基于STM32和ZigBee的农业大田精准滴灌系统设计

2019-08-20赵正军王福平李瑞辛绪栋

江苏农业科学 2019年9期

赵正军　王福平　李瑞　辛绪栋

摘要：随着宁夏乃至我国西北干旱地区农业大田滴灌技术的逐步推广，提出了一种基于STM32和ZigBee低功耗无线网络的现代农业大田精准滴灌系统，给出了系统的总体设计方案，详细阐释了系统的硬件与软件设计方法，整个系统由主控中心、终端节点、ZigBee无线传输网络、控制模型和决策系统、传感器系统、太阳能供电系统、人机界面等组成。根据应用结果，系统实现了大田有针对性精准化灌溉并取得了较好的节水效果，在我国西北地区有较大的推广价值。

关键词：STM32;ZigBee;物联网;滴灌系统;农业大田节水;智能自动化

中图分类号： S126;S274.2文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2019）09-0243-05

随着经济的发展，我国北部特别是西北地区的水资源短缺问题越来越显著。在水资源的消耗过程中，农业用水的占比最大，而目前我国农业用水效率普遍不高，具有很大的节水空间[1]。近年来，西北地区大力发展节水灌溉技术，以宁夏地区为例，滴灌技术被重点推广，政府对农民购置滴灌带设备的费用进行直接补贴[2]。然而在滴灌的实际应用过程中，通常在铺设好滴灌带后，须要对农作物进行灌溉时仅仅是通过1个总进水阀门的开关和对田间墒情的简单判断来决定是否灌溉以及灌溉时间，仍然是一种较为粗放的灌溉模式，缺乏科学性和针对性，自动化程度不高。针对这种特点，结合嵌入式技术和物联网技术，使用STM32微控制器和ZigBee无线数据传输网络设计了一套农业大田精准滴灌系统，可以实现农业大田墒情实时监测，通过运行于STM32中的控制模型和决策算法可实现自动化智能化灌溉。由于该系统可以精确控制灌溉用水量，避免了对水资源的浪费，同时可实现按需定量精准化灌溉，全部过程由STM32微控制器自动完成，节省了劳动力投入，降低了农业生产成本。

1 系统总体方案

1.1 系统工作原理

基于STM32和ZigBee的农业大田精准滴灌系统由智能灌溉与实时监测两部分组成，对整个农业大田进行分块铺设滴灌带，每块田地共用1根进水管，进水管前端连接电磁阀门。通过分布在地块中的终端节点挂载的传感器，对每块农田的各种参数如地表温度、地表湿度、田间光照、田间风向和风速、土壤湿度等参数进行检测，将得到的数据经由ZigBee无线网络传送给主控中心，主控处理器STM32将接收到的数据进行分析处理后，在人机界面上进行实时显示，同时结合设定的灌溉模型和灌溉策略，决定相应地块是否灌溉以及灌溉时长。如此往复执行，从而把所有地块的土壤湿度控制在农作物适宜生长的范围内。地块是否灌溉取决于当前地块的各项环境参数并结合控制模型，经决策系统综合后决定。整个过程由主控中心处理器STM32自动控制，避免了人工定期灌溉中存在的灌溉不足或过量灌溉问题。由于西北地区多为沙化土地，土壤水分蒸发现象严重，人工定期灌溉中还存在着灌溉分布不合理、灌溉不及时、墒情判断不准确、容易浪费水的缺点，系统针对不同地块的不同情况，进行有针对性灌溉，使灌溉分布均匀，保证灌溉能够及时高效。

1.2 系统结构

整个农田精准滴灌系统结构如图1所示，它主要由电磁阀门、终端节点、协调器、传感器、主控中心、太阳能供电、人机界面等组成。主控中心处理器采用意法半导体公司的STM32芯片来实现数据运算处理以及模型参照、命令决策功能。引出STM32的TTL串口经转换芯片转换为RS232接口连接1块7英寸（17.78 cm） TFT LCD触摸屏，用于实时参数显示和控制参数设置。选用德州仪器公司的集成了增强型8051单片机内核的CC2530芯片，实现ZigBee网络终端节点和协调器节点的功能。CC2530支持Z-STACK协议栈用于ZigBee协议无线网络组建与数据传输。在终端节点上挂载RS485总线型土壤湿度传感器用于土壤湿度参数检测，通过CC2530的IO口连接光藕元件和继电器用于控制灌溉电磁阀门开闭。终端节点上同时挂载空气温湿度传感器、光照度传感器、风向与风速传感器，采集各项地表环境参数交由主控处理器STM32进行多因素判断。协调器节点主要负责ZigBee无线组网以及STM32与ZigBee网络间的数据命令收发中转。

2 农田精准滴灌系统设计

2.1 农田精准滴灌系统硬件设计

农田精准滴灌系统硬件设计分为2部分，分别为终端节点和主控中心设计。其中，终端节点采用CC2530F256作为主控制芯片，用于构建符合IEEE 802.15.4协议标准的ZigBee无线传输网络。CC2530芯片上自带RF收发器，内部运行8051内核MCU，工作功耗极低，通过CC2591功率放大器和2.4GHz全向天线，可以实现远距离无线信号传输。节点通过CC2530实现逻辑控制和ZigBee无线网络数据传输功能，节点采集农业大田中各项传感器参数，传感器分别是RS485總线型土壤湿度传感器、DHT11数字式单总线温湿度传感器、MAX44009数字式IIC接口光照度传感器、RS485型风向风速传感器。土壤湿度传感器用于检测大田土壤含水量，DHT11温湿度传感器用于检测大田地表空气温湿度，光照度传感器用于检测大田地表光照度，风向风速传感器用于检测大田地表的风向和风力大小。各项传感器数据传给主控中心STM32，在决策系统中，土壤湿度信息用于判断大田是否须要灌水;地表温湿度信息用于了解大田地表情况，用作判断是否进行灌水的辅助因素，如当地表空气湿度较大时，应适当减少灌水量;地表光照度信息用于间接判断农作物的光合作用和蒸腾作用强度，当蒸腾作用较强时可适当补水;风向风速信息用于判断风力大小，在刮大风的天气停止灌溉，以免土壤松散农作物被风吹起。终端节点同时完成ZigBee无线网络数据传送以及控制打开或关闭灌溉电磁阀门的任务。

主控中心是整个系统的核心，通过主控处理器STM32控制着整个系统工作过程中的各个步骤。对接收到的各种传感器数据，经过主控中心STM32的处理后，判断产生相应的决策控制信号并下发，同时将传感器数据实时显示在触摸屏上以供监测。主控中心的协调器仍采用CC2530芯片，它负责在主控处理器STM32和ZigBee网络之间进行各项传感器参数和控制命令的数据中转，同时负责整个ZigBee无线网络的组建。主控处理器采用STM32F103芯片，它是具有增强型功能、32位的微处理器，相比51单片机，STM32F103芯片外设资源丰富，工作频率高达72 MHz，具有强大的数据处理和控制能力，能有效保证数据处理的实时性和命令运算的高效性，并且价格低廉，性价比较高。触摸屏采用广州大彩光电科技公司的7英寸工业级串口屏 DC10600RS070_05WK，用于实现参数监测等功能。因为农业大田面积广阔，位于效外，所以靠走线供电方式实施较为困难，同时我国西北部地区太阳能资源丰富，每天的日照时间较长[3]，根据这种特性，为终端节点和主控中心设计了太阳能供电方式。主控中心和每个节点均采用一套太阳能供电系统，通过立杆布置在大田合适的位置即可。使用单晶100 W光伏太阳能板结合太阳能控制器构成太阳能发电系统，通过12 V锂离子蓄电池进行电能储存，并实现全天24 h不间断供电。12 V电压通过降压电路转换为 3.3 V 电压为终端节点和主控中心供电，农田精准滴灌系统的硬件电路框图如图2所示。

主控中心CC2530协调器与主控芯片STM32均采用 3.3 V 电源供电，2个芯片的输入电源在电路板上通过0 Ω电阻进行隔离，形成各自的独立系统，方便出故障时分区域排查。CC2530与STM32之间通过TTL串口方式进行交叉连接即可通信。为保证通信效率，通过各自内部程序均将串口配置为115 200 bit/s波特率，字长8位，1个停止位，无奇偶校验位。农田精准滴灌系统相关硬件电路原理图如图3所示。

2.2 ZigBee无线网络设计

ZigBee技术适用于低功耗无线网络组网传输，这里用于构建农业大田传感器数据及命令传输网络。在构建无线网络的结构上，ZigBee设备可构造为3种拓扑网络结构，分别是星状、网状、树状;在传输方式上，ZigBee网络有点播、组播、广播3种传输方式。每个ZigBee无线网络，都是通过节点的16 bit短地址或64 bit长地址来确定通信对象[4]。在ZigBee网络中，协调器处于核心地位，为各个节点自动分配16 bit地址，并组建ZigBee无线网络。ZigBee无线网络作为整个大田无线数据的传输主体、网络的拓扑结构、传输方式等对数据的传输稳定性有着较大的影响。针对农业大田的特点，采用网状拓扑结构以及路由中转、点播和广播并存的ZigBee无线网络。根据终端节点在大田中的分布位置，在距离协调器较远的节点中间布置路由节点，以便对距离较远节点的无线数据进行中转。同时，通过修改Z-STACK协议栈中的通信定义，协调器发送命令采用广播方式，节点向协调器发送数据采用点播方式。ZigBee无线网络的构建示意图如图4所示。

2.3 农田精准滴灌系统软件设计

农田精准滴灌系统软件设计分为主程序部分和节点部分。要构建ZigBee无线网络进行数据传输，须要有 Z-STACK 协议栈的支持[5-15]。Z-STACK协议栈内部运用任务轮询模式工作，在CC2530中移植入Z-STACK协议栈，并结合实际工作流程添加相应代码程序。节点接收到协调器发送过来的数据采集命令，便对各项传感器参数进行采集并上传;节点接收到协调器发送来的开关阀门命令，便控制其对应地块的阀门打开或闭合。主控中心的主控处理器STM32承担全部的数据处理、命令产生及传输控制任务。STM32定時周期性地产生数据问询命令，经协调器下发到ZigBee网络，通知各个节点采集传感器数据。STM32内部运行控制模型和决策系统，当接收到ZigBee网络传送来的大田各项传感器数据后，对数据进行分析处理，并结合控制模型和决策系统，作出各个地块的阀门开闭命令并再次经协调器将命令下发到ZigBee无线网络，同时STM32将各项大田参数经串口送至TFT触摸屏实时显示。农田精准滴灌系统的软件工作流程如图5所示。

3 农田精准滴灌系统应用情况

农田精准滴灌系统于2017年在宁夏农垦中心黄羊滩农场的0.6 hm2大田上装机运行了1年，其间大田种植的农作物为玉米，与周边未使用该系统的田地相比，此块大田的玉米茎秆长势旺盛，所结果实颗粒饱满，收获了较好的经济效益。对试验大田周边某0.06 hm2未使用本系统的大田进行了 15 d 的土壤湿度参数采样，在此期间大田主人进行了2次人工灌溉，与试验大田中的某地块（0.06 hm2）的土壤湿度参数进行对比，得到了如图6所示的土壤湿度参数对比情况。通过对试验大田周边某0.6 hm2未使用本系统的大田15 d用水量进行统计（其间进行2次人工灌溉），与装机的0.6 hm2试验大田用水量进行对比，得到了如图7所示的用水量对比情况。由图6和图7可知，农田精准滴灌系统不仅实现了稳定均匀的大田土壤湿度自动化控制，并且有较好的节水效果。农田精准滴灌系统运行期间的触摸屏界面如图8所示。

4 结论

随着农业滴灌技术的广泛推广，在滴灌的应用过程中如何使其效率更高、节水更多、过程更加自动化，是须要解决的问题。本研究提出了一种基于STM32和ZigBee的农业大田精准滴灌系统，借助于STM32强大的处理能力和ZigBee无线组网传输的便利性，综合考量了农业大田中各项起决定作用的环境因素，可针对不同农作物的灌溉需求，农作物不同生长周期的灌溉需求，建立不同的控制模型，结合各项因素对灌溉过程进行综合决策控制。同时，通过不同的ZigBee节点实行农田分块控制，实现了有针对性的分区灌溉，可有效避免因地势不平等原因造成的灌溉不均问题，实现了对农业大田的精准化灌溉。

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