賴玉華，羅 旺，劉 超，陳國林

(1.贛南師范大學(xué)科技學(xué)院，341000，江西，贛州；2.贛東學(xué)院基礎(chǔ)教學(xué)部，344000，江西，撫州)

0 引言

CAN(Controller Area Network)即控制器局域網(wǎng)，是幾種流行現(xiàn)場(chǎng)總線中應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。由于CAN總線采用時(shí)間觸發(fā)協(xié)議，在消息傳輸中采用非破壞性的仲裁機(jī)制，保證了數(shù)據(jù)的完整和系統(tǒng)安全[1]，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化[2-3]、船舶[4]、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備[5]等方面。鑒于此，在贛南臍橙科學(xué)種植研究上，基于CAN總線設(shè)計(jì)一套智慧控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控果園中每一壟果樹的生長環(huán)境并將其量化為數(shù)據(jù)，通過通訊網(wǎng)絡(luò)傳達(dá)至總控制室，并負(fù)責(zé)執(zhí)行來自總控室的命令，實(shí)現(xiàn)按需澆水、施肥、防治病蟲害等。

智慧控制系統(tǒng)主要由控制室與檢測(cè)樁兩大部分組成，檢測(cè)樁負(fù)責(zé)采集土壤水分、土壤營養(yǎng)成分等數(shù)據(jù)，并執(zhí)行控制室發(fā)來的指令，控制室處理分析檢測(cè)樁采集到的數(shù)據(jù)，發(fā)出控制指令。

1 通訊網(wǎng)絡(luò)

CAN通訊以控制室的主機(jī)為中心，向檢測(cè)樁輪流查詢相關(guān)數(shù)據(jù)，檢測(cè)樁電路收到主機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)請(qǐng)求或命令后，回信上傳相關(guān)數(shù)據(jù)或執(zhí)行相關(guān)操作，通訊數(shù)據(jù)包內(nèi)容為3個(gè)字節(jié)，分別為命令碼、數(shù)據(jù)高位、數(shù)據(jù)低位。設(shè)置8種命令碼，分別為回信(0x01)、查詢土壤溫度(0x02)、查詢土壤濕度(0x03)、查詢土壤含氮量(0x04)、查詢土壤含磷量(0x05)、查詢土壤含鉀量(0x06)、查詢蓄電池電量(0x07)、遠(yuǎn)程控制電水閥(0x08)。智慧果園就是依托CAN收發(fā)器和CAN應(yīng)用層協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，達(dá)到智能控制的目的。

CAN通訊采用ISO1050隔離式收發(fā)器，隔離式CAN收發(fā)器有利于應(yīng)對(duì)雷雨天氣。當(dāng)下雨打雷時(shí)，會(huì)激發(fā)電磁場(chǎng)，布置在果園里的CAN通訊線會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，極高的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)很容易燒壞電路板，最容易損壞的是控制芯片，選用隔離式CAN收發(fā)器可以將CAN總線上的高壓進(jìn)行隔離，起到防護(hù)作用。

圖1 智慧果園總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 控制室設(shè)計(jì)

控制室是整個(gè)智慧果園的中樞神經(jīng)，它負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的收集、處理與分析、果樹營養(yǎng)物質(zhì)的調(diào)度、系統(tǒng)加壓及人機(jī)交互，執(zhí)行發(fā)出人為設(shè)定的操作及一系列自動(dòng)操作，控制室電路系統(tǒng)的穩(wěn)定至關(guān)重要[6-8]。當(dāng)前，很多果農(nóng)都在自家果園建了間小房子，現(xiàn)主要是存放一些農(nóng)具、化肥、農(nóng)藥等物質(zhì)，利用率不高，控制室可應(yīng)用農(nóng)戶現(xiàn)有的資源，對(duì)小房子進(jìn)行改造，將它變成一個(gè)控制室，成為智慧果園的核心。

控制室附近建個(gè)水池，通過抽水機(jī)將溪流的水抽至水池，然后加壓，將水輸送給果樹進(jìn)行灌溉，保持土壤濕度；同一個(gè)水池，也要承擔(dān)營養(yǎng)池功能，需要的時(shí)候，農(nóng)戶將肥料等營養(yǎng)物質(zhì)倒入水池融化，再通過加壓設(shè)備將營養(yǎng)物質(zhì)通過管道輸送到果樹；抽水機(jī)的工作、加壓設(shè)備的工作都通過控制室的控制芯片進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，自動(dòng)澆灌。

圖2 智慧果園水流示意圖

2.1 控制室電路設(shè)計(jì)

控制室的核心采用STM32C8T6作為CPU，STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex-M 內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器，程序存儲(chǔ)器容量是64 kB，需要電壓2～3.6 V，工作溫度為-40～85 ℃。STM32極高的運(yùn)行速率，很好的穩(wěn)定性用來做智慧果園的核心CPU比較合適，能勝任復(fù)雜多變的環(huán)境。

2.1.1 控制室系統(tǒng)電源設(shè)計(jì) 控制室的電源直接應(yīng)用國家電網(wǎng)降壓獲得，由于電路板需要控制電水伐、控制抽水機(jī)與壓縮機(jī)的大電流繼電器等電感型設(shè)備，功率偏高，所以應(yīng)選擇大功率的小型變壓器，采用220 V轉(zhuǎn)15 V×2 A×2的變壓器，將220 V的交流電轉(zhuǎn)換成15 V的交流電，為了保護(hù)電路，應(yīng)對(duì)雷雨天氣，電路中加入壓敏電阻和保險(xiǎn)管，壓敏電阻在電路中的應(yīng)用可以有效地防止電網(wǎng)浪涌電壓和因雷電感生的沖擊電壓，15 V低壓交流電再經(jīng)過二極管整流，電容濾波進(jìn)入LM7812穩(wěn)壓芯片，輸出一路12 V直流電源，繼而經(jīng)過電容繼續(xù)經(jīng)LM7805降壓，輸出5 V電源[9]。要注意的是電路制作時(shí)LM7812與LM7805都應(yīng)該安裝散熱片散熱，保證電源系統(tǒng)的持久安全穩(wěn)定運(yùn)行[10]。

2.1.2 抽水機(jī)、加壓設(shè)備、電水閥的控制設(shè)計(jì) 抽水機(jī)將溪流的水抽至水池，抽水機(jī)的選擇可根據(jù)果園的實(shí)際需求，選擇適合揚(yáng)程與吸程的抽水機(jī)將水抽到水池中，在需要抽水或者加壓的情況下，CPU的管腳置成低電平，就可實(shí)現(xiàn)抽水與加壓。

將抽水機(jī)控制端CSJK置低電平0，指示燈D6亮，三極管Q28不導(dǎo)通，N型場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通導(dǎo)通后，連接CSJH與CSJL的外置大功率繼電器咬合，帶動(dòng)220 V交流電帶動(dòng)抽水機(jī)抽水，CPU控制抽水停止時(shí)，將抽水機(jī)控制端CSJK置高電平1，指示燈D6滅，三極管Q28導(dǎo)通，N型場(chǎng)效應(yīng)管不導(dǎo)通，連接CSJH與CSJL的外置大功率繼電器斷開，抽水機(jī)停止抽水，同理，加壓設(shè)備也這樣運(yùn)行。

圖3 控制室電源設(shè)計(jì)

圖4 抽水機(jī)與增壓設(shè)備控制電路

2.2 水池水位監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

STM32單片機(jī)通過監(jiān)測(cè)蓄水池水位從而判斷抽水機(jī)是否要進(jìn)行抽水，抽水是否抽滿而要停止抽水，于是設(shè)置2個(gè)電容式液位傳感器，分別安裝在水池的上端和下端，當(dāng)水池的水位低于下端傳感器安裝位置時(shí)，傳感器輸出的電信號(hào)改變，則代表水快要用完，需要控制抽水機(jī)抽水；同理，當(dāng)水缸的水位高于上端傳感器安裝位置時(shí)，則代表水快滿了應(yīng)停止抽水。

3 檢測(cè)樁設(shè)計(jì)

贛南多丘陵坡地，大多臍橙在這樣的環(huán)境種植，最好采用壟耕法。在每一壟裝設(shè)一個(gè)檢測(cè)樁，每個(gè)檢測(cè)樁負(fù)責(zé)一壟樹苗。檢測(cè)樁是整個(gè)智慧果園系統(tǒng)的檢測(cè)裝置和執(zhí)行裝置，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控果園中每一壟果樹的生長環(huán)境并將其量化為數(shù)據(jù)通過通訊網(wǎng)絡(luò)傳達(dá)至總控制室實(shí)行系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控；并負(fù)責(zé)執(zhí)行來自總控室的命令，按需進(jìn)行澆水施肥。因此檢測(cè)樁是整個(gè)智慧果園系統(tǒng)的的“眼睛”和“雙手”，是整個(gè)系統(tǒng)極為重要的一部分。

檢測(cè)樁配備氮磷鉀等果樹所需氮磷鉀的工業(yè)級(jí)檢測(cè)設(shè)備，同時(shí)裝有土壤溫濕度檢測(cè)的裝置，并且具備實(shí)時(shí)灌溉、達(dá)到水肥一體化與輔助噴灑農(nóng)藥的功能，從而達(dá)到科學(xué)化精準(zhǔn)化監(jiān)控，有效地調(diào)配臍橙果樹的健康生長。除此之外，為了符合低碳節(jié)能的理念，減少電纜線的鋪設(shè)，降低維護(hù)難度，檢測(cè)樁以太陽能供電。

圖5 檢測(cè)樁示意圖

檢測(cè)樁的外殼采用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼(又稱A3板)。A3板不僅綜合性能好，而且鍍鋅以后可以通過金屬原電池等化學(xué)反應(yīng)形成保護(hù)膜，防止金屬樁長時(shí)間深埋地底而腐蝕。檢測(cè)樁透視圖如圖6。

圖6 檢測(cè)樁局部透視圖

3.1 檢測(cè)樁整體電路設(shè)計(jì)

檢測(cè)樁的核心依然采用STM32C8T6作為CPU。其外圍電路包括供電電源電路、讀取土壤氮磷鉀含量電路、讀取土壤溫濕度電路、水電閥控制電路、系統(tǒng)CAN通訊電路、電瓶電壓檢測(cè)電路以及一些外接端口。電路系統(tǒng)圖如圖7。

圖7 檢測(cè)樁電路系統(tǒng)圖

3.2 檢測(cè)樁氮磷鉀含量電路設(shè)計(jì)

土壤氮磷鉀傳感器利用RS-485傳輸數(shù)據(jù)。

工作原理：當(dāng)傳感器采集到土壤數(shù)據(jù)以后，通過RS-485模塊發(fā)送。傳感器芯片首先使能485_DIR將RS-485模塊的RE置低，此時(shí)RS-485為發(fā)送模式，然后將數(shù)據(jù)通過TXD_485經(jīng)保護(hù)電路傳送至RS-485模塊，最后通過RS-485模塊經(jīng)485_A和485_B傳送至檢測(cè)樁CPU。CPU對(duì)RS-485模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行初步地判斷、分析、處理和緩存。這個(gè)過程中持續(xù)等待控制室系統(tǒng)發(fā)送的查詢信號(hào)。當(dāng)數(shù)據(jù)處理和緩存完備，且檢測(cè)到查詢信號(hào)，CPU將數(shù)據(jù)通過CAN通訊方式發(fā)送給控制室。

控制室系統(tǒng)實(shí)時(shí)查詢檢測(cè)樁CPU并接收到數(shù)據(jù)以后，將數(shù)據(jù)緩存并處理成可在控制室里液晶屏顯示的信號(hào)。同時(shí)，對(duì)于接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一些判斷和反饋。如果數(shù)據(jù)顯示果樹附近土壤的氮磷鉀元素異于正常水平，控制室系統(tǒng)便會(huì)發(fā)出警告，提醒工作人員對(duì)異常的土壤區(qū)域，進(jìn)行人工干預(yù)，調(diào)整土壤的氮磷鉀元素含量。

圖8 讀取土壤氮磷鉀電路設(shè)計(jì)

3.3 檢測(cè)樁土壤溫濕度采集設(shè)計(jì)

為了有效準(zhǔn)確地測(cè)量土壤溫濕度，該部分電路使用了土壤防護(hù)型溫濕度傳感器，該傳感器采用了進(jìn)口數(shù)字式溫濕度傳感器；土壤的含水量與臍橙的生長有著非常密切的關(guān)系，眾所周知，土壤越深，土壤含水量越高，但“何處深度的含水量對(duì)臍橙生長影響最大？關(guān)系最密切？含水量多少最為合適？”等數(shù)據(jù)相當(dāng)關(guān)鍵。根據(jù)土壤濕度與臍橙葉片含水量及果實(shí)生長量的關(guān)系[2]的研究表明，30 cm處的土層含水量與果實(shí)生長呈正相關(guān)；土壤含水量控制在18.22%～28.84%之間最適合臍橙樹的生長；土壤水分過高與過低都不適合果樹的生長。所以取樣分析和灌水時(shí)應(yīng)以30 cm土層深處為準(zhǔn)，將該傳感器埋入地下土壤30 cm處進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控。

4 智慧果園程序設(shè)計(jì)

程序是智慧果園的靈魂。在復(fù)雜的外部環(huán)境下，整套系統(tǒng)安全有序的運(yùn)行不僅靠外部硬件的支持，更需要程序來控制整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行、檢錯(cuò)糾正、協(xié)調(diào)各模塊間配合，有機(jī)地融合在一起，從而為果樹澆灌、追肥、輔助噴灑農(nóng)藥等，圖9是設(shè)計(jì)的控制室和檢測(cè)樁的程序流程圖。

圖9 智慧果園程序設(shè)計(jì)流程圖

5 用戶界面設(shè)計(jì)

為了顯示參數(shù)，觀察果園相關(guān)數(shù)據(jù)，提供一個(gè)可視化的人機(jī)操作接口，更好地觀察和控制臍橙動(dòng)態(tài)生長，選擇一款彩色的串口觸摸屏作為控制系統(tǒng)操作界面，它支持UGI上位機(jī)組態(tài)屏開發(fā)，開發(fā)完成控件、顯示圖片等通過SD卡就可以直接下載進(jìn)屏幕(如圖10)。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

軟硬件設(shè)計(jì)完成并組裝后，通過試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)氮磷鉀和溫濕度實(shí)時(shí)檢測(cè)及適時(shí)灌溉功能。圖11、圖12是CAN查詢土壤數(shù)據(jù)分析處理代碼及自動(dòng)灌溉試驗(yàn)現(xiàn)象，試驗(yàn)顯示，基于CAN的贛南臍橙智慧果園控制系統(tǒng)已成功實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)和自動(dòng)灌溉。

圖10 用戶界面UI設(shè)計(jì)

圖11 CAN查詢土壤數(shù)據(jù)分析處理代碼

圖12 自動(dòng)灌溉試驗(yàn)現(xiàn)象

7 從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)際果園的思考

本研究基于CAN技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了控制室對(duì)臍橙所需土壤水分、溫濕度、肥料的監(jiān)測(cè)，從而按需進(jìn)行自動(dòng)灌溉，實(shí)現(xiàn)由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的迭代升級(jí)，減輕了果農(nóng)工作負(fù)擔(dān)，助力培育高品質(zhì)臍橙，提高了競(jìng)爭(zhēng)力。如何將科技轉(zhuǎn)化實(shí)際生產(chǎn)力，主要從管道鋪設(shè)大規(guī)模、太陽能蓄電放電安全可靠持久優(yōu)化、電水閥功率增大及實(shí)際果園所需檢測(cè)樁數(shù)量添加等方面著手改進(jìn)或增大規(guī)模便可實(shí)現(xiàn)，同時(shí)實(shí)行地面生態(tài)養(yǎng)殖、樹上生物防蟲和空中影像監(jiān)控三維立體角度滿足臍橙生長環(huán)境的智能化、可視化、可控化，相信贛南臍橙產(chǎn)業(yè)一定會(huì)走上科技創(chuàng)造生產(chǎn)力的新臺(tái)階。