一種面向贛州臍橙園肥水/農(nóng)藥智能灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳鑫意，何劍鋒,2，何月順,2，葉志翔,2，謝祥順

（1.東華理工大學(xué) 軟件學(xué)院，江西 南昌 330013；2.江西省放射性地學(xué)大數(shù)據(jù)技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330013）

0 引 言

我國在農(nóng)業(yè)灌溉方面存在一些問題： 仍以傳統(tǒng)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)為主，缺乏精確調(diào)控手段，農(nóng)田灌溉精度難以保證，造成水資源浪費(fèi)嚴(yán)重； 灌溉技術(shù)落后，監(jiān)測與控制都采用人工管理，缺乏技術(shù)創(chuàng)新，存在強(qiáng)度強(qiáng)大、人機(jī)交互能力差等弊端，嚴(yán)重影響農(nóng)作物品質(zhì)和產(chǎn)量[1]。將先進(jìn)的、適用的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備應(yīng)用于山地果園施肥、節(jié)水灌溉、噴霧等果園生產(chǎn)管理中[2-3]，是促進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型和山地果園可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵步驟，利用智能灌溉系統(tǒng)突破和發(fā)展傳統(tǒng)灌溉方式是當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展的總趨勢。

隨著技術(shù)的進(jìn)步和系統(tǒng)的優(yōu)化，智能灌溉系統(tǒng)覆蓋的范圍和植物種類越來越多，包括各種蔬菜、作物、果樹和園林樹木等[4]。本文研究一種基于ZigBee傳輸方式，以STM32F103為主控制器，配合地形鋪設(shè)管道的臍橙園肥水/農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)，以提高果園水肥/農(nóng)藥灌溉的效率，解決傳統(tǒng)灌溉技術(shù)的不足。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)主要包括數(shù)據(jù)采集部分、智能控制部分和設(shè)備組裝部分。數(shù)據(jù)采集部分包括CC2530處理器、傳感器檢測節(jié)點(diǎn)、路由器、集中器、ZigBee模塊。智能控制部分包括STM32F103微控制器、繼電器模塊、電源模塊、電機(jī)等模塊組成。設(shè)備組裝部分包括水管、發(fā)電機(jī)、壓力泵、灌溉噴頭等設(shè)備。各模塊完成的功能包括：傳感器檢測節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集果園環(huán)境和水壓信息等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要是考量施肥灌溉時(shí)環(huán)境因素的[5]；路由器主要功能是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的接收、上傳與轉(zhuǎn)發(fā)；集中器用于接收傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器檢測節(jié)點(diǎn)傳送來的數(shù)據(jù)信息且將數(shù)據(jù)上傳至路由器；ZigBee模塊用于與集中器進(jìn)行無線傳輸和數(shù)據(jù)交互；STM32F103控制器是臍橙園肥水、農(nóng)藥噴灑系統(tǒng)的控制核心，負(fù)責(zé)控制繼電器、智能開關(guān)等模塊；繼電器模塊控制開關(guān)的工作；電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供電源，并且通過微處理器對電池充放電進(jìn)行管理，可以延長電池的使用壽命[6]；選用霧化噴頭，高壓狀態(tài)下，穿透能力強(qiáng)，起到噴灑農(nóng)藥的作用。

圖1 智能灌溉系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)、集中器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)、開關(guān)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

傳感器網(wǎng)絡(luò)是由許多在空間上分布的自動裝置組成的一種計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[7]，傳感網(wǎng)絡(luò)中最重要的是傳感器節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是數(shù)據(jù)采集和傳輸。無線傳感器模塊選用ZigBee技術(shù)的新一代SOC芯片CC2530[8]。傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

傳感器采集水壓、風(fēng)速、溫度等數(shù)據(jù)，通過信號處理電路將信號放大，再將放大后的信號傳給CC2350芯片進(jìn)行處理。CC2350先把接收到的數(shù)據(jù)信息通過A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)過計(jì)算得到壓力、溫濕度等值，最后通過串口發(fā)送到ZigBee模塊，ZigBee模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)給控制器。對于無線傳感網(wǎng)絡(luò)來說，電源模塊起著十分重要的作用，因?yàn)樗P(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)是否能夠穩(wěn)定正常的工作[9]，負(fù)責(zé)給系統(tǒng)中的各個(gè)模塊供電。傳感器節(jié)點(diǎn)采用電池供電方式，從而在電源供給上擺脫了有線的束縛[10]。

2.2 集中器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

集中器節(jié)點(diǎn)主要技術(shù)是ZigBee技術(shù)。ZigBee技術(shù)是一種具有低功耗、低成本、安全可靠、時(shí)延短、自動組網(wǎng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)的無線通信技術(shù)[11]。ZigBee 通信設(shè)備能自主搭建網(wǎng)絡(luò)[12]，每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)備之間必須遵循ZigBee聯(lián)盟的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，其中物理層和MAC層遵循的是IEEE 802.15.4協(xié)議，上層協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟定義[13]。集中器硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 集中器硬件結(jié)構(gòu)

CC2530作為集中器的中心控制器，它的一個(gè)串口連接ZigBee模塊。集中器通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)接收傳感器節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)信息存儲在集中器的存儲模塊中，再通過ZigBee模塊發(fā)送給控制器。CC2530處理器支持ZigBee協(xié)議棧，內(nèi)部集成了增強(qiáng)型8051內(nèi)核，主頻達(dá)32 MHz，帶有模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有低功耗、自組網(wǎng)等優(yōu)勢[14]。

2.3 開關(guān)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

開關(guān)控制系統(tǒng)采用STM32F103單片機(jī)連接繼電器模塊，電源、繼電器模塊連接水泵，利用單片機(jī)控制繼電器銜鐵的吸合與釋放，從而控制抽水電機(jī)開關(guān)；而且還能夠簡化驅(qū)動電路及控制電路，使系統(tǒng)的可靠性及維護(hù)的方便性得到改善[15]。微控制器通過ZigBee模塊與集中器進(jìn)行通信，對接收到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，然后將數(shù)據(jù)存儲到自帶的存儲模塊中，通過系統(tǒng)時(shí)鐘控制繼電器模塊，繼電器控制開關(guān)來進(jìn)行噴灑作業(yè)。開關(guān)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 開關(guān)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)、集中器軟件設(shè)計(jì)、開關(guān)控制軟件設(shè)計(jì)。

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中[16]，信息的整個(gè)傳遞過程在軟件層面上是由Z-Stack協(xié)議棧進(jìn)行控制[17]。首先傳感器節(jié)點(diǎn)初始化，啟動Z-Stack協(xié)議棧且加入網(wǎng)絡(luò)，若加入網(wǎng)絡(luò)成功再判斷是否要采集指令。其次，如需要采集指令則需要設(shè)置采集時(shí)間，在采集數(shù)據(jù)的過程中判斷采集時(shí)間是否截止，若時(shí)間截止則發(fā)送數(shù)據(jù)。傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程

3.2 集中器軟件設(shè)計(jì)

首先，系統(tǒng)進(jìn)行上電初始化，傳感器節(jié)點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò)；其次，集中器一直監(jiān)聽服務(wù)器的命令，當(dāng)集中器接收到服務(wù)器發(fā)送的命令時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)的處理；再次，若發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中有傳感器監(jiān)測節(jié)點(diǎn)傳輸過來的數(shù)據(jù)，集中器開始接收數(shù)據(jù)；最后，數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到ZigBee模塊，然后由ZigBee模塊發(fā)送到控制器上。集中器軟件流程如圖6所示。

圖6 集中器軟件流程

3.3 開關(guān)控制軟件設(shè)計(jì)

開關(guān)控制系統(tǒng)的軟件流程如圖7所示。

圖7 開關(guān)控制系統(tǒng)的軟件流程

系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化；然后接收集中器傳送的數(shù)據(jù)信息，控制器對此數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，將處理后的數(shù)據(jù)存儲到STM32F103自帶的存儲器中，通過這些數(shù)據(jù)分析處理功能，科技人員可以分析任何一個(gè)時(shí)間段的環(huán)境數(shù)據(jù)變化規(guī)律和極端環(huán)境數(shù)據(jù)出現(xiàn)的規(guī)律[18]；再判斷數(shù)據(jù)是否符合噴灑標(biāo)準(zhǔn)，若符合則通過系統(tǒng)時(shí)鐘控制繼電器模塊，繼電器控制開關(guān)是否打開，如果數(shù)據(jù)不符合噴灑標(biāo)準(zhǔn)則，工作人員進(jìn)行相應(yīng)處理，并且持續(xù)接收集中器發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。由于電磁閥通斷時(shí)長會影響控制結(jié)果，為避免電磁閥頻繁動作，灌溉量輸出時(shí)，停止采樣活動[19]。智能灌溉系統(tǒng)的工作流程如圖8所示。

圖8 智能灌溉系統(tǒng)的工作流程

首先系統(tǒng)初始化，然后通過無線傳感器監(jiān)測土壤的溫濕度、藥池水壓值，再與土壤溫濕度和藥池水壓下限值進(jìn)行比較，如果小于下限值，則打開電磁閥進(jìn)行灌溉?？紤]到土壤滲水較慢的特點(diǎn)，一般設(shè)定停止灌溉一段時(shí)間后再進(jìn)行土壤濕度檢測[20]。

4 設(shè)備組裝設(shè)計(jì)及測試結(jié)果分析

4.1 設(shè)備組裝設(shè)計(jì)

由于贛南臍橙園多處于地勢較高處，所以本系統(tǒng)采用管道鋪設(shè)的方式實(shí)現(xiàn)肥水、農(nóng)藥的噴灑。管道、發(fā)動機(jī)壓力泵鋪設(shè)圖如圖9所示。

圖9 管道、發(fā)動機(jī)壓力泵鋪設(shè)圖

藥池到臍橙園有一段主管道，負(fù)責(zé)輸出藥水，每個(gè)總管道需要一個(gè)開關(guān)控制。每個(gè)區(qū)域鋪設(shè)分管道，分管道連接總管道，將藥水輸送至每個(gè)區(qū)域。發(fā)動機(jī)和壓力泵需要根據(jù)實(shí)際的地形來確定安裝的位置，安裝在適當(dāng)?shù)母叨瓤梢愿玫仄胶夂脡毫?，?jié)約燃油成本和保護(hù)好裝置不會壓力過大而損壞。

4.1 測試與結(jié)果分析

本系統(tǒng)以超聲波傳感器模擬水壓傳感器，步進(jìn)電機(jī)模擬噴頭進(jìn)行測試。測試結(jié)果如圖10所示。

圖10 測試結(jié)果

從測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)需要澆灌時(shí)，先判斷藥池水面距離是否正常，當(dāng)藥池水面距離小于規(guī)定值或大于規(guī)定值時(shí)，繼電器關(guān)閉，此時(shí)，水泵停止抽水，步進(jìn)電機(jī)關(guān)閉；當(dāng)藥池水面距離值在規(guī)定范圍內(nèi)，繼電器打開，水泵開始抽水，且當(dāng)需要灌溉時(shí)，打開步進(jìn)電機(jī)。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的贛州臍橙園水肥/農(nóng)藥智能灌溉系統(tǒng)是以STM32F103為微控制器，結(jié)合ZigBee通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了果園農(nóng)藥噴灑與灌溉的結(jié)合與開關(guān)的智能控制。通過鋪設(shè)管道將農(nóng)藥的噴灑變得自動化，同時(shí)不會為危害到作業(yè)人員的身體健康，有效地提高了臍橙園肥水、農(nóng)藥噴灑的效率，減少了人力的耗損。為提高勞動生產(chǎn)率，不斷增加農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，就必須進(jìn)一步發(fā)展人工智能生態(tài)環(huán)境，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向工業(yè)化轉(zhuǎn)變。