CN105144953B - 一种水肥药一体化自诊断灌溉专家系统控制装置 - Google Patents

Abstract

一种水肥药一体化自诊断灌溉专家系统控制装置，包括传感器输入电路、电磁阀故障检测电路、比例阀驱动电路、MCU1、SD存储电路、MCU2、MCU3、GPRS DTU模块、接口芯片8255和存储器6116，传感器输入电路的控制口连接MCU1的P3口，传感器输入电路的D/A端口连接比例阀驱动电路；MCU1为主控制器，MCU1的串口A连接MCU2的串口A，MCU1的串口B连接MCU3的串口B，MCU1还与SD存储电路相连接，MCU2的串口B连接GPRS DTU模块进行无线数据交流，MCU3的串口A连接MCU2的串口B，作为通信备用接口。本发明实现肥料、农药的喷洒，实现农业管理的自动化；采用三MCU系统，控制精确，配合共享存储器实现信息交换；系统对故障进行自诊断和故障定位，数据交流采用密钥数据报头，保障了数据交流的保密性和安全性。

Description

一种水肥药一体化自诊断灌溉专家系统控制装置

技术领域

本发明涉及自动控制领域，尤其是一种水肥药一体化自诊断灌溉专家系统控制装置。

背景技术

水是一切生命过程中不可替代的基本要素，水资源是国民经济和社会发展的重要基础资源。我国是世界上13个贫水国之一，人均水资源占有量2300立方米，只有世界人均水平的四分之一，居世界第109位。而且时空分布很不均匀，南多北少，东多西少，夏秋多冬春少，占国土面积50％以上的华北、西北、东北地区的水资源量仅占全国总量的20％左右。近年来，随着人口增加、经济发展和城市化水平的提高，水资源供需矛盾日益尖锐，农业干旱缺水和水资源短缺已成为我国经济和社会发展的重要制约因素，而且加剧了生态环境的恶化。

发达国家的农业用水比重一般为总用水量的50％左右。目前，我国农业用水比重已从1980年的88％下降到目前的70％左右，今后还会继续下降，农业干旱缺水的局面不可逆转。北方地区水资源开发利用程度已经很高，开源的潜力不大。南方还有一些开发潜力，但主要集中在西南地区。

我国农业灌溉用水量大，灌溉效率低下和用水浪费的问题普遍存在。目前全国灌溉水利用率约为43％，单方水粮食生产率只有10公斤左右，大大低于发达国家灌溉水利用率70-80％、单方水粮食生产率2.0公斤以上的水平。通过采用现代节水灌溉技术改造传统灌溉农业，实现适时适量的“精细灌溉”，具有重要的现实意义和深远的历史意义。在灌溉系统合理地推广自动化控制，不仅可以提高资源利用率，缓解水资源日趋紧张的矛盾，还可以增加农作物的产量，降低农产品的成本。目前常用的自动化灌溉实现了水肥灌溉，但对喷洒农药却无能为力，不能真正实现农业管理的现代化。

灌溉、施肥、喷药每一种操作都很复杂，比如灌溉的水量与初始湿度和浇灌即时湿度有关，还与农作物需要的水量有关，农作物的生长阶段和喷洒流量等有关；施肥的数量也与土壤的EC值、PH值、农作物自身状态及生长阶段有关；而喷药数量更加复杂，需要精确控制农药比例和数量，同时要针对不同农作物、不同害虫或有害植物进行不同的方案，所以合适的控制技术至关重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种水肥药一体化自诊断灌溉专家系统控制装置，可以精确实现水肥和农药的喷洒，实现农业管理的现代化。

为解决上述技术问题，本发明提供一种水肥药一体化自诊断灌溉专家系统控制装置，包括传感器输入电路、电磁阀故障检测电路、比例阀驱动电路、MCU1、SD存储电路、MCU2、MCU3、GPRS DTU模块、接口芯片8255和存储器6116，传感器输入电路的控制口连接MCU1的P3口，传感器输入电路的D/A端口连接比例阀驱动电路；MCU1为主控制器，MCU1的串口A连接MCU2的串口A，MCU1的串口B连接MCU3的串口B，MCU1还与SD存储电路相连接，MCU2的串口B连接GPRS DTU模块进行无线数据交流，MCU3的串口A连接MCU2的串口B，作为通信备用接口；接口芯片8255的A口接MCU2的P0，B口接MCU3的P0，C口接存储器6116的数据端口，接口芯片8255的A数据端口接MCU1的数据端口，MCU1的P2端口接存储器6116地址端口的低8位，存储器6116地址端口其他位接地，存储器6116读写端和MCU1分别用端口P1连接，MCU3的P1口和P2口连接电磁阀故障检测电路；电磁阀故障检测电路包括稳压管D1、限流电阻R6和光耦IC1，稳压管D1提供光耦IC1所需电压，电阻进行限流，电磁阀通断时，光耦IC1把通断信号通过光传递给三极管Q1后送入单片机中进行检测和判断电磁阀是否故障。

优选的，三个MCU通过接口芯片8255和存储器6116组成三口存储器，进行数据交流，每个MCU都可以独立读写存储器6116；MCU1读写存储器6116时，P2送地址给存储器6116，通过接口芯片8255的C口发送或接收数据。

优选的，MCU2读写存储器6116时，MCU2通过P0口读写存储器数据，地址信息通过串口A发送给MCU1的串口A，地址信息用ASII码通信，最高位为读写控制位，最高位为1为写存储器数据，为0为读存储器数据，MCU1根据串口信息，把地址送到MCU1的P2口，并根据读写操作设置P1口；MCU1从接口芯片8255的C口读数据并发送到A口完成MCU1的读存储器操作，MCU1从接口芯片8255的A口读数据并发送到C口完成MCU2的写存储器操作，MCU1参与了数据的交流，MCU1必须把发送或接收的数据送串口A反馈给MCU2，MCU2读写存储器需要延时200ms。

优选的，MCU3读写存储器6116时，MCU3通过P0口读写存储器数据，地址信息通过串口B发送给MCU1的串口B，地址信息用ASII码通信，最高位为读写标志位，最高位为1为写存储器数据，为0为读存储器数据，MCU1根据串口信息，把地址送到MCU1的P2口，并根据读写操作设置P1口；MCU1从接口芯片8255的C口读数据并发送到B口完成MCU1的读存储器操作，MCU1从接口芯片8255的B口读数据并发送到C口完成MCU3的写存储器操作，MCU1参与了数据的交流，MCU1必须把发送或接收的数据送串口A反馈给MCU3，MCU3读写存储器需要延时200ms。

优选的，MCU2读写共享存储器6116时，通过串口A发送地址到MCU1，如果MCU1没有反馈信息则说明MCU1出现故障，MCU2的串口B通过GPRS DUT模块发送故障代码给控制中心。

优选的，MCU3读写共享存储器6116时，通过串口B发送地址到MCU1，如果MCU1没有反馈信息则说明MCU1出现故障，MCU3的串口A通过GPRS DUT发送故障代码给控制中心。

优选的，MCU2读写共享存储器6116时，串口反馈数据和P0口多些数据不一致，说明存储器和接口芯片8255出现故障，MCU2通过串口B和MCU3的串口A通信，测试MCU3的读写共享存储器功能，通过MCU3进行读写共享存储器来排除是否为存储器故障，并通过GPRS DUT模块发送故障代码给控制中心。

优选的，MCU3读写共享存储器6116时，串口反馈数据和P0口多些数据不一致，说明存储器和接口芯片8255出现故障，MCU2通过串口B和MCU3的串口A通信，测试MCU2的读写共享存储器功能，通过MCU3进行读写共享存储器来排除是否为存储器故障，并通过GPRS DUT模块发送故障代码给控制中心。

优选的，MCU2和MCU3与共享存储器6116数据交流时均通过MCU1传输地址，MCU2和MCU3接收不到反馈数据，说明MCU1出现故障，MCU2发送故障代码给控制中心；MCU2需要不停的同MCU1通信，对MCU1的串口A进行定时监控，如果一段时间没有数据传输，初步判断MCU2出现故障，并发送测试代码进行测试确定是否有反馈，如果无反馈，MCU1通过串口B发送故障代码给MCU3，并通过MCU3的串口A调用GPRS DTU模块把故障代码发送到控制中心。

优选的，灌溉装置信息通过GPRS无线传输时，采用动态密钥做传输协议的报头，密钥报头算法由开发者自行设计。

优选的，SD卡上存储专家控制系统的知识库，采用FAT文件系统的簇链存储，从第一级条件开始存储数据和指向下一句条件的存储位置，最末一级的存储位置用0fffh代替，存储数据达到128G。

本发明的有益效果为：采用专家控制系统以后，实现了同一控制中心管理下的多台装置能根据周围土壤和作物的生长环境进行独立自主进行灌溉、施肥和喷药管理，真正做到统一管理又因地制宜；采用比值控制系统实现了液态肥料、甚至是农药的喷洒，真正实现了农业管理的自动化；采用三MCU系统，技术分工明确，控制精确，配合共享存储器实现信息交换，简单方便；系统可以对故障进行自诊断和故障定位，提高了系统的安全性，维修也更加的方便；数据交流采用密钥数据报头，充分保障了数据交流的保密性和安全性。

专家控制系统把专家知识进行存储，查找知识和控制判断都由独立的推理机进行分析，使得处理过程就像有了大脑判断，特别适合复杂条件的诊断；植入单片机以后，可以进行实时的诊断控制，只要远程控制中心输入条件，可在单片机内部进行运行专家控制操作，使得每一个装置点都有了智能化，分担了主控操作的任务量，而且在不同的装置点根据不同的环境情况进行不同的操作，而不是所有装置同一控制，有利于农作物的生长。

附图说明

图1是本发明的装置整体结构示意图。

图2是本发明的MCU1结构示意图。

图3是本发明的MCU2结构示意图。

图4是本发明的MCU3结构示意图。

图5是本发明的GPRS DUT模块结构示意图。

图6是本发明的电磁阀故障检测电路结构示意图。

图7是本发明的传感器输入电路结构示意图。

具体实施方式

如图1-5所示，一种水肥药一体化自诊断灌溉专家系统控制装置，包括传感器输入电路、电磁阀故障检测电路、比例阀驱动电路、MCU1、SD存储电路、MCU2、MCU3、GPRS DTU模块、接口芯片8255和存储器6116，传感器输入电路的控制口连接MCU1的P3口，传感器输入电路的D/A端口连接比例阀驱动电路；MCU1为主控制器，MCU1的串口A连接MCU2的串口A，MCU1的串口B连接MCU3的串口B，MCU1还与SD存储电路相连接，MCU2的串口B连接GPRS DTU模块进行无线数据交流，MCU3的串口A连接MCU2的串口B，作为通信备用接口；接口芯片8255的A口接MCU2的P0，B口接MCU3的P0，C口接存储器6116的数据端口，接口芯片8255的A数据端口接MCU1的数据端口，MCU1的P2端口接存储器6116地址端口的低8位，存储器6116地址端口其他位接地，存储器6116读写端和MCU1分别用端口P1连接，MCU3的P1口和P2口连接电磁阀故障检测电路；电磁阀故障检测电路包括稳压管D1、限流电阻R6和光耦IC1，稳压管D1提供光耦IC1所需电压，电阻进行限流，电磁阀通断时，光耦IC1把通断信号通过光传递给三极管Q1后送入单片机中进行检测和判断电磁阀是否故障。

三个MCU通过接口芯片8255和存储器6116组成三口存储器，进行数据交流，每个MCU都可以独立读写存储器6116。MCU1负责传感器检测和算法控制，MCU 2负责无线数据通信，MCU3负责电磁阀和比例阀等控制。

MCU1读写存储器6116时，P2送地址给存储器6116，通过接口芯片8255的C口发送或接收数据。

MCU2读写存储器6116时，MCU2通过P0口读写存储器数据，地址信息通过串口A发送给MCU1的串口A，地址信息用ASII码通信，最高位为读写控制位，最高位为1为写存储器数据，为0为读存储器数据，MCU1根据串口信息，把地址送到MCU1的P2口，并根据读写操作设置P1口；MCU1从接口芯片8255的C口读数据并发送到A口完成MCU1的读存储器操作，MCU1从接口芯片8255的A口读数据并发送到C口完成MCU2的写存储器操作，MCU1参与了数据的交流，MCU1必须把发送或接收的数据送串口A反馈给MCU2，MCU2读写存储器需要延时200ms。

MCU3读写存储器6116时，MCU3通过P0口读写存储器数据，地址信息通过串口B发送给MCU1的串口B，地址信息用ASII码通信，最高位为读写标志位，最高位为1为写存储器数据，为0为读存储器数据，MCU1根据串口信息，把地址送到MCU1的P2口，并根据读写操作设置P1口；MCU1从接口芯片8255的C口读数据并发送到B口完成MCU1的读存储器操作，MCU1从接口芯片8255的B口读数据并发送到C口完成MCU3的写存储器操作，MCU1参与了数据的交流，MCU1必须把发送或接收的数据送串口A反馈给MCU3，MCU3读写存储器需要延时200ms。

浇灌设备主机和站点控制设备或手机客户端通信采用加密的动态密钥作为数据包报头，保护通信安全，并可携带主机代码，方便维修定位。

动态密钥由设备代码、年月、时间和设定数据组成，根据一定规则进行算术和逻辑运算，生成动态数据形成“密钥”报头；数据传输的两端采用统一年月和时间，并共同设定数据和算术逻辑运算规则，接收方能正确对动态密钥进行解码。规则是千变万化的，不套用已知规则和算法，保密性高，不容易破解。

在灌溉源头接三通阀，一段接普通水源进水口，肥料和药池通过比例阀接入三通阀另一输入口，三通阀的输出接管道并连接各个喷洒电磁阀，喷洒口附近放置各类传感器，包括PH传感器、湿度传感器等，并在合适位置设置气象观测站，测量气温、风速、风向等。

在电磁阀电路中串联光耦模块采样电路，监控电磁阀工作状态，并提供维修定位功能；电磁阀正常工作时，光耦输出高电平，电磁阀停止工作时，光耦输出低电平，电平状态输送到MCU1，MCU1根据工作状态进行自诊断是否工作状态下电磁阀出现故障；如果出现故障，MCU1向三口存储器的指定地址，比如08H写入状态故障字F8H，09H写入故障位置代码，否则为00H；MCU2检测到三口存储器指定地址，08H数值为F8H就向中央控制系统发送故障代码和位置代码。

MCU2读写共享存储器6116时，通过串口A发送地址到MCU1，如果MCU1没有反馈信息则说明MCU1出现故障，MCU2的串口B通过GPRS DUT模块发送故障代码给控制中心。MCU3读写共享存储器6116时，通过串口B发送地址到MCU1，如果MCU1没有反馈信息则说明MCU1出现故障，MCU3的串口A通过GPRS DUT发送故障代码给控制中心。

MCU2读写共享存储器6116时，串口反馈数据和P0口多些数据不一致，说明存储器和接口芯片8255出现故障，MCU2通过串口B和MCU3的串口A通信，测试MCU3的读写共享存储器功能，通过MCU3进行读写共享存储器来排除是否为存储器故障，并通过GPRS DUT模块发送故障代码给控制中心。MCU3读写共享存储器6116时，串口反馈数据和P0口多些数据不一致，说明存储器和接口芯片8255出现故障，MCU2通过串口B和MCU3的串口A通信，测试MCU2的读写共享存储器功能，通过MCU3进行读写共享存储器来排除是否为存储器故障，并通过GPRS DUT模块发送故障代码给控制中心。

MCU2和MCU3与共享存储器6116数据交流时均通过MCU1传输地址，MCU2和MCU3接收不到反馈数据，说明MCU1出现故障，MCU2发送故障代码给控制中心；MCU2需要不停的同MCU1通信，对MCU1的串口A进行定时监控，如果一段时间没有数据传输，初步判断MCU2出现故障，并发送测试代码进行测试确定是否有反馈，如果无反馈，MCU1通过串口B发送故障代码给MCU3，并通过MCU3的串口A调用GPRS DTU模块把故障代码发送到控制中心。

专家控制系统的知识库的存储方式：采用FAT12文件系统的簇链存储，FAT12搜索方式从文件目录项中查找到文件的首簇号，再在FAT文件分配表中查找对应的下一个簇号内容，直到它的内容是0fffh为止；知识库的存储类似：从第一级条件开始存储数据和指向下一句条件的存储位置，最末一级的存储位置用0fffh代替，存储结构类似树状存储，避免了顺序存储带来的搜索工作量大的问题，每一个簇链的结束除了存储位置用0fffh代替外，还存储用于推理及判断的权值，知识库的存储位置放在MCU1连接的SD卡上，存储数据可以达到128G，升级或更新方便。

专家系统的推理方式：通过知识库搜索能检索到明确控制方式的，直接执行；通过知识库搜索没有明确的控制方式，根据概率策略对不同控制方式权值进行处理，形成可执行控制方式。

如图6所示，为电磁阀故障检测电路，共有14路相同电路。其中，D1为稳压管，为光耦IC1提供压降，R6为限流电阻。当电磁阀正常工作时，光耦IC1有电压，三极管Q1导通，P1.7为低电平；当电磁阀烧毁故障等不工作时，光耦IC1断路，无压降，三极管Q1不导通，P1.7为高电平，通过检查P1.7引脚电压可以推断出电磁阀是否发生故障。

如图7所示，为传感器输入电路。其中，PCF8591T是集成A/D、D/A转换的芯片，AIN0-AIN4为四路模拟输入，分别为温度、PH值、湿度、流量传感器的输入端；AOUT为D/A输出，输出电压范围为0-5V，通过LM2902运算放大器放大电路输出0-10V信号控制比例积分阀开度大小，从而控制流量大小。

通过移动或联通的WIFI信号连接田地网络摄像头，没有WIFI信号，可通过4G网络连接网络摄像头，进行田地的监控。

浇灌设备信息交流通过GPRS，单片机通过串口和GPRS DTU模块连接，通过移动或联通的数据网络，一方面和控制站点进行数据交流，进行田地浇灌设备的监控；另一方面，可以和手机、平板等通讯设备进行数据交流，便于随时随地监控田地情况。

手机安装监控软件可以通过GPRS通信，获取浇灌终端的传感器信息，了解到土壤和田地气候情况，并通过GPRS连接浇灌终端MCU来控制浇灌设备，还可以通过网络摄像头的视频来查看田地情况，为浇灌或害虫防治提供参考。

尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims (10)

1.一种水肥药一体化自诊断灌溉专家系统控制装置，其特征在于，包括：传感器输入电路、电磁阀故障检测电路、比例阀驱动电路、MCU1、SD存储电路、MCU2、MCU3、GPRS DTU模块、接口芯片8255和存储器6116，传感器输入电路的控制口连接MCU1的P3口，传感器输入电路的D/A端口连接比例阀驱动电路；MCU1为主控制器，MCU1的串口A连接MCU2的串口A，MCU1的串口B连接MCU3的串口B，MCU1还与SD存储电路相连接，MCU2的串口B连接GPRS DTU模块进行无线数据交流，MCU3的串口A连接MCU2的串口B，作为通信备用接口；接口芯片8255的A口接MCU2的P0，B口接MCU3的P0，C口接存储器6116的数据端口，接口芯片8255的A数据端口接MCU1的数据端口，MCU1的P2端口接存储器6116地址端口的低8位，存储器6116地址端口其他位接地，存储器6116读写端和MCU1分别用端口P1连接，MCU3的P1口和P2口连接电磁阀故障检测电路；电磁阀故障检测电路包括稳压管D1、限流电阻R6和光耦IC1，稳压管D1提供光耦IC1所需电压，电阻进行限流，电磁阀通断时，光耦IC1把通断信号通过光传递给三极管Q1后送入单片机中进行检测和判断电磁阀是否故障。

2.如权利要求1所述的水肥药一体化自诊断灌溉专家系统控制装置，其特征在于，三个MCU通过接口芯片8255和存储器6116组成三口存储器，进行数据交流，每个MCU都可以独立读写存储器6116；MCU1读写存储器6116时，P2送地址给存储器6116，通过接口芯片8255的C口发送或接收数据。

3.如权利要求1所述的水肥药一体化自诊断灌溉专家系统控制装置，其特征在于，MCU2读写存储器6116时，MCU2通过P0口读写存储器数据，地址信息通过串口A发送给MCU1的串口A，地址信息用ASII码通信，ASII码最高位为读写控制位，最高位为1为写存储器数据，为0为读存储器数据，MCU1根据串口信息，把地址送到MCU1的P2口，并根据读写操作设置P1口；MCU1从接口芯片8255的C口读数据并发送到A口完成MCU1的读存储器操作，MCU1从接口芯片8255的A口读数据并发送到C口完成MCU2的写存储器操作，MCU1参与了数据的交流，MCU1必须把发送或接收的数据送串口A反馈给MCU2，MCU2读写存储器需要延时200ms。

4.如权利要求1所述的水肥药一体化自诊断灌溉专家系统控制装置，其特征在于，MCU3读写存储器6116时，MCU3通过P0口读写存储器数据，地址信息通过串口B发送给MCU1的串口B，地址信息用ASII码通信，最高位为读写标志位，最高位为1为写存储器数据，为0为读存储器数据，MCU1根据串口信息，把地址送到MCU1的P2口，并根据读写操作设置P1口；MCU1从接口芯片8255的C口读数据并发送到B口完成MCU1的读存储器操作，MCU1从接口芯片8255的B口读数据并发送到C口完成MCU3的写存储器操作，MCU1参与了数据的交流，MCU1必须把发送或接收的数据送串口A反馈给MCU3，MCU3读写存储器需要延时200ms。

5.如权利要求1所述的水肥药一体化自诊断灌溉专家系统控制装置，其特征在于，MCU2读写共享存储器6116时，通过串口A发送地址到MCU1，如果MCU1没有反馈信息则说明MCU1出现故障，MCU2的串口B通过GPRSDUT模块发送故障代码给控制中心；MCU3读写共享存储器6116时，通过串口B发送地址到MCU1，如果MCU1没有反馈信息则说明MCU1出现故障，MCU3的串口A通过GPRS DUT发送故障代码给控制中心。

6.如权利要求1所述的水肥药一体化自诊断灌溉专家系统控制装置，其特征在于，MCU2读写共享存储器6116时，串口反馈数据和P0口多些数据不一致，说明存储器和接口芯片8255出现故障，MCU2通过串口B和MCU3的串口A通信，测试MCU3的读写共享存储器功能，通过MCU3进行读写共享存储器来排除是否为存储器故障，并通过GPRS DUT模块发送故障代码给控制中心。

7.如权利要求1所述的水肥药一体化自诊断灌溉专家系统控制装置，其特征在于，MCU3读写共享存储器6116时，串口反馈数据和P0口多些数据不一致，说明存储器和接口芯片8255出现故障，MCU2通过串口B和MCU3的串口A通信，测试MCU2的读写共享存储器功能，通过MCU3进行读写共享存储器来排除是否为存储器故障，并通过GPRS DUT模块发送故障代码给控制中心。

8.如权利要求1所述的水肥药一体化自诊断灌溉专家系统控制装置，其特征在于，MCU2和MCU3与共享存储器6116数据交流时均通过MCU1传输地址，MCU2和MCU3接收不到反馈数据，说明MCU1出现故障，MCU2发送故障代码给控制中心；MCU2需要不停的同MCU1通信，对MCU1的串口A进行定时监控，如果一段时间没有数据传输，初步判断MCU2出现故障，并发送测试代码进行测试确定是否有反馈，如果无反馈，MCU1通过串口B发送故障代码给MCU3，并通过MCU3的串口A调用GPRS DTU模块把故障代码发送到控制中心。

9.如权利要求1所述的水肥药一体化自诊断灌溉专家系统控制装置，其特征在于，灌溉装置信息通过GPRS无线传输时，采用动态密钥做传输协议的报头，密钥报头算法由开发者自行设计。

10.如权利要求1所述的水肥药一体化自诊断灌溉专家系统控制装置，其特征在于，SD存储电路存储专家控制系统的知识库，采用FAT文件系统的簇链存储，从第一级条件开始存储数据和指向下一句条件的存储位置，最末一级的存储位置用0fffh代替，存储数据达到128G。