基于STM32和S3C6410的無線節(jié)水滴灌自動(dòng)控制系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)適量的精準(zhǔn)滴灌，本文提出了一種基于S3C6410和STM32的無線節(jié)水滴灌自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)特點(diǎn)，采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)監(jiān)控多塊田地的土壤溫濕度變化，通過反饋傳感信號，對滴灌動(dòng)作進(jìn)行精準(zhǔn)判斷和控制。田間試驗(yàn)期間測得土壤濕度最小值為30%，最大值為70%，處于理想范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方案所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)滴灌自動(dòng)控制，且性能良好，具有靈活性強(qiáng)、安全可靠、低功耗、低成本。

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(yán)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(guān)注的問題。滴灌技術(shù)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(yīng)已過濾的水分、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(jié)構(gòu)破壞、改善生態(tài)環(huán)境、提高經(jīng)濟(jì)效益的作用，是一種高效節(jié)水的新型灌溉技術(shù)，目前已經(jīng)成為實(shí)施高效、精準(zhǔn)灌溉的重要水資源管理技術(shù)措施。近年來，隨著無線信息傳輸技術(shù)的發(fā)展，ZigBee 無線網(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(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中得到高度關(guān)注。本設(shè)計(jì)將傳感器技術(shù)、 STM32F103VET6單片機(jī)、 ZigBee無線通信技術(shù)相結(jié)合，提出了一種節(jié)水滴灌自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(shí)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(guān)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，由田間控制器精準(zhǔn)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(xiàn)了農(nóng)作物的適時(shí)自動(dòng)滴灌，為作物生長提供良好的條件。系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)大面積農(nóng)田的統(tǒng)一調(diào)度管理提供了基礎(chǔ)，是一種理想節(jié)水滴灌解決方案。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用無線傳感網(wǎng)自組網(wǎng)的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，總體組成如圖1所示，由上位機(jī)、S3C6410網(wǎng)關(guān)(網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn))、CC2530 無線收發(fā)模塊(ZigBee 通信模塊)、終端控制節(jié)點(diǎn)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。

采用一臺式計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，負(fù)責(zé)接收傳感器上傳的數(shù)據(jù)、存儲、分析并做出相應(yīng)的智能滴灌決策。

S3C6410網(wǎng)關(guān)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)自動(dòng)搜尋網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點(diǎn)，組織無線網(wǎng)絡(luò)，并從終端節(jié)點(diǎn)取得上位機(jī)需要的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間的通信。網(wǎng)關(guān)與終端控制節(jié)點(diǎn)通過基于ZigBee的CC2530無線收發(fā)模塊進(jìn)行組網(wǎng)通信，由一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器用的主機(jī)模塊和若干個(gè)從機(jī)終端模塊組成。終端控制節(jié)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(zhí)行機(jī)構(gòu)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(gè)終端節(jié)點(diǎn)模塊可以根據(jù)需要連接多個(gè)測溫濕度的探頭，執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(diǎn)提供電源。

1.2系統(tǒng)的工作原理

上位機(jī)發(fā)送采集指令，經(jīng)由S3C6410 網(wǎng)關(guān)，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(diǎn)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(guān)將數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)中;上位機(jī)對接收到的數(shù)據(jù)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(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(shí)現(xiàn)自動(dòng)滴灌。

在田塊面積大，需要控制上百個(gè)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(diǎn)替換為路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)及終端節(jié)點(diǎn)均裝備傳感器。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)將由一個(gè)網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、適當(dāng)數(shù)目的路由器節(jié)點(diǎn)和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成，路由器和終端通過內(nèi)部程序進(jìn)行設(shè)置，且在一定距離內(nèi)均可與網(wǎng)關(guān)直接通信。統(tǒng)采用休眠喚醒機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了低功耗運(yùn)行。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

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

2.1 S3C6410網(wǎng)關(guān)

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(diǎn)的應(yīng)用處理器，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(xiàn)無線傳輸功能和自組網(wǎng)功能。當(dāng)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)上電時(shí)，作為協(xié)調(diào)器的ZigBee主節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)和建立無線網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)建立后，負(fù)責(zé)接收終端控制節(jié)點(diǎn)(STM32田間控制器)返回的信息，發(fā)送相應(yīng)的控制信息到各個(gè)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(gè)開放式的標(biāo)準(zhǔn)，具有低成本、低功耗、低速率的特點(diǎn)，可同時(shí)無線連接大量不同的電子設(shè)備。設(shè)計(jì)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(kuò)頻射頻收發(fā)器、一個(gè)增強(qiáng)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(nèi)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(jiān)控等特點(diǎn)。在ZigBee協(xié)議棧中UART 具有中斷、DMA 兩種模式，本文設(shè)計(jì)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(jī)與ZigBee 收發(fā)節(jié)點(diǎn)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(dá)128 Kb 閃存和20 Kb SRAM)、通過APB 總線連接豐富增強(qiáng)的外設(shè)和I/O，另外包含了2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM 定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN.

由于設(shè)備集成了標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備和一般類型應(yīng)用提供了低價(jià)格、低功耗、高性能微控制器的解決方案。終端控制節(jié)點(diǎn)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(shè)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(jī)進(jìn)行處理。本設(shè)計(jì)需要采集液位、壓力、流量等4~20 mA設(shè)備信息，所以設(shè)計(jì)4通道采集電路，如圖4所示。