一種無線節(jié)水滴灌自動控制系統(tǒng)的設計方案

0 引言

隨著人口的增長和農(nóng)業(yè)的發(fā)展，隨著全球變暖造成的干旱問題日益嚴重，世界水資源的需求量越來越大，水資源緊缺已成為全世界人民共同關注的問題。滴灌技術是通過干管、支管和毛管上的滴頭，在低壓下向土壤經(jīng)常緩慢滴水，可直接向土壤供應已過濾的水分、肥料或其他化學劑等的一種實用技術。大田自動滴灌技術具有大幅度提高水的利用率、減少土壤結構破壞、改善生態(tài)環(huán)境、提高經(jīng)濟效益的作用，是一種高效節(jié)水的新型灌溉技術，目前已經(jīng)成為實施高效、精準灌溉的重要水資源管理技術措施。近年來，隨著無線信息傳輸技術的發(fā)展，ZigBee 無線網(wǎng)絡以其低成本、低功耗、低速率、近距離、短延時、高安全等特點，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中得到高度關注[1].本設計將傳感器技術、STM32F103VET6單片機、ZigBee無線通信技術相結合，提出了一種節(jié)水滴灌自動控制系統(tǒng)的設計方法，并開發(fā)了基于STM32的田間控制器。系統(tǒng)針對不同農(nóng)作物在不同生長時期對水分的需求情況，依據(jù)土壤濕度與環(huán)境溫度，能夠與基于S3C6410 開發(fā)平臺的網(wǎng)關通過ZigBee無線網(wǎng)絡進行通信，由田間控制器精準科學地控制灌水位置、灌水時間、灌水量、灌水質(zhì)量，實現(xiàn)了農(nóng)作物的適時自動滴灌，為作物生長提供良好的條件。系統(tǒng)為實現(xiàn)大面積農(nóng)田的統(tǒng)一調(diào)度管理提供了基礎，是一種理想節(jié)水滴灌解決方案。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)的拓撲結構

系統(tǒng)采用無線傳感網(wǎng)自組網(wǎng)的星型網(wǎng)絡拓撲結構，總體組成如圖1所示，由上位機、S3C6410網(wǎng)關(網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器節(jié)點)、CC2530 無線收發(fā)模塊(ZigBee 通信模塊)、終端控制節(jié)點以及執(zhí)行機構組成.

采用一臺式計算機作為上位機，負責接收傳感器上傳的數(shù)據(jù)、存儲、分析并做出相應的智能滴灌決策。

S3C6410網(wǎng)關是整個網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器，負責自動搜尋網(wǎng)絡中的終端節(jié)點，組織無線網(wǎng)絡，并從終端節(jié)點取得上位機需要的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)終端節(jié)點與上位機之間的通信。網(wǎng)關與終端控制節(jié)點通過基于ZigBee的CC2530無線收發(fā)模塊進行組網(wǎng)通信，由一個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器用的主機模塊和若干個從機終端模塊組成。終端控制節(jié)點是基于STM32的田間控制器，田間控制器(1)放在主管道上，配有液位傳感器、壓力傳感器及流量傳感器，執(zhí)行機構是調(diào)節(jié)水壓大小的變頻器。田間控制器(2)~田間控制器(n)完全相同，放在每塊田地里，配有SHT11 土壤溫濕度傳感器，一個終端節(jié)點模塊可以根據(jù)需要連接多個測溫濕度的探頭，執(zhí)行機構是控制滴灌開閉的電磁閥。

另外，出于對農(nóng)田的分散性和成本的考慮，由太陽能光伏供電系統(tǒng)對終端控制節(jié)點提供電源。

1.2系統(tǒng)的工作原理

上位機發(fā)送采集指令，經(jīng)由S3C6410 網(wǎng)關，利用CC2530 無線收發(fā)模塊將指令發(fā)送給基于STM32 的田間控制器;各傳感器節(jié)點將檢測到的數(shù)據(jù)上傳到STM32 田間控制器，然后由它通過CC2530無線收發(fā)模塊同樣經(jīng)由網(wǎng)關將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機中;上位機對接收到的數(shù)據(jù)進行智能處理和決策，例如對濕度值進行排序、得到濕度值較小的幾塊田地，并據(jù)此對STM32田間控制器發(fā)送開啟這幾塊田地電磁閥的命令，從而實現(xiàn)自動滴灌。

在田塊面積大，需要控制上百個電磁閥門的大規(guī)模灌溉區(qū)域，可將圖1部分連接傳感器的終端節(jié)點替換為路由節(jié)點，路由節(jié)點及終端節(jié)點均裝備傳感器。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡將由一個網(wǎng)關協(xié)調(diào)器節(jié)點、適當數(shù)目的路由器節(jié)點和多個終端節(jié)點組成，路由器和終端通過內(nèi)部程序進行設置，且在一定距離內(nèi)均可與網(wǎng)關直接通信。統(tǒng)采用休眠喚醒機制，實現(xiàn)了低功耗運行。

2 系統(tǒng)的硬件設計

硬件是無線控制系統(tǒng)的關鍵和基礎，它直接影響著整個系統(tǒng)的節(jié)能性、穩(wěn)定性、控制和反饋的準確性。

2.1 S3C6410網(wǎng)關

基于ARM1176JZF ?S 的16/32 位RSIC 微處理器S3C6410,是一款具有低成本、低功耗、高性能特點的應用處理器[2],它具有4 個UART 接口，支持DMA 和Inter?

rupt模式，按ZigBee協(xié)議實現(xiàn)無線傳輸功能和自組網(wǎng)功能。當網(wǎng)關系統(tǒng)上電時，作為協(xié)調(diào)器的ZigBee主節(jié)點啟動和建立無線網(wǎng)絡，當網(wǎng)絡建立后，負責接收終端控制節(jié)點(STM32田間控制器)返回的信息，發(fā)送相應的控制信息到各個田間控制器中。

2.2 基于ZigBee的CC2530無線收發(fā)模塊

ZigBee是基于IEEE 802.15.4協(xié)議的一個開放式的標準，具有低成本、低功耗、低速率的特點，可同時無線連接大量不同的電子設備。設計選用TI公司最新推出的CC2530芯片作為控制器的微處理器，它集成了一個高性能2.4 GHz直接序列擴頻射頻收發(fā)器、一個增強型單周期的8051 CPU 和一個DMA 控制器，具有8 KB 的SRAM、32/64/128 KB的片內(nèi)FLASH存儲器、2個支持多種串行通信協(xié)議的USART、8通道8?14位ADC、定時器和21個可編程的I/O引腳，具有寬電壓范圍(2~3.6 V)、低功耗和電源電量可監(jiān)控等特點[3].在ZigBee協(xié)議棧中UART 具有中斷、DMA 兩種模式，本文設計中均采用UART的中斷模式。

ZigBee通信板原理圖如圖2所示。

2.3 STM32田間控制器

由STMicroelectronics 的STM32 單片機與ZigBee 收發(fā)節(jié)點模塊組成。采用STM32F103VET6 閃存32 位微控制器。它基于突破性的ARM Cortex?M3內(nèi)核，工作頻率為72 MHz,內(nèi)部集成了高速存儲器(高達128 Kb 閃存和20 Kb SRAM)、通過APB 總線連接豐富增強的外設和I/O,另外包含了2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM 定時器，還包含標準和先進的通信接口：2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN.

由于設備集成了標準的通信接口，無需配置額外的組件，減少系統(tǒng)成本，為手持設備和一般類型應用提供了低價格、低功耗、高性能微控制器的解決方案。終端控制節(jié)點電路如圖3所示。

由于液位、壓力、流量傳感器均是4~20 mA模擬信號輸出設備，需要用模/數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再由STM32 單片機進行處理。本設計需要采集液位、壓力、流量等4~20 mA設備信息，所以設計4通道采集電路，如圖4所示。

3 系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)軟件主要任務是實現(xiàn)傳感器工作的控制、無線網(wǎng)絡的組網(wǎng)以及數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。系統(tǒng)軟件主要包括上位機軟件與下位機軟件。上位機軟件設計，主要是基于Visual C++的參數(shù)設置、數(shù)據(jù)采集、自動灌溉及查詢歷史記錄等的編程。下位機程序設計有兩個關鍵點：一是對溫濕度、液位、壓力、流量的采集，通過控制變頻器調(diào)節(jié)水泵或通過控制繼電器使得電磁閥開啟與閉合;二是ZigBee收發(fā)模塊對控制信號的接收、發(fā)送與執(zhí)行。

自動滴灌系統(tǒng)中，土壤濕度是一個重要變量。上位機通過無線方式向田間控制器發(fā)送采集命令，將接收到傳感器返回信息進行顯示并對濕度做排序處理、判斷液位是否過限、將壓力和流量傳感器得到的數(shù)據(jù)進行融合來調(diào)節(jié)變頻器，然后通過ZigBee通信板向田間控制器發(fā)送開啟或關閉電磁閥的指令。上位機主程序流程圖如圖5所示。[!--empirenews.page--]

傳感器節(jié)點上電后，首先進行系統(tǒng)的初始化，然后選擇信道并加入現(xiàn)有的ZigBee無線網(wǎng)絡，休眠等待接收信號，當接收到網(wǎng)關節(jié)點發(fā)出的查詢信號后，進行數(shù)據(jù)的采集并發(fā)送回協(xié)調(diào)器節(jié)點。

S3C6410 開發(fā)平臺具有4 個UART 接口，在研究設計中，采用了MAX3232 芯片來解決ZigBee通信模塊的CC2530芯片與該開發(fā)平臺之間的串口通信電平轉(zhuǎn)換。

ZigBee 無線收發(fā)模塊軟件開發(fā)采用IAR EmbeddedWorkbench(EW)平臺完成。EW的C/C++交叉編譯器和調(diào)試器是今天世界最完整的和最容易使用專業(yè)嵌入式應用開發(fā)工具。網(wǎng)關ZigBee程序流程圖見圖6.

基于STM32的田間控制器接收到上位機發(fā)來的采集命令，進而執(zhí)行采集土壤濕度、空氣溫度、液位、壓力、流量等信息并上傳，等待上位機進行智能決策后，將控制命令，如電磁閥開啟關閉以及變頻器的調(diào)節(jié)，發(fā)送出來，STM32控制器予以接收并且執(zhí)行。下位機程序流程圖如圖7所示。

4 實驗及結果分析

對各模塊進行驅(qū)動測試，然后對系統(tǒng)整體進行協(xié)同工作實驗。通過田間實驗觀測通信質(zhì)量、滴灌效果及系統(tǒng)是否運行正常。

4.1 CC2530無線通信質(zhì)量測試CC2530無線通信模塊性能對系統(tǒng)整體性能起著至關重要的作用。CC2530通信模塊的測試主要包括節(jié)點之間通信距離及數(shù)據(jù)包丟包率的測試。TI公司推出的通用數(shù)據(jù)包探測器(General Packet Sniffer)可以對未加密的通信過程進行監(jiān)控[4?6],故可利用它進行通信和組網(wǎng)測試。

(1)空曠無障礙測試，觀測通信質(zhì)量及通信距離

測試地點：校園空曠處。

測試內(nèi)容：協(xié)調(diào)器主節(jié)點上電，建立網(wǎng)絡后，等待其他子節(jié)點加入。通過在協(xié)議棧中配置CC2530單芯片射頻部分的輸出功率寄存器，來使協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點之間進行通信，按照規(guī)定的協(xié)議數(shù)據(jù)格式相互發(fā)送數(shù)據(jù)包，從而能夠?qū)C2530通信模塊的通信距離、數(shù)據(jù)包丟包率進行測試，得到一個合適的發(fā)射功率。

測試條件：硬件方面采用CC2530 協(xié)調(diào)器模塊和CC2530 終端節(jié)點模塊分別通過RS 232 協(xié)議與兩臺筆記本電腦進行串行通信;并使用到兩條USB轉(zhuǎn)串口數(shù)據(jù)線、電源、CC2530 仿真下載器。軟件方面采用設計的CC2530串口透傳程序能夠進行數(shù)據(jù)透明、點對點數(shù)據(jù)傳輸，筆記本電腦端采用Visual Basic編程語言設計的數(shù)據(jù)包丟包率測試軟件。

測試步驟：在搭建好硬件測試環(huán)境后，使用CC2530程序下載仿真器將在IAR Embedded Workbench集成開發(fā)環(huán)境下開發(fā)的CC2530 串行通信程序，分別下載到CC2530 協(xié)調(diào)器與CC2530 終端節(jié)點中。在筆記本電腦中分別安裝VB數(shù)據(jù)包丟包率測試軟件，通過對發(fā)送數(shù)據(jù)(十六進制)，發(fā)送數(shù)據(jù)的速度以及通過對NV非易失性存儲器的讀/寫操作對CC2530 芯片的發(fā)射功率進行設置，收發(fā)1 000個數(shù)據(jù)包，對CC2530通信模塊在不同的發(fā)射功率下的通信距離、丟包率等性能進行測試。

測試結果：在空曠場合采用默認功率輸出時，通信距離為120 m左右時丟包率基本為0.0%,說明節(jié)點無線可靠通信距離可達120 m。

(2)在實驗田中進行通信測試

測試地點：現(xiàn)場實驗田;測試內(nèi)容、測試條件、測試步驟：同(1);測試結果：采用默認功率輸出時，節(jié)點無線通信有效傳輸距離可達80 m.

4.2 項目實驗驗證測試條件：將網(wǎng)關上ZigBee天線安置在室外空曠無遮掩處，使得能夠接收到較強的信號。選取面積約為20 m×50 m的共12行的農(nóng)作物田作為實驗田，由于農(nóng)作物的根系一般深度為10~20 cm,因此將土壤溫濕度傳感器探頭埋入地下10 cm處，其中2行作為一組，每組選取兩個距離較遠的測試點，取兩個測試點的平均值來代表這一行范圍作物的環(huán)境狀況。當采集到的濕度值低于30%時，電磁閥打開，水源通過電磁閥、壓力傳感器、流量傳感器流入滴灌支管進行灌溉，滴灌進行中當土壤濕度值高于50%時，電磁閥關閉停止滴灌。

測試結果：在土壤濕度值低于作物要求下限(如30%)時系統(tǒng)能及時滴灌，當濕度達到作物要求上限(如50%)時系統(tǒng)能過做到適時停止滴灌，電磁閥開啟成功率為96%.

5 結論

本文提出的一種無線節(jié)水滴灌自動控制系統(tǒng)的設計方案，方案中的STM32田間控制器能夠?qū)崟r監(jiān)測作物土壤濕度和環(huán)境溫度，將傳感器信號通過無線發(fā)送到控制中心，控制中心能夠準確實時地了解到當前系統(tǒng)中各個節(jié)點的工作狀態(tài)，并及時啟動自動滴灌，非常有利于農(nóng)作物的生產(chǎn)。一旦出現(xiàn)通信中斷、水壓異常等，能夠及時地反映到控制中心，通過語音報警等方式立即通知相關人員進行維修，提高了整個系統(tǒng)的可靠性。另外系統(tǒng)采用ZigBee技術，網(wǎng)絡結構簡單，田間布設靈活，提高了自動灌溉的實用性及對水的使用效率，減小了勞動量、導線和管路敷設費用，且無需人為操作，能夠長期穩(wěn)定地工作，方便大面積安裝、維護和系統(tǒng)回收，為我國的精準農(nóng)業(yè)工程提供了強有力的工具。