基于STM32和S3C6410的無(wú)線節(jié)水滴灌自動(dòng)控制系統(tǒng)

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)傳感器工作的控制、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)以及數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)。系統(tǒng)軟件主要包括上位機(jī)軟件與下位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，主要是基于Visual C++的參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)灌溉及查詢歷史記錄等的編程。下位機(jī)程序設(shè)計(jì)有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：一是對(duì)溫濕度、液位、壓力、流量的采集，通過(guò)控制變頻器調(diào)節(jié)水泵或通過(guò)控制繼電器使得電磁閥開啟與閉合;二是ZigBee收發(fā)模塊對(duì)控制信號(hào)的接收、發(fā)送與執(zhí)行。

自動(dòng)滴灌系統(tǒng)中，土壤濕度是一個(gè)重要變量。上位機(jī)通過(guò)無(wú)線方式向田間控制器發(fā)送采集命令，將接收到傳感器返回信息進(jìn)行顯示并對(duì)濕度做排序處理、判斷液位是否過(guò)限、將壓力和流量傳感器得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合來(lái)調(diào)節(jié)變頻器，然后通過(guò)ZigBee通信板向田間控制器發(fā)送開啟或關(guān)閉電磁閥的指令。上位機(jī)主程序流程圖如圖5所示。

傳感器節(jié)點(diǎn)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，然后選擇信道并加入現(xiàn)有的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，休眠等待接收信號(hào)，當(dāng)接收到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)出的查詢信號(hào)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集并發(fā)送回協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

S3C6410 開發(fā)平臺(tái)具有4 個(gè)UART 接口，在研究設(shè)計(jì)中，采用了MAX3232 芯片來(lái)解決ZigBee通信模塊的CC2530芯片與該開發(fā)平臺(tái)之間的串口通信電平轉(zhuǎn)換。

ZigBee 無(wú)線收發(fā)模塊軟件開發(fā)采用IAR EmbeddedWorkbench(EW)平臺(tái)完成。EW的C/C++交叉編譯器和調(diào)試器是今天世界最完整的和最容易使用專業(yè)嵌入式應(yīng)用開發(fā)工具。網(wǎng)關(guān)ZigBee程序流程圖見圖6.

基于STM32的田間控制器接收到上位機(jī)發(fā)來(lái)的采集命令，進(jìn)而執(zhí)行采集土壤濕度、空氣溫度、液位、壓力、流量等信息并上傳，等待上位機(jī)進(jìn)行智能決策后，將控制命令，如電磁閥開啟關(guān)閉以及變頻器的調(diào)節(jié)，發(fā)送出來(lái)，STM32控制器予以接收并且執(zhí)行。下位機(jī)程序流程圖如圖7所示。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

對(duì)各模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)測(cè)試，然后對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行協(xié)同工作實(shí)驗(yàn)。通過(guò)田間實(shí)驗(yàn)觀測(cè)通信質(zhì)量、滴灌效果及系統(tǒng)是否運(yùn)行正常。

4.1 CC2530無(wú)線通信質(zhì)量測(cè)試CC2530無(wú)線通信模塊性能對(duì)系統(tǒng)整體性能起著至關(guān)重要的作用。CC2530通信模塊的測(cè)試主要包括節(jié)點(diǎn)之間通信距離及數(shù)據(jù)包丟包率的測(cè)試。TI公司推出的通用數(shù)據(jù)包探測(cè)器(General Packet Sniffer)可以對(duì)未加密的通信過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控，故可利用它進(jìn)行通信和組網(wǎng)測(cè)試。

(1)空曠無(wú)障礙測(cè)試，觀測(cè)通信質(zhì)量及通信距離

測(cè)試地點(diǎn)：校園空曠處。

測(cè)試內(nèi)容：協(xié)調(diào)器主節(jié)點(diǎn)上電，建立網(wǎng)絡(luò)后，等待其他子節(jié)點(diǎn)加入。通過(guò)在協(xié)議棧中配置CC2530單芯片射頻部分的輸出功率寄存器，來(lái)使協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行通信，按照規(guī)定的協(xié)議數(shù)據(jù)格式相互發(fā)送數(shù)據(jù)包，從而能夠?qū)C2530通信模塊的通信距離、數(shù)據(jù)包丟包率進(jìn)行測(cè)試，得到一個(gè)合適的發(fā)射功率。

測(cè)試條件：硬件方面采用CC2530 協(xié)調(diào)器模塊和CC2530 終端節(jié)點(diǎn)模塊分別通過(guò)RS 232 協(xié)議與兩臺(tái)筆記本電腦進(jìn)行串行通信;并使用到兩條USB轉(zhuǎn)串口數(shù)據(jù)線、電源、CC2530 仿真下載器。軟件方面采用設(shè)計(jì)的CC2530串口透?jìng)鞒绦蚰軌蜻M(jìn)行數(shù)據(jù)透明、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸，筆記本電腦端采用Visual Basic編程語(yǔ)言設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)包丟包率測(cè)試軟件。

測(cè)試步驟：在搭建好硬件測(cè)試環(huán)境后，使用CC2530程序下載仿真器將在IAR Embedded Workbench集成開發(fā)環(huán)境下開發(fā)的CC2530 串行通信程序，分別下載到CC2530 協(xié)調(diào)器與CC2530 終端節(jié)點(diǎn)中。在筆記本電腦中分別安裝VB數(shù)據(jù)包丟包率測(cè)試軟件，通過(guò)對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)(十六進(jìn)制)，發(fā)送數(shù)據(jù)的速度以及通過(guò)對(duì)NV非易失性存儲(chǔ)器的讀/寫操作對(duì) CC2530 芯片的發(fā)射功率進(jìn)行設(shè)置，收發(fā)1 000個(gè)數(shù)據(jù)包，對(duì)CC2530通信模塊在不同的發(fā)射功率下的通信距離、丟包率等性能進(jìn)行測(cè)試。

測(cè)試結(jié)果：在空曠場(chǎng)合采用默認(rèn)功率輸出時(shí)，通信距離為120 m左右時(shí)丟包率基本為0.0%，說(shuō)明節(jié)點(diǎn)無(wú)線可靠通信距離可達(dá)120 m。

(2)在實(shí)驗(yàn)田中進(jìn)行通信測(cè)試

測(cè)試地點(diǎn)：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)田;測(cè)試內(nèi)容、測(cè)試條件、測(cè)試步驟：同(1);測(cè)試結(jié)果：采用默認(rèn)功率輸出時(shí)，節(jié)點(diǎn)無(wú)線通信有效傳輸距離可達(dá)80 m.

4.2 項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證測(cè)試條件：將網(wǎng)關(guān)上ZigBee天線安置在室外空曠無(wú)遮掩處，使得能夠接收到較強(qiáng)的信號(hào)。選取面積約為20 m×50 m的共12行的農(nóng)作物田作為實(shí)驗(yàn)田，由于農(nóng)作物的根系一般深度為10~20 cm，因此將土壤溫濕度傳感器探頭埋入地下10 cm處，其中2行作為一組，每組選取兩個(gè)距離較遠(yuǎn)的測(cè)試點(diǎn)，取兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)的平均值來(lái)代表這一行范圍作物的環(huán)境狀況。當(dāng)采集到的濕度值低于30%時(shí)，電磁閥打開，水源通過(guò)電磁閥、壓力傳感器、流量傳感器流入滴灌支管進(jìn)行灌溉，滴灌進(jìn)行中當(dāng)土壤濕度值高于50%時(shí)，電磁閥關(guān)閉停止滴灌。

測(cè)試結(jié)果：在土壤濕度值低于作物要求下限(如30%)時(shí)系統(tǒng)能及時(shí)滴灌，當(dāng)濕度達(dá)到作物要求上限(如50%)時(shí)系統(tǒng)能過(guò)做到適時(shí)停止滴灌，電磁閥開啟成功率為96%.

5 結(jié)論

本文提出的一種無(wú)線節(jié)水滴灌自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，方案中的STM32田間控制器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)作物土壤濕度和環(huán)境溫度，將傳感器信號(hào)通過(guò)無(wú)線發(fā)送到控制中心，控制中心能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地了解到當(dāng)前系統(tǒng)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)，并及時(shí)啟動(dòng)自動(dòng)滴灌，非常有利于農(nóng)作物的生產(chǎn)。一旦出現(xiàn)通信中斷、水壓異常等，能夠及時(shí)地反映到控制中心，通過(guò)語(yǔ)音報(bào)警等方式立即通知相關(guān)人員進(jìn)行維修，提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。另外系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，田間布設(shè)靈活，提高了自動(dòng)灌溉的實(shí)用性及對(duì)水的使用效率，減小了勞動(dòng)量、導(dǎo)線和管路敷設(shè)費(fèi)用，且無(wú)需人為操作，能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作，方便大面積安裝、維護(hù)和系統(tǒng)回收，為我國(guó)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)工程提供了強(qiáng)有力的工具。