基于低压电力载波的灌溉远程监控系统的设计

1、2015年7月农机化研究第7期基于低压电力载波的灌溉远程监控系统的设计王润涛，夏爽，杨方，莫家宝，赵朝阳，刁150030）磊，倪欣桐（东北农业大学电气与信息学院，哈尔滨摘要：在我国农业生产中，大田多选用机井灌溉方式，使用人工操作水泵的形式来实现，灌溉人员需要到井房现场进行操作，自动化程度低。由于人工计量计费，操作员通常需要步行于多个井房间进行启停水泵的操作，这造成了水资源和人力资源的大量浪费。为此，采用低压电力载波技术设计开发一种灌溉远程监控系统可根据植物种类、生长时期和土壤状况确定传感器埋设深度和土壤水分阈值，对于解决水资源日益短缺的问题、实现水资源的可持续利用、提高农业生产效率及降低生产成

2、本有着非常重要的意义。关键词：低压电力载波；灌溉；土壤水分中图分类号：S24；TV93文献标识码：A文章编号：1003188X（2015）07012304DOI:10.13427/ki.njyi.2015.07.0280引言广泛使用机井灌溉。井灌区在我国灌溉农业中，供电模块给系统各个部分进行供电，传感器负责监测区域内水分、湿度，单片机控制器负责处理传感器数据，控制继电器的开闭进而控制水泵的启停对数据进行处理和分析，如图1所示。保证率较高，以其稳定可靠的水源，可根据农艺要求对农作物进行适量灌溉，便于管理与耕作，使灌区成为旱涝保收的高产田。据统计，全国有超过1/4的粮1/2以上的经济作物和蔬菜产自

3、于井灌区，食，所以说机井灌溉方式在农业生产中占有重要地位1。随着电力载波通信技术的发展，电力载波通信已经广泛应用于工业生产及日常生活中，例如基于低压电力载波的远程抄表系统和电源监控系统2等。本文设计一种针对农田机井灌溉的远程灌溉监控系统，可实现上位机对多个机井水泵远程开停、状态监测、故障关断及采集数据上传等功能。1系统整体设计从成本低、可靠性高、功耗低、可远控的角度出图1Fig1系统硬件结构Systemhardwarestructure发，集成了低压电力载波技术、数据采集控制、单片机及传感器等于一体的系统。同时，结合农业灌溉和农业自动化技术特点，提出了基于低压电力载波和单片机控制器作为节点配合

4、组态上位机的整体架构。系统硬件由低压电力载波模块、单片机控制器、各传感器感知模块、串口通讯及电源等组成。太阳能收稿日期：20130917基金项目：黑龙江省教育厅科学技术研究项目（1253100）（Email）作者简介：王润涛（1983），男，河南新乡人，讲师，博士，wangruntaoneaueducn。通讯作者：杨（E方（1957），男，哈尔滨人，教授，硕士生导师，mail）yangfang0451163com。2太阳能蓄电池管理模块电压源的电流输出能力自动调整充电电流，同时可根据输入电压源的最大电流输出能力设置充电电流，最大限度地利用了输入电压源的电流输出能力。CN3063还采用恒流/恒压

5、/恒温模式充电，既可以使充电电流最大化，又可以防止芯片过热3。当输入电压掉电或者输入电压低于电池电压时，充电器进入低功耗的睡眠模式，电池端消耗的电流小于3A，从而增加了待机时间。太阳能蓄电池原理如图2所示。·123·2015年7月农机化研究感器控制开关电路如图4所示。表1Table1特征测量参数量程测量精度工作电压工作电流图2Fig2太阳能蓄电池原理Solarbatteryprinciple输出信号测量主频描述土壤容积含水率0100%±3%512V（电压型）2126mA01875VDC100MHzFDS100的参数ParametersofFDS100特征测量稳定时

6、间响应时间工作温度范围探针长度探针材料探针直径密封材料第7期描述2s1s408553cm不锈钢3mm环氧树脂331感知模块空气温湿度传感器AM2301是用单总线传输数据，起始阶段都需要由于土壤水分在实际监测中无需严格本设计中，实时测量，只需要按照需求的定时时间上传数据即可。此传感器最大电流达到26mA，采集节点采用太阳能供电，电量有限。所以，针对此种情况设计了传感器电源的开关电路，便于系统的功耗控制。然后再拉为高电平，所以需要上将总线置为低电平，拉电阻，阻值大约为1k。AM2301（见图3）采用外部电源方式供电，供电电压范围335V，采样周期12。在外部电源供电方式下，整个电路工作稳定可靠、抗

7、干扰能力强，同时总线上挂接多个AM2301传感器，组成多点测量温湿度系统。图4Fig4传感器开关控制电路Sensorswitchcontrolcircuit33图3Fig3AM2301接口电路图AM2301interfacecircuit电力载波模块电力载波（PowerLineCommunication）是电力系统特有的、基本的通信方式，具有可同时复用信号等特点。由于电力线和信号线合一，无须铺设信号线。它特别适合数据传输量较小、抗电磁干扰能力较强及数据采集覆盖面积广的数据采集系统中。这里的载波模块采用的是杭州新实科技有限公司嵌入式电力线载波通讯模块。图5中设计阻波器的目的是，保证在数据通信过程

8、中使50Hz的工频信号电流顺利通过，并阻止高频信号向变电站侧损失432土壤水分传感器土壤水分参数的监测是与农田灌溉直接相关的，可以直观地看出农田的水分状态，是信息监测的关键部分。由于该传感器需要长时间放置在大田土壤中，所以必须有良好的防水性与抗腐蚀性，在选择传感器时，结合精度、输出特性、供电、功耗等方面综合考虑选择了该传感器。土壤水分传感器选用型号为FDS100。传感器在使用时既可垂直插入测量土壤，也可多路传感器平行插入测量土壤。垂直放置测量传感器周围区域的土壤的平均含水率，平行放置多用于测量多层土壤水分分布，本设计中采用垂直插入地表的方式。FDS100土壤水分传感器的参数如表1所示；传。图5

9、Fig5电力载波通讯原理Powerlinecarriercommunicationprinciple·124·2015年7月农机化研究第7期441机井节点电气部分设计主接触器主接触器选用CJT1型交流接触器。主接触器的SJ1为中间继电器1的常开触点；SJM2为中间继圈，SJ2为中间继电器2的常闭触点；BH1、电器2的线圈，BH2分别为三相保护器的常开、TA分常闭触点；QA、N别为手动按钮的启动、停止开关；A相为220V火线，OSBON、OSBOFF为零线；DCIN取主控板上12V电压，JCIN为主接触器反为主控板上控制水泵启停的端口，BHIN为三相保护器反馈电平端口，馈电平

10、端口，JCIN、BHIN配有10k下拉电阻。当系统有合闸需求时，可通过继电器1，即OSBON输出低电平，继电器1吸合，同时SJ1闭合，此时KM1YJ2闭合，通电，主接触器吸合，水泵工作，同时YJ1、JCIN拉高；1s之后，OSBON恢复高电平，继电器1断开，此时由于YJ1闭合，接触器仍然吸合，水泵运转。OSBOFF输出低电平，当有停止水泵需求时，继电器2吸合，同时SJ2打开，此时KM1断电，主接触器断开，YJ2打开，JCIN变为低电平；1s之后，OSBOFF恢复高电平。当系统出现欠压、缺相或者三相不平衡时，三BH1断开。假如此时水泵正在运转则相保护器动作，KM1断电，BH2吸合，BHIN输入高

11、电平。水泵停止，手动启动按钮与YJ1并联，停止按钮与YJ2串联，动作过程与中间继电器动作基本相同。经以上分析说明，本设计的电气接线可以用于机井水泵的控制，实现了弱电远程控制强电，且使用联动连锁的接线方式，有效地减少了中间继电器的线圈通电时间，延长了使用寿命；现场安装启停按钮，使用方便，实用性强，大大提高了系统的可靠性。1组辅助常开触点用作反馈电平信号使用，以便于监测接触器状态，信号可及时反馈回上位机，另一组触点用作接触器自锁使用。该接触器线圈采用220V，起动功率为140VA，即起动电流为06A；保持功率为95VA，保持电流004A；与之配套使用的中间继电器欧姆龙LY2NJ触点容量为10A。4

12、2三相缺相与相序保护器XJ系列断相与相序保护器，用于三相交流电机和不可逆转动设备作为断相保护和相序保护使用。它具有性能可靠、使用方便、适用范围广的优势。本设计选用的具体型号为XJ3G，按照要求将其接入电源控制回路，即可起到保护作用。当三相电路中任一相或多相发生欠压、断路或者发生三相不平衡时，保护器即能动作，动作时间小于2s，将主回路电源切断，起到保护设备的目的。当三相不可逆转设备，如水泵，在认定相序后，因维修或者更改供电线路与原认定相序错接时，保护器同样可以鉴别相序并且可靠工作，停止对其供电，达到对设备进行保护的目的。43电气接线机井节点的电气部分通过三相交流接触器CJT120、三相保护器XJ

13、3G、中间继电器及手动工控按钮等实现了对机井水泵的控制。在控制中采用联动连锁的接线方式，即采用两个继电器分别实现启动和停止功能，启动后接触器自锁，并且加入手动控制按钮。机井节点控制回路电气接线图如图6所示。5FDS100和电池电压采集程序设计为了减少节点的能量消在采集流程上（见图7），耗，硬件上使用了控制功能，使用2个三极管来控制土壤水分传感器的电源，并在软件上使用了定时休眠的方法。按照定时时间，当达到采集要求时，系统首先开启传感器电源，输出高电平（HS=1），此时传感器上电，置位系统内部定时器，定时3s。6土壤水分传感器测试及结果本设计选用的土壤水分传感器在使用之前，已经进行标定，标定设备为

14、TSCIV型土壤水分检测仪。在系统设计完成后，运用对比试验，在田间同时使用图6Fig6机井节点控制回路电气接线TSCIV型设备和土壤温度水分采集节点检测同一点的数据，选择均匀疏松的土壤作为对象，传感器垂直插入被测土壤，针对于此相同土壤环境，对比得到的数据情况。测试数据如表2所示。PumpnodeelectricalwiringofcontrolcircuitKM1为主接触器的线圈，YJ1、YJ2为主接图6中，触器的两个辅助常开触点；SJM1为中间继电器1的线·125·2015年7月农机化研究第7期由表2可以看出，经过标定后的FDS100土壤水分传感器数据和TSCIV型土壤水

15、分检测仪得到的数据差别不大，误差在可控范围之内，完全满足系统设计的需求。7结论对系统进行了一周时间的整体运在设计完成后，行测试。结果表明：远程控制系统启停动作正常，数据传输均未发生故障；可以准确及时地采集各个节点传感器的数据，通过系统设计的电气接线方式，手动按钮可与上位机控制有机结合，并且进行报表记录。整体测试表明：该设备运行的准确性、稳定性良好，能够被应用在灌溉井群的远程监控中，不仅节约了水资源，提高了自动化程度，也节省了大量的人力物力。图7Fig7采集节点FDS100工作流程表2Table2TSCIV172256344453511642土壤水分传感器测试Testofsoilmoisture

16、sensorFDS100179249337461493629误差率407273203177352202%WorkprocessofacquisitionnodeofFDS100参考文献：1王晓玲，刘丽艳，等我国井灌建设可持续发展杜秀文，J中国农村水利水电，2006（8）：611研究2邓建斌，王肋伯电力载波通信的电源监视系统设计J福州大学学报：自然科学版，2007，35（2）：3123143陈雪小农棚环境无线传感器监测网络技术研究与应用D厦门：厦门大学，20134王君红，刘宝，袁若权，等基于电力载波通讯的远程控J化工自动化及仪表，2009（1）：49制系统设计及应用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