基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計

蘇靜池 韓改寧 李永鋒 張潔 石妍

摘 要：為了實(shí)現(xiàn)水資源合理利用，發(fā)展節(jié)水供水，改善生態(tài)環(huán)境，設(shè)計一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能灌溉系統(tǒng)。該設(shè)計以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，采用基于CortexTM-A8體系結(jié)構(gòu)的S5PV210處理器芯片作為應(yīng)用網(wǎng)關(guān)的核心處理器，使用ZigBee模塊進(jìn)行無線短距離通信，并且利用傳感器獲取土壤信息，控制層每個節(jié)點(diǎn)都是使用基于Cortex-M3t體系的STM32F103RBT6單片機(jī)作為主控CPU，最終控制水閥開關(guān)以及噴水時間，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)中的智能控制。實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：CortexTM-A8;STM32;ZigBee;智能灌溉;無線傳感器;網(wǎng)關(guān)

中圖分類號：TP39文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2020）10-00-05

0 引 言

水資源已成為21世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展的一個關(guān)鍵問題。中國水資源已處于相當(dāng)匱乏的狀態(tài)，并且全國大量的廢、污水未經(jīng)處理或處理未達(dá)標(biāo)就直接排放造成了嚴(yán)重的水污染，少量的河流水質(zhì)低于農(nóng)田供水標(biāo)準(zhǔn)。水是農(nóng)業(yè)的命脈，是生態(tài)環(huán)境的控制性要素，同時又是戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)資源[1]。為了實(shí)現(xiàn)水資源合理利用，發(fā)展節(jié)水供水，改善生態(tài)環(huán)境，采用智能灌溉系統(tǒng)抽取地下水灌溉農(nóng)田，是我國目前物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵，也是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。運(yùn)用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機(jī)和控制技術(shù)可以有效地提高農(nóng)業(yè)灌溉用水效率和生產(chǎn)效率。利用智能灌溉系統(tǒng)，使傳統(tǒng)的灌溉模式得以突破和發(fā)展，是當(dāng)今世界供水、節(jié)水技術(shù)發(fā)展的總趨勢。智能灌溉系統(tǒng)在一些發(fā)達(dá)國家起步也較早應(yīng)用較廣泛，技術(shù)發(fā)展相對成熟，特別是以色列、美國和加拿大等國。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本文設(shè)計的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能灌溉系統(tǒng)功能強(qiáng)大，最主要的是價格低廉，非常適用于普通農(nóng)戶和城市基礎(chǔ)設(shè)施。本系統(tǒng)通過傳感器獲取田地的環(huán)境參數(shù)信息并且通過ZigBee傳送給處理器（CortexTM-A8），處理器做出相應(yīng)的信息處理并將處理完成后的信息再次通過ZigBee傳送給主控CPU（Cortex-M3t），CPU發(fā)出相應(yīng)的指令控制水閥（電機(jī)）的運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件整體可分為4個模塊，分別是數(shù)據(jù)處理模塊（嵌入式處理器系統(tǒng)）、數(shù)據(jù)傳輸模塊（無線傳感網(wǎng)絡(luò)ZigBee或者WiFi）、數(shù)據(jù)采集模塊（末端傳感器）和被控模塊（控制水閥及營養(yǎng)液輸送）。

數(shù)據(jù)處理模塊：采用基于CortexTM-A8體系結(jié)構(gòu)的Samsung公司S5PV210處理器芯片做為應(yīng)用網(wǎng)關(guān)的核心處理器。

數(shù)據(jù)傳輸模塊：采用ZigBee。

傳感器模塊：采用溫濕度傳感器AM2321。

被控模塊：每個節(jié)點(diǎn)都使用基于Cortex-M3體系的STM32F103RBT6單片機(jī)作為主控CPU。另外還配備有電機(jī)驅(qū)動。

2.1 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理時處理器采用基于CortexTM-A8體系結(jié)構(gòu)的S5PV210處理器芯片作為應(yīng)用網(wǎng)關(guān)的核心處理器。于此同時應(yīng)用網(wǎng)關(guān)配備有種類豐富的外圍接口，可以通過多種方式獲取傳感器數(shù)據(jù)，并進(jìn)行本地處理，如果有需要，也可通過WiFi或者3G的方式將數(shù)據(jù)上傳至更上層的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器或者云端服務(wù)器。

S5PV210是一個16/32位RISC微處理器，是Samsung公司為移動電話和通用產(chǎn)品設(shè)計的低成本，低功耗，高性能的應(yīng)用處理器方案。S5PV210具有高質(zhì)量的外部存儲器接口，用來適應(yīng)高端通信服務(wù)所要求的高存儲器帶寬。存儲器系統(tǒng)具有兩個外部存儲器接口，其中DRAM接口可配置成支持LPDDR1（MobileDDR），DDR2和LPDDR2內(nèi)存IC顆粒;而FLASH/ROM 接口可支持NOR FLASH，NAND FLASH，OneNAND，RAM和ROM類型的外設(shè)。S5PV210基于ARMCortex-A8核，包括32 KB指令和32 KB數(shù)據(jù)Caches，512 KB L2Cache，MMU以支持虛擬內(nèi)存管理。S5PV210的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)特征支持多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)[2]。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸模塊

ZigBee無線通信方式的核心是圍繞美國TI公司提供的CC2530 型單片機(jī)（硬件）以及滿足 ZigBee 2006標(biāo)準(zhǔn)的Z-Stack協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)。

2.2.1 處理器CC2530

CC2530為美國TI公司推出的支持ZigBee協(xié)議的單片機(jī)，屬于ZigBee開發(fā)時的硬件資源。CC2530-EB核心板主要包括CC2530單片機(jī)、天線接口、晶振以及I/O擴(kuò)展接口。CC2530-EB核心板原理如圖2所示。

CC2530的FLASH容量具有選擇性，并且CC2530片上系統(tǒng)解決方案包括若干設(shè)備，表1提供了每個設(shè)備不同外設(shè)，內(nèi)存大小等的概述和信息。

CC2530中的存儲器可映射到代碼和外部數(shù)據(jù)的存儲器空間。這樣除了保證程序代碼和常量的正確性，還可以允許非易失性存儲器保存應(yīng)用程序必要的數(shù)據(jù)，這樣保證了數(shù)據(jù)在設(shè)備重啟后的重復(fù)利用性。并且在開發(fā)人員使用此功能時，也可以用來保存具體的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)再次上電后此保存的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)可以直接加入網(wǎng)絡(luò)中。

2.2.2 協(xié)議棧

Z-Stack是ZigBee的協(xié)議棧，并且ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)，是建立在此協(xié)議?；A(chǔ)上的。協(xié)議棧定義了通信軟件和硬件在不同級如何協(xié)同工作，并且通信雙方需要遵循協(xié)議棧的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)收發(fā)。協(xié)議棧采用分層的的結(jié)構(gòu)使各層相對對立，每一層都提供特定的服務(wù)，使開發(fā)者可以更高效率地進(jìn)行開發(fā)。Z-Stack具體分為兩部分：IEEE 802.15.4定義的物理層和MAC層技術(shù)規(guī)范;網(wǎng)絡(luò)層，安全層和應(yīng)用層技術(shù)規(guī)范。Z-Stack協(xié)議棧就是將各層定義的協(xié)議都集合在一起，以函數(shù)的形式實(shí)現(xiàn)，并給用戶提供一些API，供用戶學(xué)習(xí)使用。使用Z-Stack協(xié)議棧進(jìn)行開發(fā)步驟如下：

（1）用戶對ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層程序開發(fā)設(shè)計，采用C語言實(shí)現(xiàn);

（2）在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中采集數(shù)據(jù)時，只需要在應(yīng)用層加入讀取傳感器的函數(shù)即可完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)采集;

（3）為了提高系統(tǒng)的節(jié)能性，可以定時喚醒ZigBee的終端節(jié)點(diǎn)，然后自動完成傳感器數(shù)據(jù)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器。

此模塊采用廣州飛瑞敖電子科技有限公司生產(chǎn)的IOT-L02-06型物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)應(yīng)用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如圖3所示。

2.3 傳感器模塊

在傳感器模塊中使用溫濕度傳感器AM2321。AM2321數(shù)字溫濕度傳感器是含有己校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合型傳感器。該傳感器包括一個電容式感濕元件和一個高精度集成測溫元件，并與一個高性能微處理器即8位單片機(jī)相連接。AM2321傳感器進(jìn)行過極為精確的濕度校驗(yàn)，無需對數(shù)字進(jìn)行二次計算，也無需對濕度進(jìn)行溫度補(bǔ)償，便可得到準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)[3]。因其本身具有超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達(dá)20 m以上，成為開發(fā)者的首選。產(chǎn)品為3引線（單總線接口）連接方便。AM2321的響應(yīng)時間約2 s，相比一般溫濕度傳感器的響應(yīng)時間更快[5]。

2.3.1 AM2321原理圖及引腳參數(shù)

溫濕度傳感器的電路原理圖如圖4所示，其SDA口連接到的STM32的PA4引腳上進(jìn)行單總線通信，R11為上拉電阻。各PIN的分配見表2所列。

2.3.2 AM2321單總線通信協(xié)議

SDA可用于微處理器與AM2321溫濕度傳感器之間的通信和同步，并且采用單總線通信。單總線即只有一根數(shù)據(jù)線，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)和控制信號均由數(shù)據(jù)線完成。單總線通信格式一次傳輸即可傳送40位數(shù)據(jù)，并且采用高位先出的規(guī)則，具體如圖5所示。

單總線格式定義如下：當(dāng)起始信號發(fā)出時，微處理器把數(shù)據(jù)總線（SDA）拉低一段時間（至少800 μs），通知傳感器準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。此時響應(yīng)信號發(fā)出，傳感器把數(shù)據(jù)總線（SDA）拉低80 μs，再拉高80 μs以響應(yīng)主機(jī)的起始信號。在收到主機(jī)起始信號后，傳感器一次性從數(shù)據(jù)總線（SDA）串出40位數(shù)據(jù)，高位先出。其中溫濕度的分辨率都為16 bit，并且高位在前;傳感器傳出的溫濕度值是實(shí)際溫濕度值的10倍[4]。

總線數(shù)據(jù)說明[5]：接收到的40位數(shù)據(jù)見表3所列。

濕度及溫度的值計算見表4所列。

2.3.3 外部設(shè)備讀取溫濕度流程

外部設(shè)備讀取溫濕度流程如圖6所示。

2.4 控制模塊

控制模塊CPU采用基于Cortex-M3內(nèi)核的高性能32位處理器—STM32，它的特點(diǎn)是，功耗低，時鐘頻率高，中斷延遲短。STM32微處理器在結(jié)構(gòu)上可以分為4個部分，這4個部分包括處理器的內(nèi)核，存儲單元，總線接口以及跟蹤調(diào)試單元[4]。

STM32系列的芯片眾多，可供選擇的型號多在使用時可以根據(jù)自己系統(tǒng)的需求來選擇自己所需要的芯片型號。STM32的硬件資源豐富而且又具有低功耗的功能，是開發(fā)項(xiàng)目的首要之選，本次項(xiàng)目根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求選擇的是STM32F103RBT6。

2.5 被控模塊

被控模塊應(yīng)用L298電機(jī)驅(qū)動芯片[5-6]。該芯片具有兩個TTL/CMOS兼容電平的輸入，并且具有良好的抗干擾性能;可用I/O口提供控制信號，支持5 V和3.3 V邏輯電平，而且一塊L298芯片可以驅(qū)動2個減速電機(jī);電路簡單，易用，穩(wěn)定，具有較高的性價比[5]。

2.6 總體電源模塊

STM32電源電壓需要3.3 V的電源供電，還需要5 V電壓給ZigBee模塊及S5PV210處理器供電，使用AMS1117芯片將5 V電壓轉(zhuǎn)化成3.3 V供給STM32以及其他的芯片使用，如圖7所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件總體分為3個部分，分別是無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接，水閥控制程序與Qt顯示界面。系統(tǒng)軟件主要提供了用戶端的顯示界面，水閥的自動控制與數(shù)據(jù)的傳輸控制。

3.1 無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接

ZigBee基于IEEE 802.15.4協(xié)議，是一種功耗低、短距離的通信技術(shù)。系統(tǒng)控制器與節(jié)點(diǎn)之間的通信通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。

ZigBee節(jié)點(diǎn)有3種類型，分別是路由器、協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)形式有樹狀，星狀和網(wǎng)狀類型。ZigBee模塊無線通信流程如圖8所示。

3.2 水閥控制程序的設(shè)計

管道中水流的大小通過水閥控制，即通過電機(jī)的啟動與否對水閥進(jìn)行控制。電機(jī)控制命令需使用傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，將判斷是否進(jìn)行調(diào)節(jié)的程序?qū)懭胩幚砥?，通過處理器判斷，即超過參考值停止放水或者低于參考值則放水，之后由ZigBee模塊發(fā)送到主控CPU，主控CPU接收到信息（是否啟動電機(jī)進(jìn)行控制）后發(fā)出指令，控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)水閥的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)，也可通過后臺發(fā)出指令，人工控制水閥開關(guān)。

3.3 顯示界面設(shè)計

本界面主要實(shí)現(xiàn)的功能有：當(dāng)彈出對話框時，在對話框中填寫用戶名和密碼，并按下登錄按鈕;如用戶名和密碼正確則進(jìn)入主窗口，假設(shè)有錯，則彈出警告對話框。具體設(shè)計效果如圖9～圖12所示。

4 測試結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，本文進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)中將1個溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)與PC機(jī)相連，并放置在選取的土壤中，同時將傳感器節(jié)點(diǎn)與步進(jìn)電機(jī)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行ZigBee組網(wǎng)，人工測試后進(jìn)行系統(tǒng)測試。從測試結(jié)果來看，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，顯示界面正常顯示，系統(tǒng)可正常運(yùn)轉(zhuǎn)，表明此系統(tǒng)具有極高的準(zhǔn)確性和可靠性。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合最新的ZigBee技術(shù)，設(shè)計了一款智能化灌溉系統(tǒng)。系統(tǒng)通過布置AM2321傳感器，對土壤中的溫度及濕度進(jìn)行檢測，檢測的數(shù)據(jù)經(jīng)CC2530處理后通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送給主控CPU，利用Cortex-M3對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存及處理。管理員可通過系統(tǒng)處理結(jié)果對土壤環(huán)境進(jìn)行針對性的處理。系統(tǒng)具有檢測精度高，誤差小及可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，適用于農(nóng)業(yè)園林等環(huán)境，具有較大的推廣價值和廣闊的市場前景。

參考文獻(xiàn)

[1]李時輝.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室智能監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].江西理工大學(xué)學(xué)報，2013，33（1）：70-73.

[2]王濤，夏路易.基于ZigBee2007的無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的構(gòu)建[J].機(jī)械管理開發(fā)，2011，25（4）：11-12.

[3]佚名.溫濕度數(shù)字傳感器AM2302.pdf[EB/OL].[2017-10-19]. http：//www.Datasheet4U.com.

[4]何友國，袁朝春.基于SIM908的冷藏車箱內(nèi)溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2015，37（22）：138-142.

[5]朱武，涂祥存，操瑞發(fā)，等.基于L6506/L298芯片細(xì)分步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計[J].電氣自動化，2011，33（1）：10-12.

[6]夏葉媚，徐松，吳晨彤，等.基于STM32單片機(jī)的直流電機(jī)調(diào)速電源設(shè)計[J].河南科技，2017，41（17）：73-74.

[7]劉海龍，宿宏毅，郭浩.基于物聯(lián)網(wǎng)關(guān)聯(lián)的光照監(jiān)控與節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（20）：149-153.

[8]張育斌，魏正英，張磊，等.非充分灌溉下精量灌溉決策方法研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（1）：115-118.

[9]毛威，來智勇，耿楠.基于WSN的溫室智能灌溉系統(tǒng)軟件設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2017，40（16）：5-9.

[10]呂坤，吳瓊，閆偉.基于ARM的物聯(lián)網(wǎng)智能灌溉系統(tǒng)的研究[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2019，9（11）：57-58.