基于4G通訊的溫室灌溉控制系統設計與實現

李 騰，高德全，陳 玥，楊 源，李卓蔓

(1.四川省水利科學研究院，成都，610072；
2.四川省玉溪河灌區運管中心，四川 邛崍，611530)

在傳統的灌溉過程中，需要一直觀察水位以避免過度灌溉帶來的不良后果，為此國內外學者對于遠程灌溉進行了較多的研究。為了解決農田灌溉的水位遠程控制水平低的問題，黃文晉等[1]采用了基于GSM網絡的智能灌溉系統，具有較好的推廣價值。隨著物聯網技術的高速發展，李海波等[2]從灌溉的質量和利用率方面，設計了基于Web的灌溉系統；
關林芳等[3]采用了無線傳感器網絡，采用GPRS通信的方式實現數據傳遞給監控中心，根據其測試結果，具備良好的應用效果；
陳川等[4]通過4G通信方式，以云平臺直接下發數據的方式來實現對于閥門的控制，來提高農業溫室設施的自動化程度。如今，以4G通訊技術為典型代表的農業物聯網技術已經應用于各個場景之中，但是普遍體現為設備集成度不夠高、操作復雜等特點，為此本文設計了以4G通信技術作為數據傳遞的方式溫室灌溉控制系統。該系統以RS485總線現場傳感器進行數據傳遞，以STM32F407單片機為控制核心，通過繼電器完成對于閥門的控制，達到漫灌和滴灌的效果，有力推動了“現場端、服務器、管理端”三端監控管理體系的形成。

電子信息技術的發展，促使4G通訊有效地解決了技術壁壘、經濟成本等方面的問題，促使4G通訊技術更好地應用于控制管理中。本文采用4G技術解決了現場數據采集與控制，服務器端以及客戶端之間彼此分離的情況。在現場數據采集與控制端將采集到的數據與云平臺(服務器)進行通訊，將數據通過網絡發布給移動端和管理端，管理端可以根據權限對數據進行查詢。其系統工作原理如圖1所示。

圖1 系統工作結構

根據溫室灌溉環境的需求，采用了4G通訊模塊作為實現無線遙控閥門的核心部件，以STM32F407單片機作為現場控制器的控制單元，實現了對現場被控對象如閥門以及土壤溫濕度傳感器的數據采集與傳輸，實現了對于現場漫灌設備與滴灌設備的管理，達到有限利用能源的目的，并且能夠有效地減少管理者巡檢的次數，有效提高水資源利用率?，F場單元硬件電路設計結構框圖如圖2所示。

圖2 現場單元硬件設計電路框

2.1 現場控制器設計

現場控制器采用了STM32F4ZGT6作為控制器芯片，輔以常見需要使用的復位電路、晶振電路、SWD接口等。在現場主控電路板上包含一個測試用的貼片LED燈，一個RST復位按鍵，以及一個普通測試按鍵。此外采用了8M的晶振作為外圍晶振，并且采用多個電容對電源進行濾波，在電路板設計的時候，需要將該電容與芯片盡量貼近，確?？刂葡到y的穩定。

2.2 通訊電路設計

為滿足系統的功能以及滿足系統調試和測試的要求，還設計了RS232串口通訊電路以及RS485通訊電路。其中RS232電路實現與4G模塊的通訊，RS485用于與土壤中溫濕度傳感器的通訊。

2.2.1 RS232串口通訊電路設計

根據項目設計的需求，RS232電路的設計實際上就是進行電平轉換，目前較為常用的為SP3232E系列芯片，可以作為實現串口通信的主要芯片。根據芯片說明手冊已知SP3232E芯片在工作電壓3.3V的條件下，僅僅需要0.1μF的電容就可以工作，且其ESD保護具備較好的工作特性。RS232串口電路設計如圖3所示。

圖3 RS232單片機的串口電路設計

2.2.2 RS485通訊電路設計

為了方便擴展，溫濕度傳感器采用RS485進行通訊，RS485接口具有聯網功能，能夠采用半雙工異步通信協議，同時采用差分信號的傳輸方式，可以使傳輸極限距離達到1200m。RS485接口電路設計如圖4所示。

圖4 基于SP3485芯片的485通訊模塊設計

2.3 存儲單元電路設計

在實際灌溉工作中，需要對當前數據進行有效的記錄，為此本系統采用了SD卡作為存儲單元進行設計。目前SD卡有2種存儲模式，分別為SPI和SDIO兩種模式。如果采用SPI模式對數據進行讀寫，不需要使用所有的數據控制端口；
而采用SDIO模式對數據進行讀寫，其數據讀寫方式更快，操作更加方便，其設計電路如圖5所示。

圖5 SD卡存儲電路設計

2.4 電源電路設計

在現場控制單元中，采用的為220V市電作為電源，而各個設備都有不同的供電需求，按照本系統中選定的各類材料的具體性能，其電源需求如下表1所示。

表1 項目中所需電源及要求

根據上述需求，可以直接選用220V轉12V的開關電源作為現場控制單元的電源電路供土壤溫濕度傳感器使用，同時也可以給現場控制板以及4G通訊模塊提供必須的電源。

2.4.1 12V轉5V電源轉換電路

根據開關電源所獲得的12V電壓，4G模塊需要5V的工作電壓，為此本系統中采用了LM2596－5.0作為電源設計的核心芯片，設計了本電源電路。該芯片具備TO－220封裝(DIP)和5腳TO－263表貼封裝(SMD)，而且該芯片在特定的輸入電壓和輸出負責條件下，其參數更加可控，僅需要80μA的待機電流，且具備自我保護功能，其實現電路簡單方便。具體設計電路如圖6所示。

圖6 基于LM2596S的12V轉5V電源電路

2.4.2 5V轉3.3V電路設計

由于輸入5V與輸出3.3V的電壓差不大，可以采用LDO作為供電電源、AMS117－3.3V作為電源轉換芯片。本系統中使用的ASM1117－3.3V采用了反饋調壓的方式對電壓進行調整，以達到維持輸出電壓穩定的目的。

5V轉3.3V電路設計如圖7所示，其輸出VDD＿3.3V為4G通信模塊供電。系統同時利用AMS1117－3.3芯片將VCC＿5V轉為VCC＿3.3V為STM32微處理器供電。

圖7 基于AMS1117－3.3的3.3V電源電路設計

2.5 通訊電路的設計與實現

本系統采用YED－RY1210的4G通訊電路作為與服務器的通訊電路，其中YED－RY1210是一款基于合宙Air724系列高性價比的Cat1 4G RTU。支持移動、電信、聯通全網通4G，可以方便集成到自身設備系統中，其實物如圖8所示。

圖8 YED－RY1210實物

3.1 現場單元控制器的軟件設計

現場控制單元具有完備的電源后，除了接收來自服務器的控制命令外，還需要采集土壤中的溫濕度相關信息，并根據土壤濕度的情況，采用不同模式對土壤進行灌溉。在該過程中，不僅需要獲得來自網絡下發的數據，還需要將溫濕度等信息通過4G模塊向外發送，在該過程中需要將溫濕度等信息進行存儲。程序流程如圖9所示。

圖9 程序流程

3.2 服務器端與客戶端設計

服務器端與客戶端需根據溫室灌溉實際環境需求進行相應設計，服務器端主要包括管理模塊、存儲模塊(數據庫)、數據通信功能，客戶端主要包括數據分析與解碼、數據分析與統計、遠程控制模塊等功能，其主要功能框架如圖10所示。

圖10 服務端與客戶端功能框架

本系統的服務端起著承上啟下的作用，服務器端包含管理模塊、數據庫模塊以及通訊模塊等幾個主要部分，其核心功能是完成數據的接收與存儲，并通過開放訪問端口與客戶端相連。該遠程監控平臺采用JAVA編程語言進行開發，采用SQL Server作為數據庫，利用Tomcat部署在系統上，來完成B/S(Brower/Server)訪問模式下的灌溉監控，其結構示意如圖11所示。

圖11 灌溉控制服務器端組成結構

本方案設計將單片機控制技術與無線通信技術運用到溫室灌溉控制研究中，并分別從硬件電路、軟件實現方法、服務器端和客戶端實現三個方面進行了設計研究，最后基于4G通訊技術實現了溫室灌溉的遠程自動控制功能。系統結構簡單、操作方便、性能穩定，其應用和推廣將有效地提高溫室設施的自動化程度，降低灌溉作業人力成本和控制難度。