我国是一个缺水严重的国家,人均水资源量仅为世界平均水平的1/4.淡水资源中灌溉用水总量约占全国总用水量的1/2以上,且我国用水效率极低,水资源浪费现象严重^{[1, 2]}.随着对节水的迫切要求,农业灌溉中广泛使用自动控制器.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^{[3, 4, 5]}.RS-485通信需要单独铺设通信电缆,存在布线多、施工难和成本高的问题^[6].无线通信和电力线载波通信都是不用额外布置通信线的通信方式.无线通信最大优势是安装方便、灵活且易维护,但其在数据传输上抗干扰性差，易受周围环境如建筑物、其他无线电以及天气等的影响,另外,无线模块外置天线的位置需现场测试,损坏或位置变动都将严重影响通信效果,如果利用营运商的无线网络还存在长期维护的费用问题^[7].对于数据要求较高的场合,电池供电很难胜任,如果使用外接电源供电,又会产生电源选择及施工布线问题.

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^[8].具有信息传输稳定可靠、无需重新布线、节约系统成本且使用方便等特点,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^{[9, 10]}.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^{[11, 12, 13, 14]}.由于在灌溉控制系统中的执行器大多需要供电,相比无线通信而言,电力线载波通信不但有效利用了电力线,而且避免了野外复杂环境对无线通信的影响；相比RS-485等有线通信,又可节省大量通信电缆^[15].本文提出了一种利用PLCC技术实现信号在低压电源线上传输的解决方案,并设计了一套基于HL-PLC电力线载波模块的节水灌溉控制装置,并在校园内的草坪中进行了灌溉验证,取得了满意的控制效果.

根据地形和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,达到控制目的.

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,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 Fig. 1 Total solution diagram of the water-saving irrigation automatic control system

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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,其和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,其和PLCC通过串口线相连.主机和从机采用主从式多机通信方式.

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.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.

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.

图 2 主模块结构 Fig. 2 The main module structure

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从模块属于末梢节点,如图 3所示.从机是一个单片机,型号为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.

图 3 从模块结构 Fig. 3 The slave module structure

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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,工作电压为5~12 V,测量主频为100 MHz,输出电压信号为0~2 V.因其测量范围较小(半径为10 cm的范围内),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,其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位八通道单端/四通道差分模拟输入ADC,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.水分模拟信号以差分输入方式输入给MAX186.

电磁阀采用FNSLP10,驱动电压为DC24V.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.

主机为位于控制室内的监控PC机,其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.

图 4 主机管理功能框图 Fig. 4 The host management function block diagram

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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.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,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.

测试地点为陕西理工学院花园内的草坪.草坪中安装固定式喷灌系统,采用摇臂式旋转喷头,射程为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,通信速率设为1 200 bps.

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对比,标定设备为TSC-Ⅳ型土壤水分检测仪.测试时,2种水分检测设备检测同一点的水分,采用手动采集方式,通信距离约为300 m,对比的结果如表 1所示.

从表 1可看出,在1 200 bps的通信速率下,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.但在通信速率为9 600 bps时,其误差明显增大,接近8%.经测试,随着通信距离的增大,2种通信速率下的误差率也增大,其中通信速率越高,误差率增大越明显,另外,由于HL-PLC电力线载波模块对数据处理速度的限制,如果选择更高通信速率,数据传输会出现明显的错误,有时甚至出现死机现象,因此,在数据量大且实时性要求较高的场合需要权衡选择.根据测试结果,本系统的通信速率选择1 200 bps,此时通信距离可以达到300 m左右.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.

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.结果表明，数据传输误差率低,设备运行可靠、稳定,在1 200 bps下,系统的控制距离达到了约300 m.电力线载波通信在使用时有其自身的不足.配电变压器对电力载波信号有阻隔作用,所以电力线载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送,另外,三相电力线间有很大信号损失,一般电力线载波信号只能在单相电力线上传输.电力线上各种用电设备性质不同,功率不同,以及设备的频繁开关等因素会给电力线带来各种噪声干扰,这限制了电力线载波通信数据传输的可靠性和传输距离.如果需要更远距离的控制,有3种思路,一是设计更好的调理电路和控制算法,二是增加中继器,三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,具有很好的应用价值.