马晓虹

(陕西理工学院 电工电子实验教学中心， 陕西 汉中 723000)



基于PLCC的果园灌溉自动控制系统设计

马晓虹

(陕西理工学院 电工电子实验教学中心， 陕西 汉中 723000)

[摘要]为实现果园节水灌溉，设计了一套基于电力线载波通信的喷灌控制系统，系统以电力线载波为通信手段，以主控室的主机为核心，以主从多机通信模式对现场信号进行了远程采集及控制，最后对系统进行了现场测试。结果表明，数据传输误差率低，设备运行稳定可靠，系统不仅达到了控制目的，节约了水资源，同时节约了大量通信电缆。

[关键词]灌溉； 控制； 电力线载波；通信

传统的果园灌溉系统大多是依靠人工，凭借经验和感觉对果园进行灌溉操作，不仅浪费水资源，而且耗费工时，并且粗放式的灌溉方式也影响着果品的产量和品质[1]，因此节水灌溉显得非常重要。目前节水灌溉方式较多，控制的通信方式基本集中在RS-485通信方式以及无线网络[2-4]。RS-485通信方式存在网络布线多、施工难和成本高等问题，无线通信又存在通信距离短、电源供电以及抗干扰能力差等问题，如果利用营运商的无线网络，还存在较高的维护费用问题。

电力线载波通信(Power Line Carrier Communication，PLCC)，是利用电力线作为信号的传输媒介，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术[5]。具有信息传输稳定可靠、无需重新布线、系统成本低廉且使用方便等特点，目前广泛应用于电力网远程抄表系统及电力网智能化改造系统中[6]。近年来随着物联网的发展，电力线载波通信在智能家居以及智能控制等领域发挥了重要作用。本研究结合校园旁的葡萄园为试验田，通过采用PLCC技术，实时采集果园土壤湿度、空气温度，开发一套果园自动灌溉系统。

1硬件设计

根据地形环境铺设灌溉管道设施以及喷头电磁阀和传感器等提供电能的低压电力线缆，通过电力线载波通信技术进行各个模块以及总控制站之间的信息传递。各个节点将监测到的现场数据传至主机(PC机)中的数据中心，数据中心以数据库方式后台存储和管理数据。同时主机中的软件算法对收集到的灌溉及环境参数进行分析、决策，最后将控制命令发布给各个相应的PLCC从站，从而达到控制目的。

1.1网络拓扑结构的设计

根据田地以及管道铺设的特点，田间作物一般呈直线分布，据此，总线型网络拓扑结构比较适合，其自动控制系统总方案框图见图1。考虑到田间操作的安全性以及传感器、执行器的供电方便，电力线的电压通过变压器降压至24 V。组网时各个节点均位于一个变压器二次侧内。

图1　节水灌溉自动控制系统总方案框图

系统分为主模块和从模块，各个模块通过24 V交流电力线相连。主模块是网络中的根节点，位于控制室内，主机是一个PC机，和PLCC通过串口线相连。从模块均位于田间现场，从机是一个单片机，和PLCC通过串口线相连。主机和从机采用主从式多机通信方式。

1.2节点的功能设计

主模块和从模块中的PLCC选用宏讯电子提供的HL-PLC电力线载波模块，其主芯片型号是HLPLCS520F。HL-PLC电力线载波模块采用FSK通讯方式，软件采用超级模糊算法，即使传输信号被干扰或丢失达40%，也能准确还原出原载波信号，通讯稳定，抗干扰能力超强[7]。载波中心频率为72 kHz，模块可以在过零发送模式和正常发送模式之间自由切换。正常模式发送，载波线上有效数据速率可达6 700 bps；过零模式发送，载波线上数据速率为1 000 bps。串口通讯速率1 200、2 400、4 800、9 600 bps可选，偶校验和无校验可选，模块采用全透明传输方式，无字符长度限制。

图2　主模块结构

图3　从模块结构

主模块中电源管理模块给PLCC提供电源支持，如图2所示。电源管理模块通过全桥整流，然后再通过稳压芯片7812提供12 V电压给PLCC。

从模块属于末梢节点，如图3所示。从机是一个单片机，型号采用STC900C516RD+，该单片机不需要专用的编程器和烧录器，可通过串口线进行程序下载。从机收集来自田间现场的水分量信号以及温度信号，并将此信号通过PLCC模块传送至主机，主机根据整体情况进行判断，如需灌溉则将命令信号通过PLCC送回从机，从机输出阀门信号给驱动器，驱动器驱动喷头电磁阀门进行灌溉，当达到所需水分时关闭电磁阀门。

水分传感器采用RHD-100型，探针长度为55 mm，探针为不锈钢材质，直径为3 mm，工作电压5~12 V，测量主频100 MHz，输出电压信号0~2 V。因其测量范围较小(半径10 cm范围内)，故在一个节点中使用了3个水分传感器，其分布方式可以采用三角形的3个顶角位置的方法。

水分传感器采集到的信号是模拟信号，需要模数转换后才能送给单片机，模数转换器采用多路模数转换芯片MAX186。MAX186是一个12位8通道单端(或4通道差分)模拟输入模数转换器，其最高采样频率可达130 kHz，具有高通过率、低功耗、高精度等特性[8]。水分模拟信号以差分输入方式输入MAX186。

电磁阀采用FNSLP10，驱动电压DC 24 V，为防止驱动电路对单片机的影响，其间加入了光耦隔离TP521，驱动电路的保护使用快速恢复二极管FR304。

温度传感器采用DS18B20，这种传感器采用单总线结构，直接将采集的信号以数字量的形式输出，省去了模数转换器。

2软件设计

主机为位于控制室内的监控PC机，在整个系统运行中起着至关重要的作用。系统基于Visual Basic 6.0开发，利用Visual Basic的SQL数据库，将采集到的数据存放到数据库中。主机管理功能框图如图4所示，功能分为4个部分：采集控制、参数设置、数据管理以及登陆管理。

系统的手动采集以及阀门的手动控制功能主要是作为测试用，正常工作处于自动采集，其采集的时间间隔可由控制参数进行设置，最短为3 min，最长为1 h。植物水分阈值设置可以根据不同作物进行不同的阈值设置。控制参数中可以设置采集的定时时间以及报警阈值设置。当系统正常工作时，从机采集现场温度及水分信息并将数据通过串口和PLCC通信的方式发送给主机。如果主机检测到的土壤水分值小于或等于植物水分阈值设置的下限[9]，主机将启动阀门的命令通过串口通讯和PLCC通讯的方式发给从机进行阀门控制。除此之外，为了避免从机的数据干扰和误动作，主机会每隔3 min给从机发送阈值参数、定时参数以及阀门的控制命令。

图4　主机管理功能框图

3测试及分析

选用的测试实验场地为一个葡萄园。葡萄园中安装固定式喷灌系统，采用摇臂式旋转喷头，射程10 m，试验灌区为2个，每个灌区水分传感器采用三角形分布，位置离中心喷头为3 m，温度传感器和其中的一个水分传感器安放在一起。HL-PLC电力线载波模块设定为过零模式发送，通信速率设置为1 200 bps。

表1　水分信号采集数据及误差　(单位：%)

为了验证数据传输的可靠性，对水分传感器RHD-100采集并传输到主机中的水分信号和已标定的土壤水分进行了对比，标定设备为TSC-IV型土壤水分检测仪。测试时，两种水分检测设备检测同一点的水分，采用手动采集方式，对比的结果如表1所示。

从表1可看出RHD-100传感器采集并通过电力线载波模块传送到主机的数据和标定的TSC-IV型水分测试仪测得的水分数据比较接近，其误差在5%以内，满足灌溉设计要求。系统的通信距离经测试，在1 200 bps的波特率下可以达到近300 m的距离。为了验证长期运行效果，将系统信号采集时间间隔设为10 min，经过15 d的测试，系统运行良好。

经济性分析，因为PLCC通信是利用电力线作为通信介质，不用单独铺设通信电缆，节约了相应费用，以通信电缆ZR-RVSP2x1.5为例，其市场价格为3.8元/m，一个节点300 m计算，需要1 140元，而一个PLCC模块的价格仅为40元，节省成本一千多元，随着节点增多，其经济性非常显著。

4结论

节水灌溉的通信方式较多，本文将以往用于电力系统远程抄表的电力线载波通信技术用于节水灌溉的远程控制，设计了一套基于电力线载波模块通信的喷灌控制系统，系统以主控室的主机为核心，以主从通信的多机通信模式对现场信号进行了远程采集及控制，最后对系统进行了测试，数据传输误差率低，设备运行稳定可靠。系统的控制距离达到了近300 m，如果需要更远距离的控制，有两种思路，一是增加中继器，二是进一步完善通信协议，这也是下一步的工作任务。

本文提出的控制方法给节水灌溉控制系统提供了新的思路，系统不仅达到了控制目的，节约了水资源，同时节约了大量通信电缆，具有较好的应用价值。

[参考文献]

[1]高菊玲,俞卫东.丘陵地区果园自动灌溉系统的研发[J].中国农机化学报,2014(6):277-281.

[2]薛岩,张建锋,李鹏宇,等.基于需水模型的精细灌溉控制系统软件设计[J].计算机工程与设计,2014(9):3332-3336.

[3]韩安太,何勇,陈志强,等.基于无线传感器网络的茶园分布式灌溉控制系统[J].农业机械学报,2011,42(9):173-179.

[4]李野,董守田,黄丹丹.基于ZigBee技术的水稻自动灌溉控制系统设计[J].农机化研究,2015(2):226-229.

[5]戚佳金,陈雪萍,刘晓胜.低压电力线载波通信技术研究进展[J].电网技术,2010(5):161-172.

[6]徐伟,王斌,姜元建.低压电力线载波通信技术在用电信息采集系统中的应用[J].电测与仪表,2010(增刊2):44-47.

[7]姚紫阳,胡晨辉,贾磊.基于电力载波的公共场所灯光控制系统设计[J].中小企业管理与科技,2015(1):302-303

[8]王峻峰,罗闻,史铁林.MAX186与DSP的SPI接口及设计[J].微计算机信息,2005,21(22):104-106.

[9]沈翠凤.基于单片机和无线通讯的自动农田节水灌溉系统[J].工业控制计算机,2013,26(11):91-92.

[10]马晓虹,吴延海,尹向雷.智能小车直流电机的驱动控制设计及DSP实现[J].陕西理工学院学报:自然科学版,2013,29(3):10-13.

[11]李世芳.电力载波技术在农田灌溉控制系统中的应用[J].中国农村水利水电,2010(12):15-17.

[12]李国洪,罗秦.基于电力线载波通信的嵌入式电力数据监测系统[J].化工自动化及仪表,2014,41(12):l377-1379.

[责任编辑：魏 强]

Design of control system in water-saving irrigation

based on power line carrier communication

MA Xiao-hong

(Electrical & Electronic Experiment Teaching Center, Shaanxi University of Technology,

Hanzhong 723000, China)

Abstract:For the purpose of orchard water-saving irrigation, we have designed a set of the sprinkler irrigation control system based on power line carrier communication. The system can get the field signal and control the actuator with master-slave multi-computer communication mode based on power line carrier communication means, and on the host of the control centre room in as the core. Finally, the system test is carried out.And the results show that the error rate is low, data transmission equipment operation is reliable, and stable. The system not only achieves the control purpose, saves the water resources, but also saves a large amount of communication cable.

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

作者简介：马晓虹(1980—)，女，陕西省渭南市人，陕西理工学院实验师，硕士，主要研究方向为信号与信息处理。

基金项目：陕西省教育厅科学研究计划项目(2013JK1086)

收稿日期：2015-05-04

[中图分类号]TP29

[文献标识码]A

[文章编号]1673-2944(2015)06-0014-04