基于MS10的田間無線精準灌溉系統(tǒng)

王 斌，孫培欽，龍 燕，朱德蘭,3

(1. 西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100；2. 西北農林科技大學機械與電子工程學院，陜西 楊凌 712100；3. 西北農林科技大學中國旱區(qū)節(jié)水農業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

農業(yè)一直在我國都具有特別的地位，是我國的立國之本[1]。從1978年起，我國農業(yè)的發(fā)展就不斷地出現(xiàn)奇跡。但我國農業(yè)水平對比于其他國家的農業(yè)水平仍有較大的差距，主要表現(xiàn)在： 農業(yè)生產經營規(guī)格小且分散，仍存在許多一家一戶的小農經濟； 農業(yè)自動化設施落后且不合理，特別在灌溉用水方面[2-4]。

進入21世紀以來，由于全世界各地出現(xiàn)的不同程度的缺水情況，灌溉用水的問題變得更加突出，農業(yè)自動化節(jié)水設備需求更加緊迫。特別是在我們國家，農業(yè)用水居我國用水第一位，不僅用量大而且用水效率十分之低，更嚴重的一個問題是我國是世界貧水國之一，人均水資源量遠低于世界平均水平且水資源分布不均[5-7]。節(jié)約農業(yè)用水成為我國目前較好的解決缺水問題的出路。雖然我國也研制了許多針對解決農業(yè)用水問題的設備，但這些系統(tǒng)都是基于研究目的或者是提供給大型農業(yè)生產廠商而言，而對于我國實際國情存在的小農戶的考慮實在是遠遠不足[8-10]。設備的價格一直居高不下，而且大部分還采用的是有線的形式，不利于設備的長期穩(wěn)定運行和推廣。

因此，本文提出一種系統(tǒng)專門用于解決我國存在的小農戶問題，主要特點在于使設備普及程度提高，簡單實用，價格低廉。該系統(tǒng)是基于MS10的田間無線灌溉系統(tǒng)，其采用上位機作為人機交互的界面，下位機是以單片機為核心的數(shù)據(jù)采集器，而通信通道使用的是基于ZigBee技術的CC2530搭建而成無線通信通道，目的在于節(jié)約布線成本。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)總體結構框圖見圖1。結構圖的頂端為一上位機監(jiān)控系統(tǒng)，主要用做人機交互界面；兩個CC2530模塊承擔起實現(xiàn)短距離無線通信的功能；STC單片機主要用做下位機的核心，完成計算數(shù)據(jù)、比較數(shù)據(jù)、給出控制信號和接收上位機傳輸數(shù)據(jù)等功能；加上一系列圍繞著單片機的外圍設備來實現(xiàn)所需的各種功能，如：MS10完成土壤墑情值的采集、水泵完成灌溉的任務、LCD1602完成顯示任務、報警模塊實現(xiàn)報警、電源模塊向下位機各個部分供電。

圖1 系統(tǒng)總體結構框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 傳感器選型

目前測量土壤墑情值的方法多種多樣，對于該方面的傳感器的推出也是層出不窮。本文采用的土壤墑情傳感器型號為MS10。在土壤墑情監(jiān)測傳感器中，主要分為了兩類：基于時域反射法(TDR)和頻域反射法(FDR)。MS10是根據(jù)FDR原理制作而成的，其對比TDR原理的產品有較多優(yōu)勢而且價格相對而言要便宜很多。該傳感器測量精度高，響應快，可長期埋入土壤中使用且可適用各種土質，有良好的環(huán)境變化適應能力。其主要技術參數(shù)如下：

(1)輸出信號：電壓輸出，0～2 V。

(2)供電電壓：5～24 V直流電壓。

(3)測量量程：0～100%容積含水率。

(4)測量精度：0～53%范圍內為±3%；53%～100%范圍內為±5%。

2.2 單片機(Micro Control Unit, MCU)模塊

作為整個下位機部分的核心，從圖2的MCU模塊圖中可以很清楚的看到，本系統(tǒng)設計采用了STC89LE52RC型號單片機，PDIP-40封裝。具有外部晶振電路和復位電路，晶振采用的12M有源晶振。本系統(tǒng)由于要為無線單片機CC2530進行供電和數(shù)據(jù)通信，所以專門加了一個4排的雙排針用于提供與外部CC2530進行電氣連接，而其余在整個下位機中有專用功能的引腳都不再引出端口，避免用戶錯誤操作造成不必要的損失，沒有使用的端口全部引出，以便進行擴展功能使用。

2.3 電源模塊

電源模塊的主體部分原理圖如圖3所示。本文的電源模塊以MP1484為核心，其為一個DC-DC的降壓芯片，外圍的器件較多，但可以根據(jù)其技術手冊進行配置。芯片的輸入電壓為12 V，下位機電路板上帶有一個12 V插座，用戶僅需購買一個插頭即可。外圍器件中R10和R11用來進行分壓獲得想轉換的電壓，S1為雙聯(lián)動開關，LED燈為電源指示燈。

圖2 MCU模塊

圖3 電源模塊原理圖

2.4 ADC/DAC轉換電路

如圖4所示的ADC/DAC轉換電路是本次設計中比較重要的一個電路，因為它的精度直接影響了測試的土壤墑情值的精度，從圖中的電路中可以發(fā)現(xiàn)PCF8951為該電路的核心芯片，其余外圍電容均為濾波電容起到保持電壓波形穩(wěn)定的作用，而對于P1這5個單排針，則是起到了一個用來靈活測電壓和輸出電壓的作用，可將想測得的電壓通過引線連接至P1或從P1將想輸出的電壓連接至目標處。

圖4 ADC/DAC轉換電路

2.5 驅動模塊

驅動模塊的原理圖如圖5所示。以光耦PC817為隔離器件進行強弱電隔離，以TIP122達林頓管為放大器件進行驅動功率的放大，以1N4007為續(xù)流二極管防止負載產生過大反向電壓。P7為接入電磁閥的兩個單排針，方便器件的靈活變換。

圖5 驅動模塊原理圖

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 系統(tǒng)運行流程設計

系統(tǒng)軟件設計流程如圖6所示。整個系統(tǒng)的運行過程簡單易操作，容易上手且可靠有效。首先，使用者登錄至上位機監(jiān)控系統(tǒng)主界面并同時給下位機上電，然后在主界面中設置串口參數(shù)并打開串口，在主界面的控制臺輸入土壤墑情的上下限，此時數(shù)據(jù)會經過無線通信傳輸和串口通信至單片機并存儲至單片機內。若想開始監(jiān)控，需用戶在上位機界面中點擊開始監(jiān)控按鈕，則單片機收到命令后開始對MS10的輸出數(shù)據(jù)進行定時采集并實時顯示，然后再與之前存入單片機的數(shù)據(jù)進行比較，判斷是否應驅動執(zhí)行機構并同時以無線通信將數(shù)據(jù)返回至上位機監(jiān)控界面上顯示，如此定時循環(huán)。

3.2 上位機監(jiān)控系統(tǒng)設計

整個上位機監(jiān)控系統(tǒng)是基于C#語言編寫而成。系統(tǒng)總共包括了5個界面，分別為：歡迎界面、登錄界面、管理員身份驗證界面、新用戶注冊界面、系統(tǒng)監(jiān)測與控制主界面。每個界面都有其各自的主要功能，現(xiàn)簡要介紹如下：①歡迎界面起到軟件啟動緩沖作用，并帶有軟件所屬、制作者等信息；②登錄界面是驗證用戶身份，與Access數(shù)據(jù)庫進行結合制成；③管理員身份驗證界面是為了防止非指定用戶隨意注冊賬號；④新用戶注冊界面完成用戶的信息錄入并同步更新數(shù)據(jù)庫；⑤系統(tǒng)監(jiān)測與控制主界面為整個系統(tǒng)的主體界面，其帶有監(jiān)控下位機采集數(shù)據(jù)功能、設置土壤上、下限、人為控制電磁閥關和閉以及一些常用功能如開啟及關閉監(jiān)控、查看歷史數(shù)據(jù)等。

圖6 系統(tǒng)運行流程圖

3.3 無線通信設計

兩個CC2530組成的無線數(shù)據(jù)通信通道，是基于ZigBee技術配合一定的硬件和軟件編程才能實現(xiàn)，該技術特別適用于短距離、低功耗、價格便宜的場合。其采用的編程平臺為IAR Embedded Workbench ，編程語言仍是采用C語言，但優(yōu)點在于它可以結合硬件進行仿真，便于發(fā)現(xiàn)問題所在。

串口通信是為了實現(xiàn)兩個CC2530分別與上、下位機之間的通信而搭建的橋梁。其上位機通信的參數(shù)設置與默認時一致，與下位機進行通信為了使通信更為可靠，防止整個系統(tǒng)由于通信錯誤造成的死機，采用了降低波特率措施，使波特率從9 600 bps到2 400 bps。

4 系統(tǒng)總體測試

4.1 實驗平臺搭建

在實驗室為本系統(tǒng)搭建了如圖7所示的上位機實驗平臺和如圖8所示的下位機實驗平臺，上位機實驗平臺主要由上位機工控機和一個CC2530開發(fā)板組成；下位機仿真平臺主要由兩個開關電源和一個單片機開發(fā)板以及電磁閥、面包板和傳感器還有裝有土壤的盒子組成。

圖7 上位機實驗平臺

圖8 下位機實驗平臺

4.2 實驗測試

土壤烘干法是目前所有測試土壤墑情值當中最為準確的一個方法。為驗證本系統(tǒng)測試土壤墑情值的精度，特意與土壤烘干法做了一個對比測試，檢測其相關度。測試結果如表1所示。對比測試表明，本系統(tǒng)與土壤烘干法所測值有較高的相關系數(shù)值，驗證了本系統(tǒng)具有較高的精度。

表1 實驗對比測試

5 結 語

針對我國中小農民的農田，研制了一個能實時監(jiān)測土壤墑情值和控制土壤墑情在一定范圍內的精準灌溉控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有友好的人機交互界面，能夠可靠的在一定范圍內進行無線通信，而且通過采用無線節(jié)約了布線成本。該系統(tǒng)由于采用基于ZigBee技術的CC2530，整個系統(tǒng)功耗較為低，大大提高了采用電池的系統(tǒng)續(xù)航能力。系統(tǒng)采用較為常見普遍的芯片和器件構成，造價大大降低，具有較好的推廣應用價值。

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