為實現(xiàn)實時適量的精準滴灌，本文提出了一種基于S3C6410和STM32的無線節(jié)水滴灌自動控制系統(tǒng)的設計方案。該方案利用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的自組網(wǎng)特點，采用星型網(wǎng)絡拓撲結構，實時監(jiān)控多塊田地的土壤溫濕度變化，通過反饋傳感信號，對滴灌動作進行精準判斷和控制。田間試驗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。實驗結果表明，該方案所設計的系統(tǒng)能夠實現(xiàn)滴灌自動控制，且性能良好，具有靈活性強、安全可靠、低功耗、低成本。

0 引言

隨著人口的增長和農業(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)代農業(yè)發(fā)展中得到高度關注。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、灌水質量，實現(xiàn)了農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)大面積農田的統(tǒng)一調度管理提供了基礎，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部程序進行設置，且在一定距離內均可與網(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，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。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內核，工作頻率為72 MHz，內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)轉換器將模擬信號轉換為數(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。