基于STM32和ZigBee的農業(yè)大田精準滴灌系統(tǒng)設計

趙正軍　王福平　李瑞　辛緒棟

摘要：隨著寧夏乃至我國西北干旱地區(qū)農業(yè)大田滴灌技術的逐步推廣，提出了一種基于STM32和ZigBee低功耗無線網(wǎng)絡的現(xiàn)代農業(yè)大田精準滴灌系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的總體設計方案，詳細闡釋了系統(tǒng)的硬件與軟件設計方法，整個系統(tǒng)由主控中心、終端節(jié)點、ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡、控制模型和決策系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、太陽能供電系統(tǒng)、人機界面等組成。根據(jù)應用結果，系統(tǒng)實現(xiàn)了大田有針對性精準化灌溉并取得了較好的節(jié)水效果，在我國西北地區(qū)有較大的推廣價值。

關鍵詞：STM32;ZigBee;物聯(lián)網(wǎng);滴灌系統(tǒng);農業(yè)大田節(jié)水;智能自動化

中圖分類號： S126;S274.2文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）09-0243-05

隨著經濟的發(fā)展，我國北部特別是西北地區(qū)的水資源短缺問題越來越顯著。在水資源的消耗過程中，農業(yè)用水的占比最大，而目前我國農業(yè)用水效率普遍不高，具有很大的節(jié)水空間[1]。近年來，西北地區(qū)大力發(fā)展節(jié)水灌溉技術，以寧夏地區(qū)為例，滴灌技術被重點推廣，政府對農民購置滴灌帶設備的費用進行直接補貼[2]。然而在滴灌的實際應用過程中，通常在鋪設好滴灌帶后，須要對農作物進行灌溉時僅僅是通過1個總進水閥門的開關和對田間墑情的簡單判斷來決定是否灌溉以及灌溉時間，仍然是一種較為粗放的灌溉模式，缺乏科學性和針對性，自動化程度不高。針對這種特點，結合嵌入式技術和物聯(lián)網(wǎng)技術，使用STM32微控制器和ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡設計了一套農業(yè)大田精準滴灌系統(tǒng)，可以實現(xiàn)農業(yè)大田墑情實時監(jiān)測，通過運行于STM32中的控制模型和決策算法可實現(xiàn)自動化智能化灌溉。由于該系統(tǒng)可以精確控制灌溉用水量，避免了對水資源的浪費，同時可實現(xiàn)按需定量精準化灌溉，全部過程由STM32微控制器自動完成，節(jié)省了勞動力投入，降低了農業(yè)生產成本。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 系統(tǒng)工作原理

基于STM32和ZigBee的農業(yè)大田精準滴灌系統(tǒng)由智能灌溉與實時監(jiān)測兩部分組成，對整個農業(yè)大田進行分塊鋪設滴灌帶，每塊田地共用1根進水管，進水管前端連接電磁閥門。通過分布在地塊中的終端節(jié)點掛載的傳感器，對每塊農田的各種參數(shù)如地表溫度、地表濕度、田間光照、田間風向和風速、土壤濕度等參數(shù)進行檢測，將得到的數(shù)據(jù)經由ZigBee無線網(wǎng)絡傳送給主控中心，主控處理器STM32將接收到的數(shù)據(jù)進行分析處理后，在人機界面上進行實時顯示，同時結合設定的灌溉模型和灌溉策略，決定相應地塊是否灌溉以及灌溉時長。如此往復執(zhí)行，從而把所有地塊的土壤濕度控制在農作物適宜生長的范圍內。地塊是否灌溉取決于當前地塊的各項環(huán)境參數(shù)并結合控制模型，經決策系統(tǒng)綜合后決定。整個過程由主控中心處理器STM32自動控制，避免了人工定期灌溉中存在的灌溉不足或過量灌溉問題。由于西北地區(qū)多為沙化土地，土壤水分蒸發(fā)現(xiàn)象嚴重，人工定期灌溉中還存在著灌溉分布不合理、灌溉不及時、墑情判斷不準確、容易浪費水的缺點，系統(tǒng)針對不同地塊的不同情況，進行有針對性灌溉，使灌溉分布均勻，保證灌溉能夠及時高效。

1.2 系統(tǒng)結構

整個農田精準滴灌系統(tǒng)結構如圖1所示，它主要由電磁閥門、終端節(jié)點、協(xié)調器、傳感器、主控中心、太陽能供電、人機界面等組成。主控中心處理器采用意法半導體公司的STM32芯片來實現(xiàn)數(shù)據(jù)運算處理以及模型參照、命令決策功能。引出STM32的TTL串口經轉換芯片轉換為RS232接口連接1塊7英寸（17.78 cm） TFT LCD觸摸屏，用于實時參數(shù)顯示和控制參數(shù)設置。選用德州儀器公司的集成了增強型8051單片機內核的CC2530芯片，實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡終端節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點的功能。CC2530支持Z-STACK協(xié)議棧用于ZigBee協(xié)議無線網(wǎng)絡組建與數(shù)據(jù)傳輸。在終端節(jié)點上掛載RS485總線型土壤濕度傳感器用于土壤濕度參數(shù)檢測，通過CC2530的IO口連接光藕元件和繼電器用于控制灌溉電磁閥門開閉。終端節(jié)點上同時掛載空氣溫濕度傳感器、光照度傳感器、風向與風速傳感器，采集各項地表環(huán)境參數(shù)交由主控處理器STM32進行多因素判斷。協(xié)調器節(jié)點主要負責ZigBee無線組網(wǎng)以及STM32與ZigBee網(wǎng)絡間的數(shù)據(jù)命令收發(fā)中轉。

2 農田精準滴灌系統(tǒng)設計

2.1 農田精準滴灌系統(tǒng)硬件設計

農田精準滴灌系統(tǒng)硬件設計分為2部分，分別為終端節(jié)點和主控中心設計。其中，終端節(jié)點采用CC2530F256作為主控制芯片，用于構建符合IEEE 802.15.4協(xié)議標準的ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡。CC2530芯片上自帶RF收發(fā)器，內部運行8051內核MCU，工作功耗極低，通過CC2591功率放大器和2.4GHz全向天線，可以實現(xiàn)遠距離無線信號傳輸。節(jié)點通過CC2530實現(xiàn)邏輯控制和ZigBee無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸功能，節(jié)點采集農業(yè)大田中各項傳感器參數(shù)，傳感器分別是RS485總線型土壤濕度傳感器、DHT11數(shù)字式單總線溫濕度傳感器、MAX44009數(shù)字式IIC接口光照度傳感器、RS485型風向風速傳感器。土壤濕度傳感器用于檢測大田土壤含水量，DHT11溫濕度傳感器用于檢測大田地表空氣溫濕度，光照度傳感器用于檢測大田地表光照度，風向風速傳感器用于檢測大田地表的風向和風力大小。各項傳感器數(shù)據(jù)傳給主控中心STM32，在決策系統(tǒng)中，土壤濕度信息用于判斷大田是否須要灌水;地表溫濕度信息用于了解大田地表情況，用作判斷是否進行灌水的輔助因素，如當?shù)乇砜諝鉂穸容^大時，應適當減少灌水量;地表光照度信息用于間接判斷農作物的光合作用和蒸騰作用強度，當蒸騰作用較強時可適當補水;風向風速信息用于判斷風力大小，在刮大風的天氣停止灌溉，以免土壤松散農作物被風吹起。終端節(jié)點同時完成ZigBee無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳送以及控制打開或關閉灌溉電磁閥門的任務。

主控中心是整個系統(tǒng)的核心，通過主控處理器STM32控制著整個系統(tǒng)工作過程中的各個步驟。對接收到的各種傳感器數(shù)據(jù)，經過主控中心STM32的處理后，判斷產生相應的決策控制信號并下發(fā)，同時將傳感器數(shù)據(jù)實時顯示在觸摸屏上以供監(jiān)測。主控中心的協(xié)調器仍采用CC2530芯片，它負責在主控處理器STM32和ZigBee網(wǎng)絡之間進行各項傳感器參數(shù)和控制命令的數(shù)據(jù)中轉，同時負責整個ZigBee無線網(wǎng)絡的組建。主控處理器采用STM32F103芯片，它是具有增強型功能、32位的微處理器，相比51單片機，STM32F103芯片外設資源豐富，工作頻率高達72 MHz，具有強大的數(shù)據(jù)處理和控制能力，能有效保證數(shù)據(jù)處理的實時性和命令運算的高效性，并且價格低廉，性價比較高。觸摸屏采用廣州大彩光電科技公司的7英寸工業(yè)級串口屏 DC10600RS070_05WK，用于實現(xiàn)參數(shù)監(jiān)測等功能。因為農業(yè)大田面積廣闊，位于效外，所以靠走線供電方式實施較為困難，同時我國西北部地區(qū)太陽能資源豐富，每天的日照時間較長[3]，根據(jù)這種特性，為終端節(jié)點和主控中心設計了太陽能供電方式。主控中心和每個節(jié)點均采用一套太陽能供電系統(tǒng)，通過立桿布置在大田合適的位置即可。使用單晶100 W光伏太陽能板結合太陽能控制器構成太陽能發(fā)電系統(tǒng)，通過12 V鋰離子蓄電池進行電能儲存，并實現(xiàn)全天24 h不間斷供電。12 V電壓通過降壓電路轉換為 3.3 V 電壓為終端節(jié)點和主控中心供電，農田精準滴灌系統(tǒng)的硬件電路框圖如圖2所示。

主控中心CC2530協(xié)調器與主控芯片STM32均采用 3.3 V 電源供電，2個芯片的輸入電源在電路板上通過0 Ω電阻進行隔離，形成各自的獨立系統(tǒng)，方便出故障時分區(qū)域排查。CC2530與STM32之間通過TTL串口方式進行交叉連接即可通信。為保證通信效率，通過各自內部程序均將串口配置為115 200 bit/s波特率，字長8位，1個停止位，無奇偶校驗位。農田精準滴灌系統(tǒng)相關硬件電路原理圖如圖3所示。

2.2 ZigBee無線網(wǎng)絡設計

ZigBee技術適用于低功耗無線網(wǎng)絡組網(wǎng)傳輸，這里用于構建農業(yè)大田傳感器數(shù)據(jù)及命令傳輸網(wǎng)絡。在構建無線網(wǎng)絡的結構上，ZigBee設備可構造為3種拓撲網(wǎng)絡結構，分別是星狀、網(wǎng)狀、樹狀;在傳輸方式上，ZigBee網(wǎng)絡有點播、組播、廣播3種傳輸方式。每個ZigBee無線網(wǎng)絡，都是通過節(jié)點的16 bit短地址或64 bit長地址來確定通信對象[4]。在ZigBee網(wǎng)絡中，協(xié)調器處于核心地位，為各個節(jié)點自動分配16 bit地址，并組建ZigBee無線網(wǎng)絡。ZigBee無線網(wǎng)絡作為整個大田無線數(shù)據(jù)的傳輸主體、網(wǎng)絡的拓撲結構、傳輸方式等對數(shù)據(jù)的傳輸穩(wěn)定性有著較大的影響。針對農業(yè)大田的特點，采用網(wǎng)狀拓撲結構以及路由中轉、點播和廣播并存的ZigBee無線網(wǎng)絡。根據(jù)終端節(jié)點在大田中的分布位置，在距離協(xié)調器較遠的節(jié)點中間布置路由節(jié)點，以便對距離較遠節(jié)點的無線數(shù)據(jù)進行中轉。同時，通過修改Z-STACK協(xié)議棧中的通信定義，協(xié)調器發(fā)送命令采用廣播方式，節(jié)點向協(xié)調器發(fā)送數(shù)據(jù)采用點播方式。ZigBee無線網(wǎng)絡的構建示意圖如圖4所示。

2.3 農田精準滴灌系統(tǒng)軟件設計

農田精準滴灌系統(tǒng)軟件設計分為主程序部分和節(jié)點部分。要構建ZigBee無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，須要有 Z-STACK 協(xié)議棧的支持[5-15]。Z-STACK協(xié)議棧內部運用任務輪詢模式工作，在CC2530中移植入Z-STACK協(xié)議棧，并結合實際工作流程添加相應代碼程序。節(jié)點接收到協(xié)調器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)采集命令，便對各項傳感器參數(shù)進行采集并上傳;節(jié)點接收到協(xié)調器發(fā)送來的開關閥門命令，便控制其對應地塊的閥門打開或閉合。主控中心的主控處理器STM32承擔全部的數(shù)據(jù)處理、命令產生及傳輸控制任務。STM32定時周期性地產生數(shù)據(jù)問詢命令，經協(xié)調器下發(fā)到ZigBee網(wǎng)絡，通知各個節(jié)點采集傳感器數(shù)據(jù)。STM32內部運行控制模型和決策系統(tǒng)，當接收到ZigBee網(wǎng)絡傳送來的大田各項傳感器數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行分析處理，并結合控制模型和決策系統(tǒng)，作出各個地塊的閥門開閉命令并再次經協(xié)調器將命令下發(fā)到ZigBee無線網(wǎng)絡，同時STM32將各項大田參數(shù)經串口送至TFT觸摸屏實時顯示。農田精準滴灌系統(tǒng)的軟件工作流程如圖5所示。

3 農田精準滴灌系統(tǒng)應用情況

農田精準滴灌系統(tǒng)于2017年在寧夏農墾中心黃羊灘農場的0.6 hm2大田上裝機運行了1年，其間大田種植的農作物為玉米，與周邊未使用該系統(tǒng)的田地相比，此塊大田的玉米莖稈長勢旺盛，所結果實顆粒飽滿，收獲了較好的經濟效益。對試驗大田周邊某0.06 hm2未使用本系統(tǒng)的大田進行了 15 d 的土壤濕度參數(shù)采樣， 在此期間大田主人進行了2次人工灌溉，與試驗大田中的某地塊（0.06 hm2）的土壤濕度參數(shù)進行對比，得到了如圖6所示的土壤濕度參數(shù)對比情況。通過對試驗大田周邊某0.6 hm2未使用本系統(tǒng)的大田15 d用水量進行統(tǒng)計（其間進行2次人工灌溉），與裝機的0.6 hm2試驗大田用水量進行對比，得到了如圖7所示的用水量對比情況。由圖6和圖7可知，農田精準滴灌系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了穩(wěn)定均勻的大田土壤濕度自動化控制，并且有較好的節(jié)水效果。農田精準滴灌系統(tǒng)運行期間的觸摸屏界面如圖8所示。

4 結論

隨著農業(yè)滴灌技術的廣泛推廣，在滴灌的應用過程中如何使其效率更高、節(jié)水更多、過程更加自動化，是須要解決的問題。本研究提出了一種基于STM32和ZigBee的農業(yè)大田精準滴灌系統(tǒng)，借助于STM32強大的處理能力和ZigBee無線組網(wǎng)傳輸?shù)谋憷裕C合考量了農業(yè)大田中各項起決定作用的環(huán)境因素，可針對不同農作物的灌溉需求，農作物不同生長周期的灌溉需求，建立不同的控制模型，結合各項因素對灌溉過程進行綜合決策控制。同時，通過不同的ZigBee節(jié)點實行農田分塊控制，實現(xiàn)了有針對性的分區(qū)灌溉，可有效避免因地勢不平等原因造成的灌溉不均問題，實現(xiàn)了對農業(yè)大田的精準化灌溉。

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