基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能噴灌控制系統(tǒng)設(shè)計

羅江濤 李目 李波 劉昶忻

摘? 要：本文基于ZigBee技術(shù)、STM32F103單片機設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能噴灌系統(tǒng)，借助ZigBee技術(shù)搭建一個無線傳感網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對土壤墑情的自動判斷并做出相應(yīng)的控制。系統(tǒng)通過各分布式節(jié)點采集農(nóng)作物生長環(huán)境的溫度和濕度等信息，利用ZigBee無線通信技術(shù)傳送至主控器，主控系統(tǒng)通過分析計算各節(jié)點信息實現(xiàn)對噴灌設(shè)備的控制，從而實現(xiàn)自動改善土壤環(huán)境的作用。同時，主控系統(tǒng)可將相關(guān)信息實時傳送至用戶移動設(shè)備，實現(xiàn)遠程監(jiān)控與管理。該系統(tǒng)的應(yīng)用能夠降低勞動者工作強度，克服根據(jù)人的經(jīng)驗決定灌溉時間和灌溉水量的缺點，提高水資源的利用率，實現(xiàn)對農(nóng)作物灌溉的科學管理。

關(guān)鍵詞：ZigBee;無線傳感網(wǎng)絡(luò);智能噴灌;自組網(wǎng)

中圖分類號：TP391.44;TN929.5 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）24-0182-05

Abstracts：Based on ZigBee technology and STM32F103 single-chip microcomputer，this paper designed a control system for crop sprinkler irrigation，which can realize automatic determination of soil moisture and make corresponding control. The system collects the temperature，humidity and other information of the growing environment of crops through distributed nodes，and uses ZigBee wireless communication technology to transmit it to the master controller. The master control system realizes the control of sprinkler irrigation equipment by analyzing and calculating the information of each node，so as to automatically improve the soil environment. Meanwhile，the main control system can transmit the relevant information to the user’s mobile devices in real time to realize remote monitoring and management. The application of this system can reduce the working intensity of laborers，overcome the shortcomings of determining irrigation time and water amount according to human experience，improve the utilization rate of water resources and realize scientific management of crop irrigation.

Keywords：ZigBee;wireless sensor network;intelligent sprinkler irrigation;ad-hoc network

0? 引? 言

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在國民經(jīng)濟中占據(jù)重要地位。進入新世紀，中國農(nóng)業(yè)將逐步從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向市場化、科技化和生態(tài)化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，從而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化和可持續(xù)發(fā)展。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)離不開用水，而水資源的總量是有限的，為破解耕地面積有限、淡水資源緊缺的難題，發(fā)展節(jié)水灌溉是最有效的方法[1]。節(jié)水灌溉簡而言之就是指使用最少的水資源，達到較好的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益和經(jīng)濟效益。目前噴灌設(shè)備的自動化和現(xiàn)代化水平不高，勞動力資源浪費嚴重，生產(chǎn)效率低，灌溉時間和灌溉水量過多依賴人的經(jīng)驗，不利于作物的生長和水資源的合理利用。

本文設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能噴灌控制系統(tǒng)，節(jié)省人力資源和水資源，提高生產(chǎn)效率。采用智能噴灌控制系統(tǒng)可實時自動感知農(nóng)作物生長環(huán)境狀況，實現(xiàn)無人值守和遠程監(jiān)控的精準灌溉，提高水資源利用率，同時也促進農(nóng)作物的生長。

1? 無線傳感網(wǎng)絡(luò)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network）技術(shù)是一門多學科融合的技術(shù)，其核心部分涉及傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、單片機技術(shù)以及計算機網(wǎng)絡(luò)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)一般由數(shù)據(jù)采集單元、數(shù)據(jù)處理單元、數(shù)據(jù)傳輸單元以及供電單元等組成，由成千上萬的傳感器節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，通過無線通信技術(shù)使傳感器節(jié)點自由組網(wǎng)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括任務(wù)管理節(jié)點（Coordinator）、數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點（Router）、和傳感器終端[2]。傳感器終端（EndDevice）：負責無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的傳感節(jié)點搭載傳感器負責的數(shù)據(jù)的采集;任務(wù)管理節(jié)點：負責傳感網(wǎng)絡(luò)的建立與管理，根據(jù)系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)對系統(tǒng)做出相應(yīng)的判斷;數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點：實現(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的匯集，所有數(shù)據(jù)都必須統(tǒng)一傳輸?shù)絽R聚節(jié)點才能被系統(tǒng)以及用戶使用。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧一般都是由應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層組成[3]，各層執(zhí)行各自的任務(wù)，同時每層之間相互聯(lián)系、協(xié)作，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需要選擇合適的通信方式，協(xié)調(diào)管理網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點的入網(wǎng)、數(shù)據(jù)發(fā)送與接收等功能。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議結(jié)構(gòu)類似于OSI七層模型，各層的具體功能也大致相同，每層之間相互協(xié)作，實現(xiàn)資源共享。

2? ZigBee協(xié)議棧

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低速率、低功耗、短距離的無線通信協(xié)議，可以容納大量的節(jié)點，理論上可以多達65000個，節(jié)點之間通過通信協(xié)議搭建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，可以提供一套完整的無線數(shù)據(jù)傳輸方案，ZigBee協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有三種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，這三種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分別為樹型結(jié)構(gòu)、星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，每種網(wǎng)絡(luò)拓撲的路由靈活度不同，需要根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需要進行選擇?？紤]到農(nóng)田環(huán)境的復雜性以及靈活性要求，本系統(tǒng)采用的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，可以最大限度地提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`活性，網(wǎng)絡(luò)中的非協(xié)調(diào)器節(jié)點損壞也不會影響系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)會自動選擇其他的路由路徑進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，通過網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以提高系統(tǒng)的容差能力，從而提高系統(tǒng)的可靠性，擴大系統(tǒng)的覆蓋范圍[5]，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲模型如圖2所示。

3? 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能噴灌控制系統(tǒng)總體設(shè)計

噴灌是目前國內(nèi)外節(jié)水增產(chǎn)效果最好的田間灌溉方式之一。噴灌最突出的優(yōu)點是適應(yīng)坡地及不平整的耕地，節(jié)省土地，不易產(chǎn)生水土流失和土壤板結(jié)，有利于微生物形成良性循環(huán)，改善田間小氣候，提高作物產(chǎn)量的同時提升品質(zhì)。這是其他灌溉方式不具備的，此外噴灌設(shè)施還可發(fā)揮施肥、噴藥等綜合作用。目前農(nóng)作物的噴灌基本還是依靠人工控制，根據(jù)人的經(jīng)驗決定灌溉時間和灌溉水量，存在灌溉不及時和灌溉過量等多問題，既不利于農(nóng)作物的生長也造成水資源的浪費。因此，研究高效節(jié)水自動噴灌控制系統(tǒng)對提高資源利用率具有重要的實際意義和應(yīng)用價值?；谖锫?lián)網(wǎng)的噴灌控制系統(tǒng)包括以下幾個子系統(tǒng)：

（1）農(nóng)作物環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)：該系統(tǒng)將農(nóng)作物的生長環(huán)境參數(shù)包括天氣溫濕度、土壤溫濕度、土壤pH值和日照強度等信息采集并傳輸至主控中心。

（2）噴灌控制系統(tǒng)：包括各分布式監(jiān)測節(jié)點的供電系統(tǒng)、噴灌控制繼電器等。該系統(tǒng)根據(jù)主控中心的指令完成噴灌控制電機的啟停，實現(xiàn)對灌溉用水的精確控制。監(jiān)控節(jié)點的電源采用電池和小型太陽能電板供電。陽光充足時利用太陽能供電，其他時間采用備用電池供電。

（3）主控管理平臺：實現(xiàn)對傳感系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的處理、顯示并對噴灌系統(tǒng)進行實時控制。同時，通過GSM網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)的遠程傳輸以及移動終端的控制指令接收等。

（4）手機遠程控制APP：完成傳感數(shù)據(jù)的接收以及實現(xiàn)對噴灌系統(tǒng)的遠程控制。用戶可通過手機APP實時獲取農(nóng)作物的生長環(huán)境參數(shù)并對噴灌系統(tǒng)進行遠程控制。

本文設(shè)計的基于ZigBee技術(shù)的智能噴灌控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

4? 智能噴灌控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計

4.1  系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

基于ZigBee技術(shù)的智能噴灌系統(tǒng)設(shè)計包括各種傳感器電路、設(shè)備控制器電路、ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點電路、ZigBee網(wǎng)絡(luò)中心節(jié)點電路、電源電路、主控中心電路、顯示電路等等[3]。下面簡單介紹幾個硬件電路設(shè)計，包括土壤濕度傳感器電路、噴灌電機控制電路和系統(tǒng)電源電路等。

4.1.1? 濕度傳感器電路設(shè)計

土壤濕度傳感器用來測量土壤中水分含量，是整個系統(tǒng)的第一個核心節(jié)點，采集數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與準確性是后面一系列工作的前提，濕度傳感器的原理圖如圖4所示，整個電路利用濕度不同導致土壤電阻不同的原理來實現(xiàn)濕度信息的轉(zhuǎn)換。

傳感器探測頭插在土壤里面，引腳3的輸入電壓為土壤電阻與R5電阻對VCC的分壓，由于電阻只會受到電阻本身的影響，而不受其他因素的限制，所以通過電阻分壓的辦法采集的數(shù)據(jù)具有一定的穩(wěn)定性。當土壤濕度小時，兩個探頭之間的電阻值很大，幾乎為無窮大，引腳3輸入就相當于VCC值，當土壤濕度很大時，土壤電阻就會減小，一般會減小至幾百歐姆，輸入電壓值就會變化。LM393是一個比較器，輸入失調(diào)電壓小，通過R6設(shè)置標準值，當濕度變化時，就可以對OUT引腳進行電平捕獲來估計濕度值，此模塊也可直接對引腳3進行A/D轉(zhuǎn)換獲取濕度信息，采用連續(xù)的模擬量進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換具有更高的數(shù)據(jù)準確性。

4.1.2? 噴灌電機控制電路設(shè)計

本系統(tǒng)中采用小型直流電機，該電機功耗小、揚程高。系統(tǒng)中噴灌電機采用繼電器進行控制，實現(xiàn)低壓控制高壓，其中，三極管Q1為控制開關(guān)。噴灌電機控制電路如圖5所示，其中，電阻R18主要起限流作用，降低晶體管T1功耗。電阻R20使晶體管T1可靠截止。二極管D7反向續(xù)流，為三極管由導通轉(zhuǎn)向關(guān)斷時繼電器線圈中的電流提供泄放通路，并將其電壓箝位在+5V上。當輸入高電平時，晶體管Q1飽和導通，繼電器線圈通電，觸點吸合，水泵工作;當輸入為低電平時，晶體管Q1截止，繼電器線圈斷電，觸點斷開，水泵停止工作。

4.1.3? 系統(tǒng)電源模塊電路設(shè)計

該智能噴灌系統(tǒng)采用兩路系統(tǒng)電源進行供電。主控芯片以及GSM模塊單獨供電，GSM模塊的電源電路中采用MP2359芯片，它是具備單片降壓開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的功率MOSFET，輸出電流大，在一定輸入電壓范圍內(nèi)，其輸出電流峰值可以達到1.2A，滿足GSM注冊等階段的大電流需求。MP2359的優(yōu)勢不僅僅表現(xiàn)在輸出電流大的方面，也表現(xiàn)在優(yōu)良的帶負載能力以及電路調(diào)節(jié)能力，芯片自身還具備工作故障保護模式，在此模式下芯片可以逐周期限流以及熱關(guān)斷。其電路圖如圖6所示。

系統(tǒng)主控芯片STM32F103的正常工作電壓需要維持在2.1V～3.5V，所以需要系統(tǒng)一個將5V電壓轉(zhuǎn)換為3.3V電壓的電路。本系統(tǒng)采用LM1117-3.3芯片實現(xiàn)，在輸出端加上濾波電容，濾除紋波電壓，改善輸出電壓，提高輸出電壓的穩(wěn)定性，從而提高系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。其電壓轉(zhuǎn)換電路如圖7所示。

4.2? 系統(tǒng)軟件設(shè)計

基于ZigBee技術(shù)的智能噴灌控制系統(tǒng)軟件設(shè)計，主要包括ZigBee無線終端節(jié)點收發(fā)程序、ZigBee協(xié)調(diào)器收發(fā)程序、主控器管理與控制程序和GSM無線通信收發(fā)程序。首先，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求和控制過程，確定系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計流程;然后，在設(shè)計好流程圖的基礎(chǔ)上完成各個功能模塊的軟件設(shè)計及調(diào)試。最后，根據(jù)調(diào)試情況對控制軟件進行修改與完善，以滿足系統(tǒng)的控制要求。

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主流程如圖8所示，其基本過程為：

（1）傳感器采集信號：傳感設(shè)備將采集到的溫度、濕度等信息經(jīng)過放大和濾波電路處理后，由終端節(jié)點通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳送到協(xié)調(diào)器，再通過串口傳給主控中心。

（2）信息顯示：主控中心將從ZigBee網(wǎng)絡(luò)接收到的農(nóng)作物生長環(huán)境信息通過OLED顯示器顯示出來。

（3）閾值報警與更改：如果土壤濕度或其他環(huán)境參數(shù)達到設(shè)定閾值，主控模塊則通過GSM無線模塊將數(shù)據(jù)傳給用戶，同時將自動啟停繼電器控制灌溉，再次將濕度與用戶預先設(shè)定的值進行對比，實現(xiàn)精準控制。同時，在系統(tǒng)運行過程中，用戶可以通過GSM模塊來更改設(shè)定閾值并實現(xiàn)對水泵停啟的控制。

5? 系統(tǒng)調(diào)試

本設(shè)計中終端搭載濕度傳感器負責濕度信息的采集，但是終端的位置并不是固定的，并且與主控中心的距離也不確定，因此終端采集到的數(shù)據(jù)需要通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，終端正常工作示意圖如圖9所示。

主控中心與協(xié)調(diào)器之間通過串口實現(xiàn)通信，根據(jù)協(xié)調(diào)器返回的數(shù)據(jù)對土壤墑情進行判斷。通過主控中心驅(qū)動GSM模塊，實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)接收以及閾值修改等功能。協(xié)調(diào)器主要匯集節(jié)點信息并傳送給主控中心。主控中心與協(xié)調(diào)器正常工作示意圖如圖10、圖11所示。

6? 結(jié)? 論

本文以滿足現(xiàn)實需求出發(fā)，以設(shè)計農(nóng)作物噴灌系統(tǒng)為目標，針對國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域研究相對比較薄弱的現(xiàn)狀，依托當前先進的主控器和接口電路以及無線技術(shù)，設(shè)計完成智能噴灌控制系統(tǒng)，促進國內(nèi)在該領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展，提高噴灌系統(tǒng)的自動化程度，節(jié)省人力資源和水資源，實現(xiàn)精確灌溉。

參考文獻：

[1] 陳勇，曹玉保，王林強.基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)灌溉監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 [J].電子設(shè)計工程，2012，20（22）：104-106.

[2] 褚琳琳.國內(nèi)外噴灌技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 [J].節(jié)水灌溉，2014（6）：71-74.

[3] 方國棟，張育釗.基于ZigBee技術(shù)的環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng) [J].現(xiàn)代計算機（專業(yè)版），2018（16）：76-80.

[4] 陳永康，鄭筆耕.基于ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計研究 [J].信息通信，2018（12）：154-155.

[5] 柴淑娟，趙建平.基于ZigBee技術(shù)的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng) [J].通信技術(shù)，2010，43（8）：30-31+34.

作者簡介：羅江濤（1998-），男，漢族，湖南衡陽人，本科在讀，研究方向：控制科學與工程。