一種無線節(jié)水滴灌自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

　　基于STM32的田間控制器接收到上位機(jī)發(fā)來的采集命令，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，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無線通信質(zhì)量測(cè)試CC2530無線通信模塊性能對(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)未加密的通信過程進(jìn)行監(jiān)控[4?6],故可利用它進(jìn)行通信和組網(wǎng)測(cè)試。

　?。?）空曠無障礙測(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%,說明節(jié)點(diǎn)無線可靠通信距離可達(dá)120 m。

　?。?）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)通過無線發(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，通過語音報(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，為我國的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)工程提供了強(qiáng)有力的工具。