基于电力载波的大棚灌溉控制系统研究

丁洁瑾，陈进熹

（1.浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311231；2.杭州职业技术学院，浙江 杭州 310018）

传统的农业灌溉方式存在着巨大的水资源浪费，目前我国近一半的水资源在灌溉过程中被浪费。国务院批复的《全国水资源综合规划》中指出，到2030年，全国用水总量力争控制在7000亿立方米以内，农田灌溉水有效利用系数提高到0.6[1]。随着5G时代的到来，现代化的智慧农业灌溉也将成为提高灌溉水利用率、科学精细化管理农作物生长的重要手段之一，信息化的应用将有效降低蔬菜种植风险，提高蔬菜产量[2]。

我国温室大棚生产方式大部分还处于粗放式管理阶段，灌溉是目前农业生产管理中较为棘手的问题。传统人工灌溉既浪费人力，又不能精准把握农作物的需水情况，需要依靠传统种植积累的经验，我国农业现代化水平远远落后于美国、德国、加拿大、澳大利亚等发达国家[3]。

目前有不少关于大棚参数智能控制系统的研究[4-8]，本研究结合我国南方塑料蔬菜大棚的特点[9]，在现有大棚的基础上，以低成本、易使用、智能化为目标，利用电力载波作为大棚灌溉的通讯手段，利用ATmega2560作为灌溉节点的控制器，完成大棚灌溉节点的集中控制，实现智慧化的大棚节水灌溉系统管理。

1 控制系统整体设计

目前实现大棚灌溉的组网方法主要有有线通讯和无线通讯两种，有线通讯传输稳定可靠，但需要铺设专用的通讯线缆，成本较高不适宜推广。无线通讯（主要有无线局域网和运营商网络）克服有线通讯需要铺设专用通讯线缆的问题，但也存在很多问题，无线局域网覆盖范围小，信号不稳定，且需要维护，运营商网络后期使用成本较高。所以现有的有线通讯网络和无线通讯网络都不太适用于大棚灌溉场合。电力载波是以电力线作为通讯介质的通讯手段，通过利用大棚中原来用于照明、温度测量等场合电力线作为通讯线缆，在不增加通讯线缆的前提下实现灌溉节点的组网。

本系统采用经济实用型控制主板Arduino Meag2560控制板、电力载波传输模块、土壤湿度传感器、空气温度传感器和其他传感器组成，其中ATmeag2560主控芯片是系统控制中心，负责把采集上来的数据按照定义好的通信协议发送给上位机，数据主要包括大棚土壤的湿度和温室空气的温度等。控制系统原理图如图1所示。

图1 控制系统原理图

2 硬件电路设计

大棚灌溉系统整体方案采用一主多从的通讯方式进行，一个通讯网络内包含一个主站和最多65534个从站。主站和从站的硬件结构类似，主站主要用于从站数据的采集和处理，从站主要用于土壤湿度、空气温度等数据的采集和流量控制，网络系统架构图如图2所示。

图2 基于电力载波的大棚灌溉网络系统

每个网络节点主要由主控制器和通讯模块组成，主控制芯片都采用ATmega2560，通讯部分采用HLPLCS520F作为电力载波调整解调模块。ATmega2560用来做传感信号、控制信号的处理和数据传输，HLPLCS520F的主要作用是进行载波信号的调制解调、协议处理和外设控制。每个网络节点除处理器和载波模块外还包括发送和接受的外围电路，主要作用是使数据放大驱动[10]。

HLPLC520F电力载波模块与处理器相连，用串口进行数字量交换，HLPLCS520F内部架构如图3所示。控制器逻辑输出接继电器等逻辑控制设备，数字信号输出进行土壤湿度测量和其它有需要的传感器。HLPLC520F电力载波模块的调制解调电路包括调制解调器、数据交互接口、载波信号发送及接收滤波放大电路。

图3 系统电路框架图

本系统采用FSK载波调制解调方式，规定信号1为111kHz频率，信号0为109kHz频率。在确定频率后设计输入输出电路。在信号输出环节需要对信号进行放大，取111kHz和109kHz信号的中值110kHz为目标频率进行输出放大，提高信号的输出功率。采用如图4所示的滤波及放大电路对输出信号进行放大。采用基于MOS管的D类放大器作放大电路，放大器原理图如图4所示。

图4 发送端电路设计

FSK_OUT为载波信号输出端，信号经过放大电路后形成方波信号，再通过滤波电路（C1、L1）输送到电力线上。L1和C1组成的LC串联谐振电路，可以对信号起到选频的作用，针对110kHz频率进行计算，根据谐振频率计算公式算出L1和C1的值。

f0为谐振的中心频率，为110kHz。为提高LC串联谐振电路的选频能力，在合理范围内选取LC串联电路的品质系数Q，Q的计算公式为：

当Q取100，计算得L1值取10uH，C1值取200nF。还需要设计载波信号的接收电路，电力线上会许多杂波，通过接收滤波电路进行过滤，采用LC并联谐振电路作为接收端滤波电路[11]，如图5所示。

图5 FSK信号接收滤波器

R2为接收端的等效内阻，取值500Ω。LC并联谐振Q值计算公式为：

兼顾滤波器选频能和元器件选型，将Q值设定为100。计算LC并联谐振电路的L2和C2的值，经计算得L2值为10uH，C2的值为300nF。

3 通讯协议设计

大棚节水灌溉系统的通讯方式采用一主多从的方式，每个网络有一个主站和最多65534个从站。为了保证系统的实时性，只允许主站与从站进行数据交换，不允许从站与从站之间进行数据交换。大棚节水灌溉系统的通讯网络可以划分为三层：物理层、数据链路层和应用层，通讯网络如图6所示。

图6 基于电力载波的大棚灌溉系统通讯网络

由于电力线噪声较大，为了准确的区分噪声信号和数据信号，在数据帧起始部分加入16位的报文头。同时为了数据准确的到达目标节点，在报文头后面跟随16位的地址信号。在地址信号后面跟随的是2位控制信号，用以说明后面的数据的作用，完整的数据帧如图7所示。

图7 大棚节水灌溉网络通讯数据帧

帧头部分的报文头为固定格式95A3H，主站通过报文头通知大棚灌溉系统的从站点开始接收信号。地址段是一个16位的数据，总共有65536个地址容量，除去主站地址和广播地址外还可以容纳65534个从站，足以满足大棚灌溉的需求。控制段是一个2位代码，用来区分后面数据的作用。数据段是信息传输的主体，主站通过数据控制从站设备执行需要的操作。由于电力线上干扰信号较多，数据容易出错，系统采用海明码对传输的信号进行校验，主要校验信息段为地址段、控制端和数据段。通过5位海明码对26位数据进行校验，海明距离达到3，能检测出两个错误位，同时还能修正一个错误位，保证前面数据的稳定可靠。

为了实现大棚节水灌溉系统从站节点的即插即用，在通讯协议中设计了新设备接入机制。利用分槽式ALOHA方法把通讯信道（电力线）按时间分成若干个槽点，新接入网的灌溉节点只能在主机发出新设备寻址指令后在特点的时间槽内发出信号与主站对话，保证新从站与原有网络上的从站以及新从站之间不会冲突，如表1所示。

表1 新灌溉节点无冲突访问

主站在完成一次原有灌溉节点轮询后会发起一次新设备访问，主站发出地址段为0x00的特殊帧，原网络上的灌溉节点不会应答该信号，新灌溉节点在收到地址为0x00的特殊帧后会在接下来的4个时间槽内随机选择一个时间槽发出应答帧[12]，主站收到应答帧后会发送配置帧，新入网的从站从配置帧中获取地址等信息并发出配置成功的应答帧，完成新从站的配置。

如果新入网有多个从站，检测到其它从站已发其应答帧后将放弃该次主站发起的新设备访问等待下一周期，如果两个从站在同一时间槽内发起应答帧，如表2所示，主站在检测到有冲突后将放弃该次新设备访问等待下一周期。通过分槽式ALOHA方法，实现大棚节水灌溉从站点的即插即用，提高电力载波灌溉系统在不同应用场合的适应能力。

表2 新灌溉节点有冲突访问

4 结语

针对大棚灌溉水利用率低、精细化控制成本高，本研究采用电力载波通讯技术，即插即用，利用Arduino Meag2560控制技术，能够对温室大棚中的温度、湿度等环境参数进行采集，按照作物适于生长条件进行有效灌溉控制，对作物进行精细化种植管理。针对现有塑料蔬菜大棚，本系统具有安装方便、性能稳定、经济实用等特点，具有较高的市场使用价值。