一种无线节水滴灌自动控制系统的设计方案

本方案利用ZigBee无线传感器网络的自组网特点，采用星型网络拓扑结构，实时监控多块田地的土壤温湿度变化，通过反馈传感信号，对滴灌动作进行精准判断和控制。田间试验期间测得土壤湿度最小值为30%,最大值为70%,处于理想范围内。实验结果表明，该方案所设计的系统能够实现滴灌自动控制，且性能良好，具有灵活性强、安全可靠、低功耗、低成本。

0 引言

随着人口的增长和农业的发展，随着全球变暖造成的干旱问题日益严重，世界水资源的需求量越来越大，水资源紧缺已成为全世界人民共同关注的问题。滴灌技术是通过干管、支管和毛管上的滴头，在低压下向土壤经常缓慢滴水，可直接向土壤供应已过滤的水分、肥料或其他化学剂等的一种实用技术。大田自动滴灌技术具有大幅度提高水的利用率、减少土壤结构破坏、改善生态环境、提高经济效益的作用，是一种高效节水的新型灌溉技术，目前已经成为实施高效、精准灌溉的重要水资源管理技术措施。近年来，随着无线信息传输技术的发展，ZigBee 无线网络以其低成本、低功耗、低速率、近距离、短延时、高安全等特点，在现代农业发展中得到高度关注[1].本设计将传感器技术、STM32F103VET6单片机、ZigBee无线通信技术相结合，提出了一种节水滴灌自动控制系统的设计方法，并开发了基于STM32的田间控制器。系统针对不同农作物在不同生长时期对水分的需求情况，依据土壤湿度与环境温度，能够与基于S3C6410 开发平台的网关通过ZigBee无线网络进行通信，由田间控制器精准科学地控制灌水位置、灌水时间、灌水量、灌水质量，实现了农作物的适时自动滴灌，为作物生长提供良好的条件。系统为实现大面积农田的统一调度管理提供了基础，是一种理想节水滴灌解决方案。

1 系统总体设计

1.1 系统的拓扑结构

系统采用无线传感网自组网的星型网络拓扑结构，总体组成如图1所示，由上位机、S3C6410网关(网络协调器节点)、CC2530 无线收发模块(ZigBee 通信模块)、终端控制节点以及执行机构组成.

采用一台式计算机作为上位机，负责接收传感器上传的数据、存储、分析并做出相应的智能滴灌决策。

S3C6410网关是整个网络的协调器，负责自动搜寻网络中的终端节点，组织无线网络，并从终端节点取得上位机需要的数据，实现终端节点与上位机之间的通信。网关与终端控制节点通过基于ZigBee的CC2530无线收发模块进行组网通信，由一个网络协调器用的主机模块和若干个从机终端模块组成。终端控制节点是基于STM32的田间控制器，田间控制器(1)放在主管道上，配有液位传感器、压力传感器及流量传感器，执行机构是调节水压大小的变频器。田间控制器(2)~田间控制器(n)完全相同，放在每块田地里，配有SHT11 土壤温湿度传感器，一个终端节点模块可以根据需要连接多个测温湿度的探头，执行机构是控制滴灌开闭的电磁阀。

另外，出于对农田的分散性和成本的考虑，由太阳能光伏供电系统对终端控制节点提供电源。

1.2系统的工作原理

上位机发送采集指令，经由S3C6410 网关，利用CC2530 无线收发模块将指令发送给基于STM32 的田间控制器;各传感器节点将检测到的数据上传到STM32 田间控制器，然后由它通过CC2530无线收发模块同样经由网关将数据发送到上位机中;上位机对接收到的数据进行智能处理和决策，例如对湿度值进行排序、得到湿度值较小的几块田地，并据此对STM32田间控制器发送开启这几块田地电磁阀的命令，从而实现自动滴灌。

在田块面积大，需要控制上百个电磁阀门的大规模灌溉区域，可将图1部分连接传感器的终端节点替换为路由节点，路由节点及终端节点均装备传感器。ZigBee无线传感网络将由一个网关协调器节点、适当数目的路由器节点和多个终端节点组成，路由器和终端通过内部程序进行设置，且在一定距离内均可与网关直接通信。统采用休眠唤醒机制，实现了低功耗运行。

2 系统的硬件设计

硬件是无线控制系统的关键和基础，它直接影响着整个系统的节能性、稳定性、控制和反馈的准确性。

2.1 S3C6410网关

基于ARM1176JZF ?S 的16/32 位RSIC 微处理器S3C6410,是一款具有低成本、低功耗、高性能特点的应用处理器[2],它具有4 个UART 接口，支持DMA 和Inter?

rupt模式，按ZigBee协议实现无线传输功能和自组网功能。当网关系统上电时，作为协调器的ZigBee主节点启动和建立无线网络，当网络建立后，负责接收终端控制节点(STM32田间控制器)返回的信息，发送相应的控制信息到各个田间控制器中。

2.2 基于ZigBee的CC2530无线收发模块

ZigBee是基于IEEE 802.15.4协议的一个开放式的标准，具有低成本、低功耗、低速率的特点，可同时无线连接大量不同的电子设备。设计选用TI公司最新推出的CC2530芯片作为控制器的微处理器，它集成了一个高性能2.4 GHz直接序列扩频射频收发器、一个增强型单周期的8051 CPU 和一个DMA 控制器，具有8 KB 的SRAM、32/64/128 KB的片内FLASH存储器、2个支持多种串行通信协议的USART、8通道8?14位ADC、定时器和21个可编程的I/O引脚，具有宽电压范围(2~3.6 V)、低功耗和电源电量可监控等特点[3].在ZigBee协议栈中UART 具有中断、DMA 两种模式，本文设计中均采用UART的中断模式。

ZigBee通信板原理图如图2所示。

2.3 STM32田间控制器

由STMicroelectronics 的STM32 单片机与ZigBee 收发节点模块组成。采用STM32F103VET6 闪存32位微控制器。它基于突破性的ARM Cortex?M3内核，工作频率为72 MHz,内部集成了高速存储器(高达128 Kb 闪存和20 Kb SRAM)、通过APB 总线连接丰富增强的外设和I/O,另外包含了2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM 定时器，还包含标准和先进的通信接口：2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN.

由于设备集成了标准的通信接口，无需配置额外的组件，减少系统成本，为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能微控制器的解决方案。终端控制节点电路如图3所示。

由于液位、压力、流量传感器均是4~20 mA模拟信号输出设备，需要用模/数转换器将模拟信号转换为数字信号，再由STM32 单片机进行处理。本设计需要采集液位、压力、流量等4~20 mA设备信息，所以设计4通道采集电路，如图4所示。