的處理器時(shí)間,保證其他串口數(shù)據(jù)的接收不受影響。如果串口接收的數(shù)據(jù)量不大且處理較快,則可以在空閑中斷發(fā)生時(shí)直接在中斷函數(shù)中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,如本系統(tǒng)中Wi-Fi 控制命令的執(zhí)行采用的就是這種方式。遠(yuǎn)程控制和近場(chǎng)控制命令的處理方式上之所以有此區(qū)別,是因?yàn)檫h(yuǎn)程控制使用的Wi-Fi 模塊已經(jīng)將云端發(fā)來的控制命令解析和簡(jiǎn)化了,而且控制命令發(fā)生的頻率不高,所以可以直接在串口中斷函數(shù)里執(zhí)行,而近場(chǎng)控制的觸摸屏與主控通信頻率較高,應(yīng)盡量減少其對(duì)中斷函數(shù)的占用時(shí)間,故中斷函數(shù)中設(shè)置標(biāo)志位在主函數(shù)中處理,具體的控制實(shí)現(xiàn)方式在后續(xù)章節(jié)中詳細(xì)論述。

2 遠(yuǎn)程控制功能的實(shí)現(xiàn)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用,遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中各種參數(shù)的系統(tǒng)逐漸增多,但僅僅監(jiān)測(cè)還不夠,很多時(shí)候希望在知道監(jiān)測(cè)參數(shù)的同時(shí)還能對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行控制,這就產(chǎn)生了遠(yuǎn)程控制的需求。物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)使得萬物都能聯(lián)網(wǎng)的技術(shù),遠(yuǎn)程控制功能的實(shí)現(xiàn)也需要解決接入互聯(lián)網(wǎng)的問題。對(duì)本系統(tǒng)而言,就是要解決現(xiàn)場(chǎng)嵌入式控制器聯(lián)網(wǎng)的問題,目前聯(lián)網(wǎng)的方式總體上可分為有線和無線兩種方式,其中有線方式連接穩(wěn)定、速度快,但是需要布設(shè)網(wǎng)線,這對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境而言很多時(shí)候都不易實(shí)現(xiàn)；無線方式多指通過移動(dòng)通信基站接入移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng),這種方式雖不用布線,但需要增加通信模塊和流量卡,且流量卡需要定期充值,使用和管理成本都有所增加,為此,本研究選用了一種折中方案,使用Wi-Fi 技術(shù)接入互聯(lián)網(wǎng)。

Wi-Fi 是一種將互聯(lián)網(wǎng)接入“最后一公里”進(jìn)行無線化的技術(shù),具有少布線和高穩(wěn)定性的特點(diǎn),而且也免去了流量卡需要實(shí)名開卡和定期繳費(fèi)的問題,從技術(shù)層面看,Wi-Fi 技術(shù)與手機(jī)可以直接連接,所以使用上會(huì)有很大的便利性,因此,目前Wi-Fi 技術(shù)已在農(nóng)業(yè)上有了一定應(yīng)用[9-13]。

本研究使用一款國(guó)產(chǎn)Wi-Fi 芯片ESP8266,集成了32 位Tensilica 處理器、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字外設(shè)接口、天線開關(guān)、射頻巴倫、功率放大器、低噪放大器、過濾器和電源管理模塊等,僅需很少的外圍電路,可將所占PCB空間降低。如圖4 所示,ESP8266 的Wi-Fi 模塊將芯片所需的外圍器件和Wi-Fi 天線都集成在一個(gè)PCB上,只需要電源、地線、串行數(shù)據(jù)收、串行數(shù)據(jù)發(fā)4 根線即可與現(xiàn)場(chǎng)嵌入式控制器進(jìn)行通信。

圖4 Wi-Fi 模塊接線示意圖Fig.4 Wiring diagram of Wi-Fi module

Wi-Fi 模塊接入互聯(lián)網(wǎng)的第一步是先接入無線路由器,一般而言需要通過AT 指令先將模塊配置為站點(diǎn)模式,再使用AT+CWJAP=“Wi-Fi 名”,“密碼”指令連接到路由器,對(duì)于不同的路由器,“Wi-Fi 名”和“密碼”都是變化的,如果在程序中寫死則不能更改,因此本研究使用了樂鑫信息科技(上海)有限公司開發(fā)的ESP-TOUCH 技術(shù),在手機(jī)上安裝ESP-TOUCH APP,該APP 中可設(shè)置“Wi-Fi 名”和“密碼”,并通過UDP 包發(fā)送給Wi-Fi 模塊,Wi-Fi 模塊只要開啟Sniffer 模式即可探測(cè)到UDP 包中的“Wi-Fi 名”和“密碼”信息,并據(jù)此與無線路由器建立連接,繼而通過IP 地址和端口號(hào)與云服務(wù)器建立連接。

入網(wǎng)之后即可進(jìn)行電磁閥的控制?？刂七^程涉及到手機(jī)APP、云端、Wi-Fi 模塊以及現(xiàn)場(chǎng)控制器,具體過程如圖5 所示。用戶通過手機(jī)APP 等終端發(fā)送控制命令到云服務(wù)器,云服務(wù)器不做處理直接轉(zhuǎn)發(fā)給Wi-Fi 模塊,Wi-Fi 模塊收到后進(jìn)行解析,變成長(zhǎng)度1 Byte 的短命令再發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)控制器。

圖5 遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)傳輸流程Fig.5 Data transmission process of remote control

Wi-Fi 模塊從云端收到的命令格式如表1 所示,其中第7 和第8 部分為有效載荷,Ctrl_flags 為控制對(duì)象標(biāo)志位,表示此條命令要控制哪些電磁閥,總長(zhǎng)度為1 byte,bit0—bit5 分別對(duì)應(yīng)電磁閥1—6,對(duì)應(yīng)值為1表示要控制該電磁閥,為0 表示此次不控制該電磁閥。Ctrl_vals 為具體的控制值,bit0—bit5 分別對(duì)應(yīng)電磁閥1—6,1 表示打開電磁閥,0 表示關(guān)閉電磁閥。Wi-Fi 模塊收到該命令后將其解析,并簡(jiǎn)化為表2 所示的單字節(jié)命令發(fā)送給現(xiàn)場(chǎng)控制器,現(xiàn)場(chǎng)控制器收到單字節(jié)命令后立即對(duì)相應(yīng)電磁閥進(jìn)行控制。

表1 云端下發(fā)控制命令數(shù)據(jù)包格式Table 1 Data packet format of control command from cloud server

表2 Wi-Fi 模塊處理后的控制命令Table 2 Control commands processed by Wi-Fi module

3 近場(chǎng)控制功能

近場(chǎng)控制即現(xiàn)場(chǎng)控制。之所以要實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)控制主要是為了照顧部分用戶的使用習(xí)慣,同時(shí)也可以作為遠(yuǎn)程控制出現(xiàn)通信故障而無法使用時(shí)的備份。近場(chǎng)控制在農(nóng)業(yè)上通常是使用機(jī)械撥桿開關(guān)或按鈕、旋鈕等方式實(shí)現(xiàn)的,這些方式都存在著使用時(shí)間長(zhǎng)易發(fā)生機(jī)械勞損的問題,且農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中高溫高濕的環(huán)境經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致機(jī)械開關(guān)未到使用年限就發(fā)生嚴(yán)重銹蝕的情況,因此,本研究創(chuàng)新性地引入了觸摸屏作為現(xiàn)場(chǎng)控制的操控接口,用觸摸屏上的虛擬按鈕取代傳統(tǒng)物理按鈕和指示燈,實(shí)現(xiàn)電磁閥控制和狀態(tài)指示的效果。

觸摸屏是一種集顯示技術(shù)與觸控技術(shù)于一體的全新人機(jī)交互設(shè)備,其基本原理是由觸摸屏控制器檢測(cè)手指或其他物體觸摸屏幕的位置及動(dòng)作類型(單擊、雙擊、滑動(dòng)等),并據(jù)此在屏幕的相應(yīng)位置上顯示相關(guān)觸控動(dòng)作執(zhí)行的結(jié)果,目前觸摸屏已經(jīng)在工廠、物流、核電等行業(yè)得到很好的應(yīng)用[14-16]。

本研究選用一款10.1 英寸(1 英寸=2.54 cm)TFT LCD 觸控屏,具有Cortex A8 600 MHz 處理器和1 024 ×600 像素的顯示分辨率,這類觸摸屏將屏幕和控制芯片集成一體,通過串口和其他設(shè)備進(jìn)行通信,穩(wěn)定性極高,且提供專用的界面開發(fā)環(huán)境,開發(fā)便捷。目前,觸摸屏在農(nóng)業(yè)環(huán)境控制和育苗上已有一些應(yīng)用[17-18],但都是和PLC 配合使用的,PLC 作為一種可編程邏輯控制器在工業(yè)上應(yīng)用廣泛,具有穩(wěn)定可靠的特點(diǎn),但體積大、價(jià)格高,并不適用于產(chǎn)值不高的農(nóng)業(yè)。本研究的解決方案是研究觸摸屏的通信協(xié)議,在STM32 微控制器上實(shí)現(xiàn)與觸摸屏的通信,從而取代PLC。觸摸屏的控制界面可以通過專用的開發(fā)環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì),圖6 為本研究設(shè)計(jì)的一套水肥一體化灌溉控制系統(tǒng)的觸控界面。

圖6 觸摸屏控制界面設(shè)計(jì)Fig.6 Design of touch screen control interface

界面設(shè)計(jì)完成之后要實(shí)現(xiàn)界面上各個(gè)按鈕與現(xiàn)場(chǎng)控制器的通信。觸摸屏是通過串行接口依照Modbus RTU 協(xié)議與外界通信的[19-20],圖6 中每個(gè)按鈕控制一個(gè)電磁閥,有開和關(guān)2 種狀態(tài),點(diǎn)擊任意一個(gè)按鈕之后都會(huì)下發(fā)一條控制命令,命令格式如表3 所示,功能碼0x05 表示此條命令為控制命令,此時(shí)起始地址表示控制第幾個(gè)電磁閥,數(shù)據(jù)值為0xFF 時(shí)表示關(guān)閉相應(yīng)的電磁閥,否則為打開。除0x05 功能碼之外,本系統(tǒng)還對(duì)其他功能碼進(jìn)行處理,例如0x01 為查詢電磁閥的開關(guān)狀態(tài),觸摸屏每1 s 會(huì)發(fā)送一次此命令主動(dòng)讀取當(dāng)前狀態(tài)；0x03 為讀取傳感器的當(dāng)前數(shù)值。

表3 觸摸屏控制命令示例Table 3 Example of touch screen control command

4 遠(yuǎn)程控制與近場(chǎng)控制狀態(tài)的同步

遠(yuǎn)程控制和近場(chǎng)控制之所以能一體化進(jìn)行,關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)二者控制狀態(tài)的同步,這也是本研究解決的另一個(gè)核心問題。解決這一問題的基本思想是要有一個(gè)角色專門負(fù)責(zé)記錄電磁閥的當(dāng)前狀態(tài),并且遠(yuǎn)程和近場(chǎng)任何一方對(duì)任意一個(gè)電磁閥進(jìn)行操控之后都要實(shí)時(shí)更新狀態(tài),并將最新的狀態(tài)通知給另一方。在本研究中,由現(xiàn)場(chǎng)控制器負(fù)責(zé)記錄狀態(tài),如圖7 所示,當(dāng)用戶通過觸摸屏操控電磁閥后,現(xiàn)場(chǎng)控制器在執(zhí)行命令的同時(shí)更新狀態(tài),并將新的狀態(tài)上報(bào)給Wi-Fi 模塊繼而反饋給手機(jī)APP,同時(shí)觸摸屏上的按鈕也會(huì)自動(dòng)更新狀態(tài)；當(dāng)用戶通過手機(jī)APP 操控電磁閥之后,現(xiàn)場(chǎng)控制器同樣會(huì)在收到命令后執(zhí)行控制動(dòng)作并更新狀態(tài)標(biāo)志位,不同的是觸摸屏?xí)悦棵胍淮蔚念l率主動(dòng)讀取現(xiàn)場(chǎng)控制器記錄的狀態(tài)標(biāo)志位,從而更新自身的按鈕狀態(tài)。

圖7 狀態(tài)同步實(shí)現(xiàn)過程Fig.7 Implementation process of state synchronization

5 結(jié)論

本試驗(yàn)研究并實(shí)現(xiàn)了一套遠(yuǎn)程控制與近場(chǎng)控制一體的農(nóng)用電磁閥控制系統(tǒng),該系統(tǒng)引入Wi-Fi 技術(shù)用于現(xiàn)場(chǎng)控制器接入互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,同時(shí)為適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)人員的使用習(xí)慣并作為遠(yuǎn)程控制方式的備份,還實(shí)現(xiàn)了近場(chǎng)控制功能。近場(chǎng)控制用工業(yè)觸摸屏上的虛擬按鈕取代傳統(tǒng)的物理按鈕或開關(guān)。工業(yè)觸摸屏一般是與PLC 配合使用的,但PLC 造價(jià)較高,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中往往對(duì)設(shè)備投入的成本比較敏感,所以本研究使用價(jià)錢更低的STM32 微控制器取代PLC,從底層協(xié)議上實(shí)現(xiàn)了對(duì)觸摸屏的融合,并最終實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制與近場(chǎng)控制的操控狀態(tài)互相實(shí)時(shí)同步,遠(yuǎn)程和近場(chǎng)任何一方控制時(shí)另一方的狀態(tài)也同步更新,真正做到了遠(yuǎn)程控制和近場(chǎng)控制的一體化。

該系統(tǒng)可應(yīng)用于大田或溫室中管道式供水場(chǎng)所灌溉閥門的控制,也可用于無土栽培中營(yíng)養(yǎng)液輸送的控制,或水肥一體化灌溉系統(tǒng)的控制等,遠(yuǎn)程與近場(chǎng)結(jié)合的控制方式擴(kuò)大了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍,提高了接受度。系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)控制功能的同時(shí)還具有數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)功能,并且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸使用專用的無線信道,從而保證控制命令響應(yīng)的及時(shí)性。本系統(tǒng)目前已在位于上海市崇明區(qū)的上海瀛西果蔬專業(yè)合作社的大田蔬菜水肥一體化控制中得到了應(yīng)用,起到了顯著的節(jié)省人工和降低生產(chǎn)成本的作用,大面積推廣應(yīng)用后可大大提高農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍,提高我國(guó)農(nóng)業(yè)信息化水平。