基于低壓電力載波的灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計

1、2015年7月農機化研究第7期基于低壓電力載波的灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計王潤濤，夏爽，楊方，莫家寶，趙朝陽，刁150030）磊，倪欣桐（東北農業(yè)大學電氣與信息學院，哈爾濱摘要：在我國農業(yè)生產中，大田多選用機井灌溉方式，使用人工操作水泵的形式來實現(xiàn)，灌溉人員需要到井房現(xiàn)場進行操作，自動化程度低。由于人工計量計費，操作員通常需要步行于多個井房間進行啟停水泵的操作，這造成了水資源和人力資源的大量浪費。為此，采用低壓電力載波技術設計開發(fā)一種灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)可根據(jù)植物種類、生長時期和土壤狀況確定傳感器埋設深度和土壤水分閾值，對于解決水資源日益短缺的問題、實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用、提高農業(yè)生產效率及降低生產成

2、本有著非常重要的意義。關鍵詞：低壓電力載波；灌溉；土壤水分中圖分類號：S24；TV93文獻標識碼：A文章編號：1003188X（2015）07012304DOI:10.13427/ki.njyi.2015.07.0280引言廣泛使用機井灌溉。井灌區(qū)在我國灌溉農業(yè)中，供電模塊給系統(tǒng)各個部分進行供電，傳感器負責監(jiān)測區(qū)域內水分、濕度，單片機控制器負責處理傳感器數(shù)據(jù)，控制繼電器的開閉進而控制水泵的啟停對數(shù)據(jù)進行處理和分析，如圖1所示。保證率較高，以其穩(wěn)定可靠的水源，可根據(jù)農藝要求對農作物進行適量灌溉，便于管理與耕作，使灌區(qū)成為旱澇保收的高產田。據(jù)統(tǒng)計，全國有超過1/4的糧1/2以上的經濟作物和蔬菜產自

3、于井灌區(qū)，食，所以說機井灌溉方式在農業(yè)生產中占有重要地位1。隨著電力載波通信技術的發(fā)展，電力載波通信已經廣泛應用于工業(yè)生產及日常生活中，例如基于低壓電力載波的遠程抄表系統(tǒng)和電源監(jiān)控系統(tǒng)2等。本文設計一種針對農田機井灌溉的遠程灌溉監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)上位機對多個機井水泵遠程開停、狀態(tài)監(jiān)測、故障關斷及采集數(shù)據(jù)上傳等功能。1系統(tǒng)整體設計從成本低、可靠性高、功耗低、可遠控的角度出圖1Fig1系統(tǒng)硬件結構Systemhardwarestructure發(fā)，集成了低壓電力載波技術、數(shù)據(jù)采集控制、單片機及傳感器等于一體的系統(tǒng)。同時，結合農業(yè)灌溉和農業(yè)自動化技術特點，提出了基于低壓電力載波和單片機控制器作為節(jié)點配合

4、組態(tài)上位機的整體架構。系統(tǒng)硬件由低壓電力載波模塊、單片機控制器、各傳感器感知模塊、串口通訊及電源等組成。太陽能收稿日期：20130917基金項目：黑龍江省教育廳科學技術研究項目（1253100）（Email）作者簡介：王潤濤（1983），男，河南新鄉(xiāng)人，講師，博士，wangruntaoneaueducn。通訊作者：楊（E方（1957），男，哈爾濱人，教授，碩士生導師，mail）yangfang0451163com。2太陽能蓄電池管理模塊電壓源的電流輸出能力自動調整充電電流，同時可根據(jù)輸入電壓源的最大電流輸出能力設置充電電流，最大限度地利用了輸入電壓源的電流輸出能力。CN3063還采用恒流/恒壓

5、/恒溫模式充電，既可以使充電電流最大化，又可以防止芯片過熱3。當輸入電壓掉電或者輸入電壓低于電池電壓時，充電器進入低功耗的睡眠模式，電池端消耗的電流小于3A，從而增加了待機時間。太陽能蓄電池原理如圖2所示。·123·2015年7月農機化研究感器控制開關電路如圖4所示。表1Table1特征測量參數(shù)量程測量精度工作電壓工作電流圖2Fig2太陽能蓄電池原理Solarbatteryprinciple輸出信號測量主頻描述土壤容積含水率0100%±3%512V（電壓型）2126mA01875VDC100MHzFDS100的參數(shù)ParametersofFDS100特征測量穩(wěn)定時

6、間響應時間工作溫度范圍探針長度探針材料探針直徑密封材料第7期描述2s1s408553cm不銹鋼3mm環(huán)氧樹脂331感知模塊空氣溫濕度傳感器AM2301是用單總線傳輸數(shù)據(jù)，起始階段都需要由于土壤水分在實際監(jiān)測中無需嚴格本設計中，實時測量，只需要按照需求的定時時間上傳數(shù)據(jù)即可。此傳感器最大電流達到26mA，采集節(jié)點采用太陽能供電，電量有限。所以，針對此種情況設計了傳感器電源的開關電路，便于系統(tǒng)的功耗控制。然后再拉為高電平，所以需要上將總線置為低電平，拉電阻，阻值大約為1k。AM2301（見圖3）采用外部電源方式供電，供電電壓范圍335V，采樣周期12。在外部電源供電方式下，整個電路工作穩(wěn)定可靠、抗

7、干擾能力強，同時總線上掛接多個AM2301傳感器，組成多點測量溫濕度系統(tǒng)。圖4Fig4傳感器開關控制電路Sensorswitchcontrolcircuit33圖3Fig3AM2301接口電路圖AM2301interfacecircuit電力載波模塊電力載波（PowerLineCommunication）是電力系統(tǒng)特有的、基本的通信方式，具有可同時復用信號等特點。由于電力線和信號線合一，無須鋪設信號線。它特別適合數(shù)據(jù)傳輸量較小、抗電磁干擾能力較強及數(shù)據(jù)采集覆蓋面積廣的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。這里的載波模塊采用的是杭州新實科技有限公司嵌入式電力線載波通訊模塊。圖5中設計阻波器的目的是，保證在數(shù)據(jù)通信過程

8、中使50Hz的工頻信號電流順利通過，并阻止高頻信號向變電站側損失432土壤水分傳感器土壤水分參數(shù)的監(jiān)測是與農田灌溉直接相關的，可以直觀地看出農田的水分狀態(tài)，是信息監(jiān)測的關鍵部分。由于該傳感器需要長時間放置在大田土壤中，所以必須有良好的防水性與抗腐蝕性，在選擇傳感器時，結合精度、輸出特性、供電、功耗等方面綜合考慮選擇了該傳感器。土壤水分傳感器選用型號為FDS100。傳感器在使用時既可垂直插入測量土壤，也可多路傳感器平行插入測量土壤。垂直放置測量傳感器周圍區(qū)域的土壤的平均含水率，平行放置多用于測量多層土壤水分分布，本設計中采用垂直插入地表的方式。FDS100土壤水分傳感器的參數(shù)如表1所示；傳。圖5

9、Fig5電力載波通訊原理Powerlinecarriercommunicationprinciple·124·2015年7月農機化研究第7期441機井節(jié)點電氣部分設計主接觸器主接觸器選用CJT1型交流接觸器。主接觸器的SJ1為中間繼電器1的常開觸點；SJM2為中間繼圈，SJ2為中間繼電器2的常閉觸點；BH1、電器2的線圈，BH2分別為三相保護器的常開、TA分常閉觸點；QA、N別為手動按鈕的啟動、停止開關；A相為220V火線，OSBON、OSBOFF為零線；DCIN取主控板上12V電壓，JCIN為主接觸器反為主控板上控制水泵啟停的端口，BHIN為三相保護器反饋電平端口，饋電平

10、端口，JCIN、BHIN配有10k下拉電阻。當系統(tǒng)有合閘需求時，可通過繼電器1，即OSBON輸出低電平，繼電器1吸合，同時SJ1閉合，此時KM1YJ2閉合，通電，主接觸器吸合，水泵工作，同時YJ1、JCIN拉高；1s之后，OSBON恢復高電平，繼電器1斷開，此時由于YJ1閉合，接觸器仍然吸合，水泵運轉。OSBOFF輸出低電平，當有停止水泵需求時，繼電器2吸合，同時SJ2打開，此時KM1斷電，主接觸器斷開，YJ2打開，JCIN變?yōu)榈碗娖剑?s之后，OSBOFF恢復高電平。當系統(tǒng)出現(xiàn)欠壓、缺相或者三相不平衡時，三BH1斷開。假如此時水泵正在運轉則相保護器動作，KM1斷電，BH2吸合，BHIN輸入高

11、電平。水泵停止，手動啟動按鈕與YJ1并聯(lián)，停止按鈕與YJ2串聯(lián)，動作過程與中間繼電器動作基本相同。經以上分析說明，本設計的電氣接線可以用于機井水泵的控制，實現(xiàn)了弱電遠程控制強電，且使用聯(lián)動連鎖的接線方式，有效地減少了中間繼電器的線圈通電時間，延長了使用壽命；現(xiàn)場安裝啟停按鈕，使用方便，實用性強，大大提高了系統(tǒng)的可靠性。1組輔助常開觸點用作反饋電平信號使用，以便于監(jiān)測接觸器狀態(tài)，信號可及時反饋回上位機，另一組觸點用作接觸器自鎖使用。該接觸器線圈采用220V，起動功率為140VA，即起動電流為06A；保持功率為95VA，保持電流004A；與之配套使用的中間繼電器歐姆龍LY2NJ觸點容量為10A。4

12、2三相缺相與相序保護器XJ系列斷相與相序保護器，用于三相交流電機和不可逆轉動設備作為斷相保護和相序保護使用。它具有性能可靠、使用方便、適用范圍廣的優(yōu)勢。本設計選用的具體型號為XJ3G，按照要求將其接入電源控制回路，即可起到保護作用。當三相電路中任一相或多相發(fā)生欠壓、斷路或者發(fā)生三相不平衡時，保護器即能動作，動作時間小于2s，將主回路電源切斷，起到保護設備的目的。當三相不可逆轉設備，如水泵，在認定相序后，因維修或者更改供電線路與原認定相序錯接時，保護器同樣可以鑒別相序并且可靠工作，停止對其供電，達到對設備進行保護的目的。43電氣接線機井節(jié)點的電氣部分通過三相交流接觸器CJT120、三相保護器XJ

13、3G、中間繼電器及手動工控按鈕等實現(xiàn)了對機井水泵的控制。在控制中采用聯(lián)動連鎖的接線方式，即采用兩個繼電器分別實現(xiàn)啟動和停止功能，啟動后接觸器自鎖，并且加入手動控制按鈕。機井節(jié)點控制回路電氣接線圖如圖6所示。5FDS100和電池電壓采集程序設計為了減少節(jié)點的能量消在采集流程上（見圖7），耗，硬件上使用了控制功能，使用2個三極管來控制土壤水分傳感器的電源，并在軟件上使用了定時休眠的方法。按照定時時間，當達到采集要求時，系統(tǒng)首先開啟傳感器電源，輸出高電平（HS=1），此時傳感器上電，置位系統(tǒng)內部定時器，定時3s。6土壤水分傳感器測試及結果本設計選用的土壤水分傳感器在使用之前，已經進行標定，標定設備為

14、TSCIV型土壤水分檢測儀。在系統(tǒng)設計完成后，運用對比試驗，在田間同時使用圖6Fig6機井節(jié)點控制回路電氣接線TSCIV型設備和土壤溫度水分采集節(jié)點檢測同一點的數(shù)據(jù)，選擇均勻疏松的土壤作為對象，傳感器垂直插入被測土壤，針對于此相同土壤環(huán)境，對比得到的數(shù)據(jù)情況。測試數(shù)據(jù)如表2所示。PumpnodeelectricalwiringofcontrolcircuitKM1為主接觸器的線圈，YJ1、YJ2為主接圖6中，觸器的兩個輔助常開觸點；SJM1為中間繼電器1的線·125·2015年7月農機化研究第7期由表2可以看出，經過標定后的FDS100土壤水分傳感器數(shù)據(jù)和TSCIV型土壤水

15、分檢測儀得到的數(shù)據(jù)差別不大，誤差在可控范圍之內，完全滿足系統(tǒng)設計的需求。7結論對系統(tǒng)進行了一周時間的整體運在設計完成后，行測試。結果表明：遠程控制系統(tǒng)啟停動作正常，數(shù)據(jù)傳輸均未發(fā)生故障；可以準確及時地采集各個節(jié)點傳感器的數(shù)據(jù)，通過系統(tǒng)設計的電氣接線方式，手動按鈕可與上位機控制有機結合，并且進行報表記錄。整體測試表明：該設備運行的準確性、穩(wěn)定性良好，能夠被應用在灌溉井群的遠程監(jiān)控中，不僅節(jié)約了水資源，提高了自動化程度，也節(jié)省了大量的人力物力。圖7Fig7采集節(jié)點FDS100工作流程表2Table2TSCIV172256344453511642土壤水分傳感器測試Testofsoilmoisture

16、sensorFDS100179249337461493629誤差率407273203177352202%WorkprocessofacquisitionnodeofFDS100參考文獻：1王曉玲，劉麗艷，等我國井灌建設可持續(xù)發(fā)展杜秀文，J中國農村水利水電，2006（8）：611研究2鄧建斌，王肋伯電力載波通信的電源監(jiān)視系統(tǒng)設計J福州大學學報：自然科學版，2007，35（2）：3123143陳雪小農棚環(huán)境無線傳感器監(jiān)測網絡技術研究與應用D廈門：廈門大學，20134王君紅，劉寶，袁若權，等基于電力載波通訊的遠程控J化工自動化及儀表，2009（1）：49制系統(tǒng)設計及應用52DesignofIrrig

17、ationemoteMonitoringSystemBasedonPowerLineCarrierWanguntao，XiaShuang，YangFang，MoJiabao，ZhaoChaoyang，DiaoLei，NiXintong（CollegeofElectricityandInformation，NortheastAgriculturalUniversity，Harbin150030，China）Abstract：Atpresent，Chinasagriculturalproduction，irrigationwellswaymultiusefield，usetheformmanual

18、lyoper-atedpumptoachieve，irrigationwellsneedtomakeroomonsite，lowdegreeofautomationArtificialmeteringandbill-ing，theoperatorusuallyneedtowalktostartandstopthepumpoperationtoapluralityofwellsintheroom，whichresul-tedinahugewasteofwaterresourcesandhumanresourcesForthisarticletheuseoflowvoltagepowerlinecarriertechnologydesignanddevelopmentofanirrigationremotemonitoringsystemcandeterminethedepthandsoilmoisturesensorsburiedthreshold