基于物联网技术的智能喷灌控制系统设计

2019-09-10罗江涛李目李波刘昶忻

现代信息科技 2019年24期

罗江涛李目李波刘昶忻

摘要：本文基于ZigBee技术、STM32F103单片机设计了一种基于物联网的智能喷灌系统，借助ZigBee技术搭建一个无线传感网络，系统能够实现对土壤墒情的自动判断并做出相应的控制。系统通过各分布式节点采集农作物生长环境的温度和湿度等信息，利用ZigBee无线通信技术传送至主控器，主控系统通过分析计算各节点信息实现对喷灌设备的控制，从而实现自动改善土壤环境的作用。同时，主控系统可将相关信息实时传送至用户移动设备，实现远程监控与管理。该系统的应用能够降低劳动者工作强度，克服根据人的经验决定灌溉时间和灌溉水量的缺点，提高水资源的利用率，实现对农作物灌溉的科学管理。

关键词：ZigBee;无线传感网络;智能喷灌;自组网

中图分类号：TP391.44;TN929.5 文献标识码：A 文章编号：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

我國是一个农业大国，农业生产在国民经济中占据重要地位。进入新世纪，中国农业将逐步从传统农业向市场化、科技化和生态化农业转变，从而实现农业的现代化和可持续发展。农业生产离不开用水，而水资源的总量是有限的，为破解耕地面积有限、淡水资源紧缺的难题，发展节水灌溉是最有效的方法[1]。节水灌溉简而言之就是指使用最少的水资源，达到较好的农业生产效益和经济效益。目前喷灌设备的自动化和现代化水平不高，劳动力资源浪费严重，生产效率低，灌溉时间和灌溉水量过多依赖人的经验，不利于作物的生长和水资源的合理利用。

本文设计了一种基于物联网技术的智能喷灌控制系统，节省人力资源和水资源，提高生产效率。采用智能喷灌控制系统可实时自动感知农作物生长环境状况，实现无人值守和远程监控的精准灌溉，提高水资源利用率，同时也促进农作物的生长。

1 无线传感网络

无线传感网络（Wireless Sensor Network）技术是一门多学科融合的技术，其核心部分涉及传感器技术、无线通信技术、单片机技术以及计算机网络。无线传感网络一般由数据采集单元、数据处理单元、数据传输单元以及供电单元等组成，由成千上万的传感器节点实现数据的采集，通过无线通信技术使传感器节点自由组网。无线传感网络系统通常包括任务管理节点（Coordinator）、数据汇聚节点（Router）、和传感器终端[2]。传感器终端（EndDevice）：负责无线传感网络中的传感节点搭载传感器负责的数据的采集;任务管理节点：负责传感网络的建立与管理，根据系统反馈数据对系统做出相应的判断;数据汇聚节点：实现传感器网络数据的汇集，所有数据都必须统一传输到汇聚节点才能被系统以及用户使用。

无线传感网络的协议栈一般都是由应用层、传输层、网络层、数据链路层、物理层组成[3]，各层执行各自的任务，同时每层之间相互联系、协作，根据网络需要选择合适的通信方式，协调管理网络中每个节点的入网、数据发送与接收等功能。无线传感网络的协议结构类似于OSI七层模型，各层的具体功能也大致相同，每层之间相互协作，实现资源共享。

2 ZigBee协议栈

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低速率、低功耗、短距离的无线通信协议，可以容纳大量的节点，理论上可以多达65000个，节点之间通过通信协议搭建无线传感网络，可以提供一套完整的无线数据传输方案，ZigBee协议栈体系结构如图1所示[4]。

ZigBee网络具有三种网络拓扑结构，这三种网络结构分别为树型结构、星型结构、网状结构，每种网络拓扑的路由灵活度不同，需要根据系统设计需要进行选择。考虑到农田环境的复杂性以及灵活性要求，本系统采用的网状结构，可以最大限度地提高数据传输的灵活性，网络中的非协调器节点损坏也不会影响系统的数据传输，系统会自动选择其他的路由路径进行数据转发，通过网状结构可以提高系统的容差能力，从而提高系统的可靠性，扩大系统的覆盖范围[5]，系统网络拓扑模型如图2所示。

3 基于物联网的智能喷灌控制系统总体设计

喷灌是目前国内外节水增产效果最好的田间灌溉方式之一。喷灌最突出的优点是适应坡地及不平整的耕地，节省土地，不易产生水土流失和土壤板结，有利于微生物形成良性循环，改善田间小气候，提高作物产量的同时提升品质。这是其他灌溉方式不具备的，此外喷灌设施还可发挥施肥、喷药等综合作用。目前农作物的喷灌基本还是依靠人工控制，根据人的经验决定灌溉时间和灌溉水量，存在灌溉不及时和灌溉过量等多问题，既不利于农作物的生长也造成水资源的浪费。因此，研究高效节水自动喷灌控制系统对提高资源利用率具有重要的实际意义和应用价值。基于物联网的喷灌控制系统包括以下几个子系统：

（1）农作物环境监测系统：该系统将农作物的生长环境参数包括天气温湿度、土壤温湿度、土壤pH值和日照强度等信息采集并传输至主控中心。

（2）喷灌控制系统：包括各分布式监测节点的供电系统、喷灌控制继电器等。该系统根据主控中心的指令完成喷灌控制电机的启停，实现对灌溉用水的精确控制。监控节点的电源采用电池和小型太阳能电板供电。阳光充足时利用太阳能供电，其他时间采用备用电池供电。

（3）主控管理平台：实现对传感系统采集数据的处理、显示并对喷灌系统进行实时控制。同时，通过GSM网络实现检测数据的远程传输以及移动终端的控制指令接收等。

（4）手机远程控制APP：完成传感数据的接收以及实现对喷灌系统的远程控制。用户可通過手机APP实时获取农作物的生长环境参数并对喷灌系统进行远程控制。

本文设计的基于ZigBee技术的智能喷灌控制系统结构图如图3所示。

4 智能喷灌控制系统硬件和软件设计

4.1  系统硬件电路设计

基于ZigBee技术的智能喷灌系统设计包括各种传感器电路、设备控制器电路、ZigBee网络节点电路、ZigBee网络中心节点电路、电源电路、主控中心电路、显示电路等等[3]。下面简单介绍几个硬件电路设计，包括土壤湿度传感器电路、喷灌电机控制电路和系统电源电路等。

4.1.1 湿度传感器电路设计

土壤湿度传感器用来测量土壤中水分含量，是整个系统的第一个核心节点，采集数据的稳定性与准确性是后面一系列工作的前提，湿度传感器的原理图如图4所示，整个电路利用湿度不同导致土壤电阻不同的原理来实现湿度信息的转换。

传感器探测头插在土壤里面，引脚3的输入电压为土壤电阻与R5电阻对VCC的分压，由于电阻只会受到电阻本身的影响，而不受其他因素的限制，所以通过电阻分压的办法采集的数据具有一定的稳定性。当土壤湿度小时，两个探头之间的电阻值很大，几乎为无穷大，引脚3输入就相当于VCC值，当土壤湿度很大时，土壤电阻就会减小，一般会减小至几百欧姆，输入电压值就会变化。LM393是一个比较器，输入失调电压小，通过R6设置标准值，当湿度变化时，就可以对OUT引脚进行电平捕获来估计湿度值，此模块也可直接对引脚3进行A/D转换获取湿度信息，采用连续的模拟量进行数据转换具有更高的数据准确性。

4.1.2 喷灌电机控制电路设计

本系统中采用小型直流电机，该电机功耗小、扬程高。系统中喷灌电机采用继电器进行控制，实现低压控制高压，其中，三极管Q1为控制开关。喷灌电机控制电路如图5所示，其中，电阻R18主要起限流作用，降低晶体管T1功耗。电阻R20使晶体管T1可靠截止。二极管D7反向续流，为三极管由导通转向关断时继电器线圈中的电流提供泄放通路，并将其电压箝位在+5V上。当输入高电平时，晶体管Q1饱和导通，继电器线圈通电，触点吸合，水泵工作;当输入为低电平时，晶体管Q1截止，继电器线圈断电，触点断开，水泵停止工作。

4.1.3 系统电源模块电路设计

该智能喷灌系统采用两路系统电源进行供电。主控芯片以及GSM模块单独供电，GSM模块的电源电路中采用MP2359芯片，它是具备单片降压开关模式转换器的功率MOSFET，输出电流大，在一定输入电压范围内，其输出电流峰值可以达到1.2A，满足GSM注册等阶段的大电流需求。MP2359的优势不仅仅表现在输出电流大的方面，也表现在优良的带负载能力以及电路调节能力，芯片自身还具备工作故障保护模式，在此模式下芯片可以逐周期限流以及热关断。其电路图如图6所示。

系统主控芯片STM32F103的正常工作电压需要维持在2.1V～3.5V，所以需要系统一个将5V电压转换为3.3V电压的电路。本系统采用LM1117-3.3芯片实现，在输出端加上滤波电容，滤除纹波电压，改善输出电压，提高输出电压的稳定性，从而提高系统工作的稳定性。其电压转换电路如图7所示。

4.2 系统软件设计

基于ZigBee技术的智能喷灌控制系统软件设计，主要包括ZigBee无线终端节点收发程序、ZigBee协调器收发程序、主控器管理与控制程序和GSM无线通信收发程序。首先，根据系统设计要求和控制过程，确定系统控制软件的设计流程;然后，在设计好流程图的基础上完成各个功能模块的软件设计及调试。最后，根据调试情况对控制软件进行修改与完善，以满足系统的控制要求。

本系统的软件设计主流程如图8所示，其基本过程为：

（1）传感器采集信号：传感设备将采集到的温度、湿度等信息经过放大和滤波电路处理后，由终端节点通过ZigBee无线网络传送到协调器，再通过串口传给主控中心。

（2）信息显示：主控中心将从ZigBee网络接收到的农作物生长环境信息通过OLED显示器显示出来。

（3）阈值报警与更改：如果土壤湿度或其他环境参数达到设定阈值，主控模块则通过GSM无线模块将数据传给用户，同时将自动启停继电器控制灌溉，再次将湿度与用户预先设定的值进行对比，实现精准控制。同时，在系统运行过程中，用户可以通过GSM模块来更改设定阈值并实现对水泵停启的控制。

5 系统调试

本设计中终端搭载湿度传感器负责湿度信息的采集，但是终端的位置并不是固定的，并且与主控中心的距离也不确定，因此终端采集到的数据需要通过ZigBee网络实现数据的传输，终端正常工作示意图如图9所示。

主控中心与协调器之间通过串口实现通信，根据协调器返回的数据对土壤墒情进行判断。通过主控中心驱动GSM模块，实现用户数据接收以及阈值修改等功能。协调器主要汇集节点信息并传送给主控中心。主控中心与协调器正常工作示意图如图10、图11所示。

6 结论

本文以满足现实需求出发，以设计农作物喷灌系统为目标，针对国内相关领域研究相对比较薄弱的现状，依托当前先进的主控器和接口电路以及无线技术，设计完成智能喷灌控制系统，促进国内在该领域的应用发展，提高喷灌系统的自动化程度，节省人力资源和水资源，实现精确灌溉。

参考文献：

[1] 陈勇，曹玉保，王林强.基于物联网的农业灌溉监控系统设计 [J].电子设计工程，2012，20（22）：104-106.

[2] 褚琳琳.国内外喷灌技术研究现状与发展趋势 [J].节水灌溉，2014（6）：71-74.