基于無線通信的農藥流量監(jiān)控系統(tǒng)設計

高 斌， 張文愛， 鄒 偉， 王 秀

(1.太原理工大學信息工程學院，山西晉中 030600； 2.國家農業(yè)智能裝備工程技術研究中心，北京 100097；3.農業(yè)部農業(yè)信息技術重點實驗室，北京 100097； 4.農業(yè)智能裝備技術北京市重點實驗室，北京 100097)

在農業(yè)管理作業(yè)中，病蟲草害防治作為十分重要的環(huán)節(jié)，同時也是勞動強度最大的作業(yè)環(huán)節(jié)，很大程度上決定了農產品的品質和產量[1-3]。噴灑農藥是病蟲草害防治的主要措施，而我國農藥用量偏高、利用率偏低一直是行業(yè)最重視的突出問題[4-7]?！翱亓刻嵝А笔寝r藥使用零增長的必要措施，農藥的流量監(jiān)控則是其中的一個重要組成部分[8]。

我國目前的農業(yè)生產應用中，大多數(shù)仍采用人工操作完成噴藥機的電磁閥啟?？刂?，這使得農藥流量控制精度低，造成了大量的農藥浪費和環(huán)境污染。并且由于人工操作分散，不利于對噴藥過程實時監(jiān)控，若管路出現(xiàn)故障不能及時發(fā)現(xiàn)，非常容易造成漏噴現(xiàn)象，從而影響農產品的產量和質量。在多路農藥管路流量控制時，信號線雜亂，為現(xiàn)場布線帶來難題；且線路易出現(xiàn)連接錯誤、短路和腐蝕損壞等情況，影響系統(tǒng)的可靠性[9-14]。

針對以上存在的問題，本研究設計了一套農藥流量監(jiān)控系統(tǒng)，采用近距離無線通信穩(wěn)定的藍牙模塊取代有線電纜作為上、下位機的通信通道。系統(tǒng)能夠實現(xiàn)上位機操作界面流量值設置，流量曲線監(jiān)控及數(shù)值顯示，并通過PID算法處理檢測到的流量傳感器信號進行流量的精確閉環(huán)控制。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)硬件構成

流量監(jiān)控系統(tǒng)主要由控制器、流量傳感器、藍牙模塊、顯示模塊、驅動器、隔膜泵以及其他外圍電路組成，該系統(tǒng)的結構框見圖1。其中，AVR單片機為控器核心，能夠實現(xiàn)采集并處理傳感器數(shù)據(jù)、控制驅動器以及與上位機進行數(shù)據(jù)交互。

1.1.1 控制器 農藥流量監(jiān)控系統(tǒng)采用AVR ATmega16單片機作為控制核心，結合MAX485通信模塊、TLV5617型D/A轉換模塊等進行流量監(jiān)控作業(yè)。AVR ATmega16單片機的定時計數(shù)器有一個非常有特點的功能——T/C1的輸入捕捉功能。該功能可以應用于精確捕捉一個外部事件的發(fā)生，記錄事件發(fā)生的時間印記。因此，利用輸入捕捉功能可以實現(xiàn)對流量傳感器信號的精確測量。MAX485通信模塊是AVR控制器與上位機的連接紐帶，它完成將TTL電平轉換為 RS-485 電平的功能。D/A轉換模塊實現(xiàn)對驅動器的模擬信號輸出控制。

1.1.2 流量測量模塊 流量測量模塊選用Gems公司的霍爾效應FT-110系列部件號為173931的渦輪流量傳感器。該型號流量傳感器的流量測量范圍為0.5～5.0 L/min，其測量結果不受系統(tǒng)壓力變化影響，適合在線檢測流量。由于流量傳感器輸出的脈沖信號高電平為12 V，需經過1個光電耦合電路將其轉換為5 V供單片機接收。光電耦合電路見圖2。

1.1.3 藍牙模塊 藍牙模塊選用廣州匯承信息科技有限公司的HC-06 2.0藍牙串口通信模塊，它的工作電流不大于50 mA，功耗較低，有效通信距離可達到10 m。在該系統(tǒng)中HC-06藍牙的模塊工作電壓為3.3 V，程序中設定波特率為9 600 b/s。使用時需要把藍牙的RX、TX端口通過TTL-RS485轉換模塊分別與單片機和上位機相連，TTL-RS485轉換模塊兼容3.3 V/5 V TTL電平標準，硬件連接正確以后就可以與單片機和上位機實現(xiàn)透傳功能。

1.1.4 驅動器 為了滿足設計性能要求，驅動隔膜泵正常運轉，本系統(tǒng)采用成都愛控電子科技有限公司型號為AQMD3610NS的直流有刷電機驅動器，調速方式設為0～5 V模擬信號PWM調速。系統(tǒng)工作時，上位機下發(fā)設定流量給主控制器，主控制器輸出相應的模擬電壓信號給驅動器，從而驅動隔膜泵達到目標轉速。主控制器捕捉流量傳感器測得流量信號，與設定值對比，根據(jù)測量值與設定值的偏差，調整模擬電壓值的大小。當測量值超過設定值時，通過減小模擬電壓值降低電機轉速，流量減小；當測量值低于設定值時，增大模擬電壓值增加電機轉速，流量增大；系統(tǒng)實時調節(jié)，從而使實際流量維持在設定值合理區(qū)間內。流量控制系統(tǒng)見圖3。

1.2 系統(tǒng)軟件設計

1.2.1 上位機軟件設計 系統(tǒng)使用工控機作為人機交互界面，上位機軟件設計開發(fā)采用北京九思易自動化軟件有限公司的組態(tài)軟件“易控(INSEPEC)”，軟件主要具有流量值設置、曲線監(jiān)控及數(shù)顯的功能。軟件界面見圖4。

上位機通過打開/關閉按鈕控制與下位機通信，通信協(xié)議采用MODBUS協(xié)議，按鈕按下后自動對設置流量和實測流量進行清零初始化。用戶鍵入設定流量值，單擊設置按鈕，上位機程序將設定流量值下發(fā)給下位機。上位機通過掃描查詢方式讀取下位機采集的流量數(shù)據(jù)，查詢周期為300 ms。軟件將讀回的流量數(shù)字顯示并進行曲線監(jiān)控，還可以將相應的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，供以后分析使用。

1.2.2 下位機軟件設計 流量系統(tǒng)的單片機控制系統(tǒng)采用功能模塊化程序結構。根據(jù)模塊化軟件設計的要求將整個程序主要分為主程序設計、T/C1中斷服務程序以及串口通信和LED顯示子程序等。

1.2.2.1 主程序設計 主程序的功能主要有I/O端口、USART、定時器和LED顯示模塊初始化，使能全局中斷等。當單片機接收到檢測指令后，計算得到與設定流量對應的模擬電壓值輸出給電機驅動器。當單片機捕捉到流量傳感器傳回的脈沖信號時，程序會跳轉到T/C1的捕捉中斷處理函數(shù)。單片機將計算的瞬時流量值通過串口發(fā)送到上位機，并在LED顯示器上顯示測量結果。單片機的主程序流程見圖5。

1.2.2.2 T/C1中斷服務程序 在本流量系統(tǒng)中僅使用1個16位的T/C1進行流量傳感器脈沖信號周期的測量，涉及 T/C1 的溢出中斷和捕捉中斷2個中斷處理函數(shù)。單片機用 7.372 8 MHz 晶振，T/C1工作在計數(shù)器方式，時鐘源選用clkI/O/8，即將系統(tǒng)時鐘進行8分頻，因此每計1個數(shù)的時間為1.085 μs。

T/C1設置為引腳ICP1的上升沿為外部事件的觸發(fā)。一旦ICP1上出現(xiàn)跳變，T/C1的硬件將自動同步地把當前TCNT1的值復制到ICR1中，并申請捕捉中斷。在T/C1捕捉中斷服務程序中記錄下2個ICR1的值：1個為第1次觸發(fā)時的T/C1值，1個為第2次觸發(fā)時T/C1值。當2個值都記錄下來后，將2個記錄的數(shù)據(jù)進行有效性判斷和周期頻率的換算，隨即關閉T/C1所有的中斷并將結果交給主程序。

程序中還使用了T/C1的溢出中斷，該中斷主要用于記錄溢出的次數(shù)。T/C1計滿1次需要65 535個系統(tǒng)時鐘，約65 535×1.085 μs≈71.1 ms。當溢出次數(shù)大于28即所測頻率小于0.5 Hz時，數(shù)據(jù)無效。單片機T/C1中斷服務程序流程見圖6。

2 試驗研究

2.1 流量傳感器標定試驗

流量傳感器使用前，先對其進行流量(Q)-脈沖頻率(f)標定，F(xiàn)T-110流量傳感器標定試驗數(shù)據(jù)見表1。采用Matlab對表1的數(shù)據(jù)進行曲線擬合，擬合方式采用基于單一變量的多項式逼近擬合，得到流量(Q)-脈沖頻率(f)方程式：

Q=9.532f-202.9。

(1)

式中：f為脈沖頻率(Hz)；Q為流量(mL)。

從表1可以看出，流經流量傳感器的液體流量和其輸出脈沖頻率有良好的線性關系。將相應方程寫入到控制程序，就可以根據(jù)實際需要控制噴藥流量。

2.2 噴藥流量測定試驗

噴藥流量測定試驗的測定方法采用單位時間計量法，定時時間為1 min，對管道內的流量進行測量。由于液體的體積在直接測量時精確度不高，誤差較大，因此，本試驗通過測量液體質量間接測得液體體積，再根據(jù)液體密度將重量換算為體積。

表1FT-110流量傳感器標定試驗數(shù)據(jù)

試驗所用高壓隔膜泵的最大輸出流量為5 L/min，流量傳感器的有效測量范圍為0.5～5.0 L/min。因此，本研究選擇隔膜泵最大輸出流量的20%～80%，即1～4 L/min作為試驗設定流量值調節(jié)范圍進行系統(tǒng)監(jiān)測驗證試驗，增量為 0.5 L/min。其中，設定流量由上位機設定，測量值由監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)得到，實際流量值通過對1 min管道流出的液體稱質量間接測得。每組試驗重復3次，試驗測定數(shù)據(jù)見表2。

表2試驗測量數(shù)據(jù)分析

注：相對誤差=|設定流量值-實際流量值|÷設定流量值×100%。

從表2可以看出，本流量監(jiān)控系統(tǒng)在各測試點的測量準確度較高，設定流量與實際流量之間的最小相對誤差為 1.72%，平均相對誤差為2.63%，系統(tǒng)具有較高的測量精度。

3 結論

設計了基于無線通信的農藥流量監(jiān)控系統(tǒng)，通過藍牙技術完成數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)了噴藥管路中農藥流量的監(jiān)測及控制。流量傳感器標定試驗表明，流經流量傳感器的液體流量和其輸出的頻率信號具有良好的線性關系，保證了流量的監(jiān)控精度。噴藥流量測定試驗表明， 本流量監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的測

量精度，設定流量與實際流量之間的最小相對誤差為 1.72%，平均相對誤差為2.63%。

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