基于物聯網技術的智能噴灌控制系統設計

羅江濤 李目 李波 劉昶忻

摘? 要：本文基于ZigBee技術、STM32F103單片機設計了一種基于物聯網的智能噴灌系統，借助ZigBee技術搭建一個無線傳感網絡，系統能夠實現對土壤墑情的自動判斷并做出相應的控制。系統通過各分布式節點采集農作物生長環境的溫度和濕度等信息，利用ZigBee無線通信技術傳送至主控器，主控系統通過分析計算各節點信息實現對噴灌設備的控制，從而實現自動改善土壤環境的作用。同時，主控系統可將相關信息實時傳送至用戶移動設備，實現遠程監控與管理。該系統的應用能夠降低勞動者工作強度，克服根據人的經驗決定灌溉時間和灌溉水量的缺點，提高水資源的利用率，實現對農作物灌溉的科學管理。

關鍵詞：ZigBee;無線傳感網絡;智能噴灌;自組網

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

我國是一個農業大國，農業生產在國民經濟中占據重要地位。進入新世紀，中國農業將逐步從傳統農業向市場化、科技化和生態化農業轉變，從而實現農業的現代化和可持續發展。農業生產離不開用水，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，發展節水灌溉是最有效的方法[1]。節水灌溉簡而言之就是指使用最少的水資源，達到較好的農業生產效益和經濟效益。目前噴灌設備的自動化和現代化水平不高，勞動力資源浪費嚴重，生產效率低，灌溉時間和灌溉水量過多依賴人的經驗，不利于作物的生長和水資源的合理利用。

本文設計了一種基于物聯網技術的智能噴灌控制系統，節省人力資源和水資源，提高生產效率。采用智能噴灌控制系統可實時自動感知農作物生長環境狀況，實現無人值守和遠程監控的精準灌溉，提高水資源利用率，同時也促進農作物的生長。

1? 無線傳感網絡

無線傳感網絡（Wireless Sensor Network）技術是一門多學科融合的技術，其核心部分涉及傳感器技術、無線通信技術、單片機技術以及計算機網絡。無線傳感網絡一般由數據采集單元、數據處理單元、數據傳輸單元以及供電單元等組成，由成千上萬的傳感器節點實現數據的采集，通過無線通信技術使傳感器節點自由組網。無線傳感網絡系統通常包括任務管理節點（Coordinator）、數據匯聚節點（Router）、和傳感器終端[2]。傳感器終端（EndDevice）：負責無線傳感網絡中的傳感節點搭載傳感器負責的數據的采集;任務管理節點：負責傳感網絡的建立與管理，根據系統反饋數據對系統做出相應的判斷;數據匯聚節點：實現傳感器網絡數據的匯集，所有數據都必須統一傳輸到匯聚節點才能被系統以及用戶使用。

無線傳感網絡的協議棧一般都是由應用層、傳輸層、網絡層、數據鏈路層、物理層組成[3]，各層執行各自的任務，同時每層之間相互聯系、協作，根據網絡需要選擇合適的通信方式，協調管理網絡中每個節點的入網、數據發送與接收等功能。無線傳感網絡的協議結構類似于OSI七層模型，各層的具體功能也大致相同，每層之間相互協作，實現資源共享。

2? ZigBee協議棧

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議，可以容納大量的節點，理論上可以多達65000個，節點之間通過通信協議搭建無線傳感網絡，可以提供一套完整的無線數據傳輸方案，ZigBee協議棧體系結構如圖1所示[4]。

ZigBee網絡具有三種網絡拓撲結構，這三種網絡結構分別為樹型結構、星型結構、網狀結構，每種網絡拓撲的路由靈活度不同，需要根據系統設計需要進行選擇。考慮到農田環境的復雜性以及靈活性要求，本系統采用的網狀結構，可以最大限度地提高數據傳輸的靈活性，網絡中的非協調器節點損壞也不會影響系統的數據傳輸，系統會自動選擇其他的路由路徑進行數據轉發，通過網狀結構可以提高系統的容差能力，從而提高系統的可靠性，擴大系統的覆蓋范圍[5]，系統網絡拓撲模型如圖2所示。

3? 基于物聯網的智能噴灌控制系統總體設計

噴灌是目前國內外節水增產效果最好的田間灌溉方式之一。噴灌最突出的優點是適應坡地及不平整的耕地，節省土地，不易產生水土流失和土壤板結，有利于微生物形成良性循環，改善田間小氣候，提高作物產量的同時提升品質。這是其他灌溉方式不具備的，此外噴灌設施還可發揮施肥、噴藥等綜合作用。目前農作物的噴灌基本還是依靠人工控制，根據人的經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，既不利于農作物的生長也造成水資源的浪費。因此，研究高效節水自動噴灌控制系統對提高資源利用率具有重要的實際意義和應用價值。基于物聯網的噴灌控制系統包括以下幾個子系統：

（1）農作物環境監測系統：該系統將農作物的生長環境參數包括天氣溫濕度、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：包括各分布式監測節點的供電系統、噴灌控制繼電器等。該系統根據主控中心的指令完成噴灌控制電機的啟停，實現對灌溉用水的精確控制。監控節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：實現對傳感系統采集數據的處理、顯示并對噴灌系統進行實時控制。同時，通過GSM網絡實現檢測數據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：完成傳感數據的接收以及實現對噴灌系統的遠程控制。用戶可通過手機APP實時獲取農作物的生長環境參數并對噴灌系統進行遠程控制。

本文設計的基于ZigBee技術的智能噴灌控制系統結構圖如圖3所示。

4? 智能噴灌控制系統硬件和軟件設計

4.1  系統硬件電路設計

基于ZigBee技術的智能噴灌系統設計包括各種傳感器電路、設備控制器電路、ZigBee網絡節點電路、ZigBee網絡中心節點電路、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計，包括土壤濕度傳感器電路、噴灌電機控制電路和系統電源電路等。

4.1.1? 濕度傳感器電路設計

土壤濕度傳感器用來測量土壤中水分含量，是整個系統的第一個核心節點，采集數據的穩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濕度信息的轉換。

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據具有一定的穩定性。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，輸入失調電壓小，通過R6設置標準值，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轉換獲取濕度信息，采用連續的模擬量進行數據轉換具有更高的數據準確性。

4.1.2? 噴灌電機控制電路設計

本系統中采用小型直流電機，該電機功耗小、揚程高。系統中噴灌電機采用繼電器進行控制，實現低壓控制高壓，其中，三極管Q1為控制開關。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反向續流，為三極管由導通轉向關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? 系統電源模塊電路設計

該智能噴灌系統采用兩路系統電源進行供電。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模式轉換器的功率MOSFET，輸出電流大，在一定輸入電壓范圍內，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的優勢不僅僅表現在輸出電流大的方面，也表現在優良的帶負載能力以及電路調節能力，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斷。其電路圖如圖6所示。

系統主控芯片STM32F103的正常工作電壓需要維持在2.1V～3.5V，所以需要系統一個將5V電壓轉換為3.3V電壓的電路。本系統采用LM1117-3.3芯片實現，在輸出端加上濾波電容，濾除紋波電壓，改善輸出電壓，提高輸出電壓的穩定性，從而提高系統工作的穩定性。其電壓轉換電路如圖7所示。

4.2? 系統軟件設計

基于ZigBee技術的智能噴灌控制系統軟件設計，主要包括ZigBee無線終端節點收發程序、ZigBee協調器收發程序、主控器管理與控制程序和GSM無線通信收發程序。首先，根據系統設計要求和控制過程，確定系統控制軟件的設計流程;然后，在設計好流程圖的基礎上完成各個功能模塊的軟件設計及調試。最后，根據調試情況對控制軟件進行修改與完善，以滿足系統的控制要求。

本系統的軟件設計主流程如圖8所示，其基本過程為：

（1）傳感器采集信號：傳感設備將采集到的溫度、濕度等信息經過放大和濾波電路處理后，由終端節點通過ZigBee無線網絡傳送到協調器，再通過串口傳給主控中心。

（2）信息顯示：主控中心將從ZigBee網絡接收到的農作物生長環境信息通過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境參數達到設定閾值，主控模塊則通過GSM無線模塊將數據傳給用戶，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定的值進行對比，實現精準控制。同時，在系統運行過程中，用戶可以通過GSM模塊來更改設定閾值并實現對水泵停啟的控制。

5? 系統調試

本設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據需要通過ZigBee網絡實現數據的傳輸，終端正常工作示意圖如圖9所示。

主控中心與協調器之間通過串口實現通信，根據協調器返回的數據對土壤墑情進行判斷。通過主控中心驅動GSM模塊，實現用戶數據接收以及閾值修改等功能。協調器主要匯集節點信息并傳送給主控中心。主控中心與協調器正常工作示意圖如圖10、圖11所示。

6? 結? 論

本文以滿足現實需求出發，以設計農作物噴灌系統為目標，針對國內相關領域研究相對比較薄弱的現狀，依托當前先進的主控器和接口電路以及無線技術，設計完成智能噴灌控制系統，促進國內在該領域的應用發展，提高噴灌系統的自動化程度，節省人力資源和水資源，實現精確灌溉。

參考文獻：

[1] 陳勇，曹玉保，王林強.基于物聯網的農業灌溉監控系統設計 [J].電子設計工程，2012，20（22）：104-106.

[2] 褚琳琳.國內外噴灌技術研究現狀與發展趨勢 [J].節水灌溉，2014（6）：71-74.

[3] 方國棟，張育釗.基于ZigBee技術的環境在線監測系統 [J].現代計算機（專業版），2018（16）：76-80.

[4] 陳永康，鄭筆耕.基于ZigBee技術的數據采集系統設計研究 [J].信息通信，2018（12）：154-155.

[5] 柴淑娟，趙建平.基于ZigBee技術的無線數據傳輸系統 [J].通信技術，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。