基于STM32和ZigBee的農(nóng)業(yè)大田精準(zhǔn)滴灌系統(tǒng)設(shè)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(nóng)業(yè)大田滴灌技術(shù)的逐步推廣，提出了一種基于STM32和ZigBee低功耗無線網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大田精準(zhǔn)滴灌系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，詳細(xì)闡釋了系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)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(luò)、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(yīng)用結(jié)果，系統(tǒng)實現(xiàn)了大田有針對性精準(zhǔn)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(guān)鍵詞：STM32;ZigBee;物聯(lián)網(wǎng);滴灌系統(tǒng);農(nóng)業(yè)大田節(jié)水;智能自動化

中圖分類號： S126;S274.2文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）09-0243-05

隨著經(jīng)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(nóng)業(yè)用水的占比最大，而目前我國農(nóng)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(shù)，以寧夏地區(qū)為例，滴灌技術(shù)被重點推廣，政府對農(nóng)民購置滴灌帶設(shè)備的費用進行直接補貼[2]。然而在滴灌的實際應(yīng)用過程中，通常在鋪設(shè)好滴灌帶后，須要對農(nóng)作物進行灌溉時僅僅是通過1個總進水閥門的開關(guān)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(xué)性和針對性，自動化程度不高。針對這種特點，結(jié)合嵌入式技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使用STM32微控制器和ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了一套農(nóng)業(yè)大田精準(zhǔn)滴灌系統(tǒng)，可以實現(xiàn)農(nóng)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(zhǔn)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)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(nóng)業(yè)大田精準(zhǔn)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(nóng)業(yè)大田進行分塊鋪設(shè)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(nóng)田的各種參數(shù)如地表溫度、地表濕度、田間光照、田間風(fēng)向和風(fēng)速、土壤濕度等參數(shù)進行檢測，將得到的數(shù)據(jù)經(jīng)由ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)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(jié)合設(shè)定的灌溉模型和灌溉策略，決定相應(yīng)地塊是否灌溉以及灌溉時長。如此往復(fù)執(zhí)行，從而把所有地塊的土壤濕度控制在農(nóng)作物適宜生長的范圍內(nèi)。地塊是否灌溉取決于當(dāng)前地塊的各項環(huán)境參數(shù)并結(jié)合控制模型，經(jīng)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(yán)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(zhǔn)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(jié)構(gòu)

整個農(nóng)田精準(zhǔn)滴灌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要由電磁閥門、終端節(jié)點、協(xié)調(diào)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(dǎo)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(jīng)轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)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(shè)置。選用德州儀器公司的集成了增強型8051單片機內(nèi)核的CC2530芯片，實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點和協(xié)調(diào)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(luò)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(fēng)向與風(fēng)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(diào)器節(jié)點主要負(fù)責(zé)ZigBee無線組網(wǎng)以及STM32與ZigBee網(wǎng)絡(luò)間的數(shù)據(jù)命令收發(fā)中轉(zhuǎn)。

2 農(nóng)田精準(zhǔn)滴灌系統(tǒng)設(shè)計

2.1 農(nóng)田精準(zhǔn)滴灌系統(tǒng)硬件設(shè)計

農(nóng)田精準(zhǔn)滴灌系統(tǒng)硬件設(shè)計分為2部分，分別為終端節(jié)點和主控中心設(shè)計。其中，終端節(jié)點采用CC2530F256作為主控制芯片，用于構(gòu)建符合IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee無線傳輸網(wǎng)絡(luò)。CC2530芯片上自帶RF收發(fā)器，內(nèi)部運行8051內(nèi)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(luò)數(shù)據(jù)傳輸功能，節(jié)點采集農(nóng)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(fēng)向風(fēng)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(fēng)向風(fēng)速傳感器用于檢測大田地表的風(fēng)向和風(fēng)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(dāng)?shù)乇砜諝鉂穸容^大時，應(yīng)適當(dāng)減少灌水量;地表光照度信息用于間接判斷農(nóng)作物的光合作用和蒸騰作用強度，當(dāng)蒸騰作用較強時可適當(dāng)補水;風(fēng)向風(fēng)速信息用于判斷風(fēng)力大小，在刮大風(fēng)的天氣停止灌溉，以免土壤松散農(nóng)作物被風(fēng)吹起。終端節(jié)點同時完成ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送以及控制打開或關(guān)閉灌溉電磁閥門的任務(wù)。

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(jīng)過主控中心STM32的處理后，判斷產(chǎn)生相應(yīng)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(diào)器仍采用CC2530芯片，它負(fù)責(zé)在主控處理器STM32和ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間進行各項傳感器參數(shù)和控制命令的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，同時負(fù)責(zé)整個ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(nóng)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(shè)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(jié)合太陽能控制器構(gòu)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(zhuǎn)換為 3.3 V 電壓為終端節(jié)點和主控中心供電，農(nóng)田精準(zhǔn)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(diào)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(nèi)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(nóng)田精準(zhǔn)滴灌系統(tǒng)相關(guān)硬件電路原理圖如圖3所示。

2.2 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

ZigBee技術(shù)適用于低功耗無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)傳輸，這里用于構(gòu)建農(nóng)業(yè)大田傳感器數(shù)據(jù)及命令傳輸網(wǎng)絡(luò)。在構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)上，ZigBee設(shè)備可構(gòu)造為3種拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，分別是星狀、網(wǎng)狀、樹狀;在傳輸方式上，ZigBee網(wǎng)絡(luò)有點播、組播、廣播3種傳輸方式。每個ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，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(luò)中，協(xié)調(diào)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(luò)。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)作為整個大田無線數(shù)據(jù)的傳輸主體、網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、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(nóng)業(yè)大田的特點，采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及路由中轉(zhuǎn)、點播和廣播并存的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)終端節(jié)點在大田中的分布位置，在距離協(xié)調(diào)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(zhuǎn)。同時，通過修改Z-STACK協(xié)議棧中的通信定義，協(xié)調(diào)器發(fā)送命令采用廣播方式，節(jié)點向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)采用點播方式。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建示意圖如圖4所示。

2.3 農(nóng)田精準(zhǔn)滴灌系統(tǒng)軟件設(shè)計

農(nóng)田精準(zhǔn)滴灌系統(tǒng)軟件設(shè)計分為主程序部分和節(jié)點部分。要構(gòu)建ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)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(nèi)部運用任務(wù)輪詢模式工作，在CC2530中移植入Z-STACK協(xié)議棧，并結(jié)合實際工作流程添加相應(yīng)代碼程序。節(jié)點接收到協(xié)調(diào)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(diào)器發(fā)送來的開關(guān)閥門命令，便控制其對應(yīng)地塊的閥門打開或閉合。主控中心的主控處理器STM32承擔(dān)全部的數(shù)據(jù)處理、命令產(chǎn)生及傳輸控制任務(wù)。STM32定時周期性地產(chǎn)生數(shù)據(jù)問詢命令，經(jīng)協(xié)調(diào)器下發(fā)到ZigBee網(wǎng)絡(luò)，通知各個節(jié)點采集傳感器數(shù)據(jù)。STM32內(nèi)部運行控制模型和決策系統(tǒng)，當(dāng)接收到ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(jié)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(jīng)協(xié)調(diào)器將命令下發(fā)到ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，同時STM32將各項大田參數(shù)經(jīng)串口送至TFT觸摸屏實時顯示。農(nóng)田精準(zhǔn)滴灌系統(tǒng)的軟件工作流程如圖5所示。

3 農(nóng)田精準(zhǔn)滴灌系統(tǒng)應(yīng)用情況

農(nóng)田精準(zhǔn)滴灌系統(tǒng)于2017年在寧夏農(nóng)墾中心黃羊灘農(nóng)場的0.6 hm2大田上裝機運行了1年，其間大田種植的農(nóng)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(jié)果實顆粒飽滿，收獲了較好的經(jīng)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(nóng)田精準(zhǔn)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(nóng)田精準(zhǔn)滴灌系統(tǒng)運行期間的觸摸屏界面如圖8所示。

4 結(jié)論

隨著農(nóng)業(yè)滴灌技術(shù)的廣泛推廣，在滴灌的應(yīng)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(nóng)業(yè)大田精準(zhǔn)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(nóng)業(yè)大田中各項起決定作用的環(huán)境因素，可針對不同農(nóng)作物的灌溉需求，農(nóng)作物不同生長周期的灌溉需求，建立不同的控制模型，結(jié)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(nóng)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(nóng)業(yè)大田的精準(zhǔn)化灌溉。

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