基于STM32和S3C6410的無(wú)線(xiàn)節水滴灌自動(dòng)控制系統

3 系統的軟件設計

系統軟件主要任務(wù)是實(shí)現傳感器工作的控制、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的組網(wǎng)以及數據的無(wú)線(xiàn)收發(fā)。系統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++的參數設置、數據采集、自動(dòng)灌溉及查詢(xún)歷史記錄等的編程。下位機程序設計有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：一是對溫濕度、液位、壓力、流量的采集，通過(guò)控制變頻器調節水泵或通過(guò)控制繼電器使得電磁閥開(kāi)啟與閉合;二是ZigBee收發(fā)模塊對控制信號的接收、發(fā)送與執行。

自動(dòng)滴灌系統中，土壤濕度是一個(gè)重要變量。上位機通過(guò)無(wú)線(xiàn)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(jìn)行顯示并對濕度做排序處理、判斷液位是否過(guò)限、將壓力和流量傳感器得到的數據進(jìn)行融合來(lái)調節變頻器，然后通過(guò)ZigBee通信板向田間控制器發(fā)送開(kāi)啟或關(guān)閉電磁閥的指令。上位機主程序流程圖如圖5所示。

傳感器節點(diǎn)上電后，首先進(jìn)行系統的初始化，然后選擇信道并加入現有的ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，休眠等待接收信號，當接收到網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)發(fā)出的查詢(xún)信號后，進(jìn)行數據的采集并發(fā)送回協(xié)調器節點(diǎn)。

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

ZigBee 無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊軟件開(kāi)發(fā)采用IAR EmbeddedWorkbench(EW)平臺完成。EW的C/C++交叉編譯器和調試器是今天世界最完整的和最容易使用專(zhuān)業(yè)嵌入式應用開(kāi)發(fā)工具。網(wǎng)關(guān)ZigBee程序流程圖見(jiàn)圖6.

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

4 實(shí)驗及結果分析

對各模塊進(jìn)行驅動(dòng)測試，然后對系統整體進(jìn)行協(xié)同工作實(shí)驗。通過(guò)田間實(shí)驗觀(guān)測通信質(zhì)量、滴灌效果及系統是否運行正常。

4.1 CC2530無(wú)線(xiàn)通信質(zhì)量測試CC2530無(wú)線(xiàn)通信模塊性能對系統整體性能起著(zhù)至關(guān)重要的作用。CC2530通信模塊的測試主要包括節點(diǎn)之間通信距離及數據包丟包率的測試。TI公司推出的通用數據包探測器(General Packet Sniffer)可以對未加密的通信過(guò)程進(jìn)行監控，故可利用它進(jìn)行通信和組網(wǎng)測試。

(1)空曠無(wú)障礙測試，觀(guān)測通信質(zhì)量及通信距離

測試地點(diǎn)：校園空曠處。

測試內容：協(xié)調器主節點(diǎn)上電，建立網(wǎng)絡(luò )后，等待其他子節點(diǎn)加入。通過(guò)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(lái)使協(xié)調器和終端節點(diǎn)之間進(jìn)行通信，按照規定的協(xié)議數據格式相互發(fā)送數據包，從而能夠對CC2530通信模塊的通信距離、數據包丟包率進(jìn)行測試，得到一個(gè)合適的發(fā)射功率。

測試條件：硬件方面采用CC2530 協(xié)調器模塊和CC2530 終端節點(diǎn)模塊分別通過(guò)RS 232 協(xié)議與兩臺筆記本電腦進(jìn)行串行通信;并使用到兩條USB轉串口數據線(xiàn)、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(jìn)行數據透明、點(diǎn)對點(diǎn)數據傳輸，筆記本電腦端采用Visual Basic編程語(yǔ)言設計的數據包丟包率測試軟件。

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(kāi)發(fā)環(huán)境下開(kāi)發(fā)的CC2530 串行通信程序，分別下載到CC2530 協(xié)調器與CC2530 終端節點(diǎn)中。在筆記本電腦中分別安裝VB數據包丟包率測試軟件，通過(guò)對發(fā)送數據(十六進(jìn)制)，發(fā)送數據的速度以及通過(guò)對NV非易失性存儲器的讀/寫(xiě)操作對 CC2530 芯片的發(fā)射功率進(jìn)行設置，收發(fā)1 000個(gè)數據包，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(jìn)行測試。

測試結果：在空曠場(chǎng)合采用默認功率輸出時(shí)，通信距離為120 m左右時(shí)丟包率基本為0.0%，說(shuō)明節點(diǎn)無(wú)線(xiàn)可靠通信距離可達120 m。

(2)在實(shí)驗田中進(jìn)行通信測試

測試地點(diǎn)：現場(chǎng)實(shí)驗田;測試內容、測試條件、測試步驟：同(1);測試結果：采用默認功率輸出時(shí)，節點(diǎn)無(wú)線(xiàn)通信有效傳輸距離可達80 m.

4.2 項目實(shí)驗驗證測試條件：將網(wǎng)關(guān)上ZigBee天線(xiàn)安置在室外空曠無(wú)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行的農作物田作為實(shí)驗田，由于農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(gè)距離較遠的測試點(diǎn)，取兩個(gè)測試點(diǎn)的平均值來(lái)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(shí)，電磁閥打開(kāi)，水源通過(guò)電磁閥、壓力傳感器、流量傳感器流入滴灌支管進(jìn)行灌溉，滴灌進(jìn)行中當土壤濕度值高于50%時(shí)，電磁閥關(guān)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(shí)系統能及時(shí)滴灌，當濕度達到作物要求上限(如50%)時(shí)系統能過(guò)做到適時(shí)停止滴灌，電磁閥開(kāi)啟成功率為96%.

5 結論

本文提出的一種無(wú)線(xiàn)節水滴灌自動(dòng)控制系統的設計方案，方案中的STM32田間控制器能夠實(shí)時(shí)監測作物土壤濕度和環(huán)境溫度，將傳感器信號通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)送到控制中心，控制中心能夠準確實(shí)時(shí)地了解到當前系統中各個(gè)節點(diǎn)的工作狀態(tài)，并及時(shí)啟動(dòng)自動(dòng)滴灌，非常有利于農作物的生產(chǎn)。一旦出現通信中斷、水壓異常等，能夠及時(shí)地反映到控制中心，通過(guò)語(yǔ)音報警等方式立即通知相關(guān)人員進(jìn)行維修，提高了整個(gè)系統的可靠性。另外系統采用ZigBee技術(shù)，網(wǎng)絡(luò )結構簡(jiǎn)單，田間布設靈活，提高了自動(dòng)灌溉的實(shí)用性及對水的使用效率，減小了勞動(dòng)量、導線(xiàn)和管路敷設費用，且無(wú)需人為操作，能夠長(cháng)期穩定地工作，方便大面積安裝、維護和系統回收，為我國的精準農業(yè)工程提供了強有力的工具。