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

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

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

自動滴灌系統(tǒng)中，土壤濕度是一個重要變量。上位機通過無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)行顯示并對濕度做排序處理、判斷液位是否過限、將壓力和流量傳感器得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合來調(diào)節(jié)變頻器，然后通過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。上位機主程序流程圖如圖5所示。

傳感器節(jié)點上電后，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無線網(wǎng)絡(luò)，休眠等待接收信號，當(dāng)接收到網(wǎng)關(guān)節(jié)點發(fā)出的查詢信號后，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集并發(fā)送回協(xié)調(diào)器節(jié)點。

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

ZigBee 無線收發(fā)模塊軟件開發(fā)采用IAR EmbeddedWorkbench(EW)平臺完成。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。下位機程序流程圖如圖7所示。

4 實驗及結(jié)果分析

對各模塊進(jìn)行驅(qū)動測試，然后對系統(tǒng)整體進(jìn)行協(xié)同工作實驗。通過田間實驗觀測通信質(zhì)量、滴灌效果及系統(tǒng)是否運行正常。

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

(1)空曠無障礙測試，觀測通信質(zhì)量及通信距離

測試地點：校園空曠處。

測試內(nèi)容：協(xié)調(diào)器主節(jié)點上電，建立網(wǎng)絡(luò)后，等待其他子節(jié)點加入。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)行測試，得到一個合適的發(fā)射功率。

測試條件：硬件方面采用CC2530 協(xié)調(diào)器模塊和CC2530 終端節(jié)點模塊分別通過RS 232 協(xié)議與兩臺筆記本電腦進(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)計的CC2530串口透傳程序能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)透明、點對點數(shù)據(jù)傳輸，筆記本電腦端采用Visual Basic編程語言設(shè)計的數(shù)據(jù)包丟包率測試軟件。

測試步驟：在搭建好硬件測試環(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)點中。在筆記本電腦中分別安裝VB數(shù)據(jù)包丟包率測試軟件，通過對發(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NV非易失性存儲器的讀/寫操作對 CC2530 芯片的發(fā)射功率進(jìn)行設(shè)置，收發(fā)1 000個數(shù)據(jù)包，對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)行測試。

測試結(jié)果：在空曠場合采用默認(rèn)功率輸出時，通信距離為120 m左右時丟包率基本為0.0%，說明節(jié)點無線可靠通信距離可達(dá)120 m。

(2)在實驗田中進(jìn)行通信測試

測試地點：現(xiàn)場實驗田;測試內(nèi)容、測試條件、測試步驟：同(1);測試結(jié)果：采用默認(rèn)功率輸出時，節(jié)點無線通信有效傳輸距離可達(dá)80 m.

4.2 項目實驗驗證測試條件：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的信號。選取面積約為20 m×50 m的共12行的農(nóng)作物田作為實驗田，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，每組選取兩個距離較遠(yuǎn)的測試點，取兩個測試點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，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，電磁閥關(guān)閉停止滴灌。

測試結(jié)果：在土壤濕度值低于作物要求下限(如30%)時系統(tǒng)能及時滴灌，當(dāng)濕度達(dá)到作物要求上限(如50%)時系統(tǒng)能過做到適時停止滴灌，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)水滴灌自動控制系統(tǒng)的設(shè)計方案，方案中的STM32田間控制器能夠?qū)崟r監(jiān)測作物土壤濕度和環(huán)境溫度，將傳感器信號通過無線發(fā)送到控制中心，控制中心能夠準(zhǔn)確實時地了解到當(dāng)前系統(tǒng)中各個節(jié)點的工作狀態(tài)，并及時啟動自動滴灌，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，能夠及時地反映到控制中心，通過語音報警等方式立即通知相關(guān)人員進(jìn)行維修，提高了整個系統(tǒng)的可靠性。另外系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，田間布設(shè)靈活，提高了自動灌溉的實用性及對水的使用效率，減小了勞動量、導(dǎo)線和管路敷設(shè)費用，且無需人為操作，能夠長期穩(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)工程提供了強有力的工具。