基于4G通讯的温室灌溉控制系统设计与实现

李 腾，高德全，陈 玥，杨 源，李卓蔓

(1.四川省水利科学研究院，成都，610072；
2.四川省玉溪河灌区运管中心，四川 邛崃，611530)

在传统的灌溉过程中，需要一直观察水位以避免过度灌溉带来的不良后果，为此国内外学者对于远程灌溉进行了较多的研究。为了解决农田灌溉的水位远程控制水平低的问题，黄文晋等[1]采用了基于GSM网络的智能灌溉系统，具有较好的推广价值。随着物联网技术的高速发展，李海波等[2]从灌溉的质量和利用率方面，设计了基于Web的灌溉系统；
关林芳等[3]采用了无线传感器网络，采用GPRS通信的方式实现数据传递给监控中心，根据其测试结果，具备良好的应用效果；
陈川等[4]通过4G通信方式，以云平台直接下发数据的方式来实现对于阀门的控制，来提高农业温室设施的自动化程度。如今，以4G通讯技术为典型代表的农业物联网技术已经应用于各个场景之中，但是普遍体现为设备集成度不够高、操作复杂等特点，为此本文设计了以4G通信技术作为数据传递的方式温室灌溉控制系统。该系统以RS485总线现场传感器进行数据传递，以STM32F407单片机为控制核心，通过继电器完成对于阀门的控制，达到漫灌和滴灌的效果，有力推动了“现场端、服务器、管理端”三端监控管理体系的形成。

电子信息技术的发展，促使4G通讯有效地解决了技术壁垒、经济成本等方面的问题，促使4G通讯技术更好地应用于控制管理中。本文采用4G技术解决了现场数据采集与控制，服务器端以及客户端之间彼此分离的情况。在现场数据采集与控制端将采集到的数据与云平台(服务器)进行通讯，将数据通过网络发布给移动端和管理端，管理端可以根据权限对数据进行查询。其系统工作原理如图1所示。

图1 系统工作结构

根据温室灌溉环境的需求，采用了4G通讯模块作为实现无线遥控阀门的核心部件，以STM32F407单片机作为现场控制器的控制单元，实现了对现场被控对象如阀门以及土壤温湿度传感器的数据采集与传输，实现了对于现场漫灌设备与滴灌设备的管理，达到有限利用能源的目的，并且能够有效地减少管理者巡检的次数，有效提高水资源利用率。现场单元硬件电路设计结构框图如图2所示。

图2 现场单元硬件设计电路框

2.1 现场控制器设计

现场控制器采用了STM32F4ZGT6作为控制器芯片，辅以常见需要使用的复位电路、晶振电路、SWD接口等。在现场主控电路板上包含一个测试用的贴片LED灯，一个RST复位按键，以及一个普通测试按键。此外采用了8M的晶振作为外围晶振，并且采用多个电容对电源进行滤波，在电路板设计的时候，需要将该电容与芯片尽量贴近，确保控制系统的稳定。

2.2 通讯电路设计

为满足系统的功能以及满足系统调试和测试的要求，还设计了RS232串口通讯电路以及RS485通讯电路。其中RS232电路实现与4G模块的通讯，RS485用于与土壤中温湿度传感器的通讯。

2.2.1 RS232串口通讯电路设计

根据项目设计的需求，RS232电路的设计实际上就是进行电平转换，目前较为常用的为SP3232E系列芯片，可以作为实现串口通信的主要芯片。根据芯片说明手册已知SP3232E芯片在工作电压3.3V的条件下，仅仅需要0.1μF的电容就可以工作，且其ESD保护具备较好的工作特性。RS232串口电路设计如图3所示。

图3 RS232单片机的串口电路设计

2.2.2 RS485通讯电路设计

为了方便扩展，温湿度传感器采用RS485进行通讯，RS485接口具有联网功能，能够采用半双工异步通信协议，同时采用差分信号的传输方式，可以使传输极限距离达到1200m。RS485接口电路设计如图4所示。

图4 基于SP3485芯片的485通讯模块设计

2.3 存储单元电路设计

在实际灌溉工作中，需要对当前数据进行有效的记录，为此本系统采用了SD卡作为存储单元进行设计。目前SD卡有2种存储模式，分别为SPI和SDIO两种模式。如果采用SPI模式对数据进行读写，不需要使用所有的数据控制端口；
而采用SDIO模式对数据进行读写，其数据读写方式更快，操作更加方便，其设计电路如图5所示。

图5 SD卡存储电路设计

2.4 电源电路设计

在现场控制单元中，采用的为220V市电作为电源，而各个设备都有不同的供电需求，按照本系统中选定的各类材料的具体性能，其电源需求如下表1所示。

表1 项目中所需电源及要求

根据上述需求，可以直接选用220V转12V的开关电源作为现场控制单元的电源电路供土壤温湿度传感器使用，同时也可以给现场控制板以及4G通讯模块提供必须的电源。

2.4.1 12V转5V电源转换电路

根据开关电源所获得的12V电压，4G模块需要5V的工作电压，为此本系统中采用了LM2596－5.0作为电源设计的核心芯片，设计了本电源电路。该芯片具备TO－220封装(DIP)和5脚TO－263表贴封装(SMD)，而且该芯片在特定的输入电压和输出负责条件下，其参数更加可控，仅需要80μA的待机电流，且具备自我保护功能，其实现电路简单方便。具体设计电路如图6所示。

图6 基于LM2596S的12V转5V电源电路

2.4.2 5V转3.3V电路设计

由于输入5V与输出3.3V的电压差不大，可以采用LDO作为供电电源、AMS117－3.3V作为电源转换芯片。本系统中使用的ASM1117－3.3V采用了反馈调压的方式对电压进行调整，以达到维持输出电压稳定的目的。

5V转3.3V电路设计如图7所示，其输出VDD＿3.3V为4G通信模块供电。系统同时利用AMS1117－3.3芯片将VCC＿5V转为VCC＿3.3V为STM32微处理器供电。

图7 基于AMS1117－3.3的3.3V电源电路设计

2.5 通讯电路的设计与实现

本系统采用YED－RY1210的4G通讯电路作为与服务器的通讯电路，其中YED－RY1210是一款基于合宙Air724系列高性价比的Cat1 4G RTU。支持移动、电信、联通全网通4G，可以方便集成到自身设备系统中，其实物如图8所示。

图8 YED－RY1210实物

3.1 现场单元控制器的软件设计

现场控制单元具有完备的电源后，除了接收来自服务器的控制命令外，还需要采集土壤中的温湿度相关信息，并根据土壤湿度的情况，采用不同模式对土壤进行灌溉。在该过程中，不仅需要获得来自网络下发的数据，还需要将温湿度等信息通过4G模块向外发送，在该过程中需要将温湿度等信息进行存储。程序流程如图9所示。

图9 程序流程

3.2 服务器端与客户端设计

服务器端与客户端需根据温室灌溉实际环境需求进行相应设计，服务器端主要包括管理模块、存储模块(数据库)、数据通信功能，客户端主要包括数据分析与解码、数据分析与统计、远程控制模块等功能，其主要功能框架如图10所示。

图10 服务端与客户端功能框架

本系统的服务端起着承上启下的作用，服务器端包含管理模块、数据库模块以及通讯模块等几个主要部分，其核心功能是完成数据的接收与存储，并通过开放访问端口与客户端相连。该远程监控平台采用JAVA编程语言进行开发，采用SQL Server作为数据库，利用Tomcat部署在系统上，来完成B/S(Brower/Server)访问模式下的灌溉监控，其结构示意如图11所示。

图11 灌溉控制服务器端组成结构

本方案设计将单片机控制技术与无线通信技术运用到温室灌溉控制研究中，并分别从硬件电路、软件实现方法、服务器端和客户端实现三个方面进行了设计研究，最后基于4G通讯技术实现了温室灌溉的远程自动控制功能。系统结构简单、操作方便、性能稳定，其应用和推广将有效地提高温室设施的自动化程度，降低灌溉作业人力成本和控制难度。