一種無(wú)線(xiàn)節水滴灌自動(dòng)控制系統的設計方案

　　0 引言

　　隨著(zhù)人口的增長(cháng)和農業(yè)的發(fā)展，隨著(zhù)全球變暖造成的干旱問(wèn)題日益嚴重，世界水資源的需求量越來(lái)越大，水資源緊缺已成為全世界人民共同關(guān)注的問(wèn)題。滴灌技術(shù)是通過(guò)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(guò)濾的水分、肥料或其他化學(xué)劑等的一種實(shí)用技術(shù)。大田自動(dòng)滴灌技術(shù)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，是一種高效節水的新型灌溉技術(shù)，目前已經(jīng)成為實(shí)施高效、精準灌溉的重要水資源管理技術(shù)措施。近年來(lái)，隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)信息傳輸技術(shù)的發(fā)展，ZigBee 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )以其低成本、低功耗、低速率、近距離、短延時(shí)、高安全等特點(diǎn)，在現代農業(yè)發(fā)展中得到高度關(guān)注[1].本設計將傳感器技術(shù)、STM32F103VET6單片機、ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)相結合，提出了一種節水滴灌自動(dòng)控制系統的設計方法，并開(kāi)發(fā)了基于STM32的田間控制器。系統針對不同農作物在不同生長(cháng)時(shí)期對水分的需求情況，依據土壤濕度與環(huán)境溫度，能夠與基于S3C6410 開(kāi)發(fā)平臺的網(wǎng)關(guān)通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信，由田間控制器精準科學(xué)地控制灌水位置、灌水時(shí)間、灌水量、灌水質(zhì)量，實(shí)現了農作物的適時(shí)自動(dòng)滴灌，為作物生長(cháng)提供良好的條件。系統為實(shí)現大面積農田的統一調度管理提供了基礎，是一種理想節水滴灌解決方案。

　　1 系統總體設計

　　1.1 系統的拓撲結構

　　系統采用無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)自組網(wǎng)的星型網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，總體組成如圖1所示，由上位機、S3C6410網(wǎng)關(guān)（網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器節點(diǎn)）、CC2530 無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊（ZigBee 通信模塊）、終端控制節點(diǎn)以及執行機構組成.

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

　　S3C6410網(wǎng)關(guān)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的協(xié)調器，負責自動(dòng)搜尋網(wǎng)絡(luò )中的終端節點(diǎn)，組織無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，并從終端節點(diǎn)取得上位機需要的數據，實(shí)現終端節點(diǎn)與上位機之間的通信。網(wǎng)關(guān)與終端控制節點(diǎn)通過(guò)基于ZigBee的CC2530無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊進(jìn)行組網(wǎng)通信，由一個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器用的主機模塊和若干個(gè)從機終端模塊組成。終端控制節點(diǎn)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，執行機構是調節水壓大小的變頻器。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(gè)終端節點(diǎn)模塊可以根據需要連接多個(gè)測溫濕度的探頭，執行機構是控制滴灌開(kāi)閉的電磁閥。

　　另外，出于對農田的分散性和成本的考慮，由太陽(yáng)能光伏供電系統對終端控制節點(diǎn)提供電源。

　　1.2系統的工作原理

　　上位機發(fā)送采集指令，經(jīng)由S3C6410 網(wǎng)關(guān)，利用CC2530 無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊將指令發(fā)送給基于STM32 的田間控制器；各傳感器節點(diǎn)將檢測到的數據上傳到STM32 田間控制器，然后由它通過(guò)CC2530無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊同樣經(jīng)由網(wǎng)關(guān)將數據發(fā)送到上位機中；上位機對接收到的數據進(jìn)行智能處理和決策，例如對濕度值進(jìn)行排序、得到濕度值較小的幾塊田地，并據此對STM32田間控制器發(fā)送開(kāi)啟這幾塊田地電磁閥的命令，從而實(shí)現自動(dòng)滴灌。

　　在田塊面積大，需要控制上百個(gè)電磁閥門(mén)的大規模灌溉區域，可將圖1部分連接傳感器的終端節點(diǎn)替換為路由節點(diǎn)，路由節點(diǎn)及終端節點(diǎn)均裝備傳感器。ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )將由一個(gè)網(wǎng)關(guān)協(xié)調器節點(diǎn)、適當數目的路由器節點(diǎn)和多個(gè)終端節點(diǎn)組成，路由器和終端通過(guò)內部程序進(jìn)行設置，且在一定距離內均可與網(wǎng)關(guān)直接通信。統采用休眠喚醒機制，實(shí)現了低功耗運行。

　　2 系統的硬件設計

　　硬件是無(wú)線(xiàn)控制系統的關(guān)鍵和基礎，它直接影響著(zhù)整個(gè)系統的節能性、穩定性、控制和反饋的準確性。

　　2.1 S3C6410網(wǎng)關(guān)

　　基于A(yíng)RM1176JZF ?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(diǎn)的應用處理器[2],它具有4 個(gè)UART 接口，支持DMA 和Inter?

　　rupt模式，按ZigBee協(xié)議實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳輸功能和自組網(wǎng)功能。當網(wǎng)關(guān)系統上電時(shí)，作為協(xié)調器的ZigBee主節點(diǎn)啟動(dòng)和建立無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，當網(wǎng)絡(luò )建立后，負責接收終端控制節點(diǎn)（STM32田間控制器）返回的信息，發(fā)送相應的控制信息到各個(gè)田間控制器中。

　　2.2 基于ZigBee的CC2530無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊

　　ZigBee是基于IEEE 802.15.4協(xié)議的一個(gè)開(kāi)放式的標準，具有低成本、低功耗、低速率的特點(diǎn)，可同時(shí)無(wú)線(xiàn)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(gè)高性能2.4 GHz直接序列擴頻射頻收發(fā)器、一個(gè)增強型單周期的8051 CPU 和一個(gè)DMA 控制器，具有8 KB 的SRAM、32/64/128 KB的片內FLASH存儲器、2個(gè)支持多種串行通信協(xié)議的USART、8通道8?14位ADC、定時(shí)器和21個(gè)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控等特點(diǎn)[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。