物聯(lián)網(wǎng)背景下的農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施

物聯(lián)網(wǎng)背景下的農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施摘要：本文針對(duì)農(nóng)業(yè)智能灌溉領(lǐng)域,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于ZigBee技術(shù)的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由STM32F103單片機(jī)、TRSD-A1土壤濕度傳感器、DHT11溫濕度傳感器、OLED顯示模塊、ULN2003電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、報(bào)警模塊和ZigBee模塊等組成。系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境溫濕度和土壤濕度等關(guān)鍵參數(shù),并通過(guò)設(shè)定的閾值自動(dòng)控制水泵澆灌和電機(jī)通風(fēng),實(shí)現(xiàn)智能化灌溉。同時(shí),系統(tǒng)配備有OLED顯示屏和報(bào)警模塊,可隨時(shí)查看環(huán)境參數(shù)并發(fā)出超限報(bào)警。該系統(tǒng)構(gòu)建在ZigBee網(wǎng)絡(luò)之上,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸,可廣泛應(yīng)用于大規(guī)模農(nóng)業(yè)種植場(chǎng)的遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)和控制。關(guān)鍵詞:智能灌溉;ZigBee;STM32F103;環(huán)境監(jiān)測(cè);自動(dòng)控制DesignandImplementationofAgriculturalIntelligentIrrigationSystemundertheBackgroundofInternetofThingsAbstract：Thisarticlefocusesonthefieldofintelligentirrigationinagriculture,anddesignsandimplementsaremoteenvironmentalmonitoringandcontrolsystembasedonZigBeetechnology.ThesystemmainlyconsistsofSTM32F103microcontroller,TRSD-A1soilmoisturesensor,DHT11temperatureandhumiditysensor,OLEDdisplaymodule,ULN2003motordrivemodule,alarmmodule,andZigBeemodule.Thesystemcanmonitorkeyparameterssuchastemperature,humidity,andsoilmoistureinreal-timeforcropgrowth,andautomaticallycontrolwaterpumpirrigationandmotorventilationthroughsetthresholds,achievingintelligentirrigation.Atthesametime,thesystemisequippedwithanOLEDdisplayscreenandalarmmodule,whichcanviewenvironmentalparametersatanytimeandissueanoverlimitalarm.ThissystemisbuiltontopoftheZigBeenetworkandachieveswirelessdatatransmission,whichcanbewidelyusedforremoteenvironmentalmonitoringandcontroloflarge-scaleagriculturalplantations.Keywords：Intelligentirrigation;ZigBee;STM32F103;Environmentalmonitoring;automaticcontrol 目錄TOC\o"1-3"\h\u252221.緒論 ４物聯(lián)網(wǎng)背景下的農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)施1.緒論1.1課題的來(lái)源農(nóng)業(yè)是我國(guó)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè),農(nóng)村人口占總?cè)丝诘谋壤^大,農(nóng)業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中具有重要地位。隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)向規(guī)?；?、現(xiàn)代化發(fā)展,傳統(tǒng)的人工管理和粗放式的農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境控制模式已不能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的需求。如何通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)手段優(yōu)化農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境、提高農(nóng)業(yè)水資源利用率、降低人力投入已成為當(dāng)前亟待解決的問題。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉多采用人工控制的灑水或渠道灌溉方式,這種方法往往存在灌溉不均勻、漏灌或重復(fù)澆水的問題,水資源利用率較低。同時(shí),人工管理的方式需投入大量人力物力,增加了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)營(yíng)成本。為有效解決這些問題,智能灌溉系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生,它可根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的作物生長(zhǎng)環(huán)境自動(dòng)控制水分供給,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)高效的作物用水管理。物聯(lián)網(wǎng)與嵌入式技術(shù)的發(fā)展為智能農(nóng)業(yè)裝備提供了技術(shù)支持,使遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化控制成為可能。本課題將基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),設(shè)計(jì)一種集環(huán)境檢測(cè)、數(shù)據(jù)傳輸和自動(dòng)控制為一體的農(nóng)業(yè)智能灌溉系統(tǒng),對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境實(shí)現(xiàn)智能化管理和優(yōu)化調(diào)節(jié),可顯著提高水資源利用效率,減輕農(nóng)民的體力勞動(dòng)強(qiáng)度,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展前景國(guó)外在智能農(nóng)業(yè)領(lǐng)域起步較早,尤其是在溫室大棚等設(shè)施農(nóng)業(yè)中,基于各類傳感器的環(huán)境監(jiān)測(cè)與自動(dòng)控制系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。早在20世紀(jì)90年代,以色列就在其南部地區(qū)的溫室大棚中使用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)環(huán)境參數(shù)如溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度和土壤濕度進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)和調(diào)控。荷蘭作為農(nóng)業(yè)大國(guó),其智能農(nóng)業(yè)的發(fā)展更為領(lǐng)先。該國(guó)政府大力支持溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的研發(fā),鼓勵(lì)農(nóng)場(chǎng)采用自動(dòng)化環(huán)境控制設(shè)備。溫室內(nèi)的光照、溫濕度、CO2水平及灌溉系統(tǒng)等均可通過(guò)計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)調(diào)節(jié),促進(jìn)作物生長(zhǎng),提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質(zhì)。美國(guó)在智能溫室大棚及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)方面也進(jìn)行了大量研究。佛羅里達(dá)大學(xué)開發(fā)了集環(huán)境監(jiān)測(cè)、自動(dòng)灌溉和施肥于一體的綜合控制系統(tǒng),可為溫室和露地作物提供定制化的生長(zhǎng)控制方案。加州大學(xué)戴維斯分校則專注于遙感技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用,開發(fā)出基于航空遙感的農(nóng)田水分監(jiān)測(cè)與灌溉決策支持系統(tǒng)。我國(guó)在智能農(nóng)業(yè)領(lǐng)域起步較晚,但近年來(lái)也有多項(xiàng)研究成果問世。清華大學(xué)在空地設(shè)施農(nóng)業(yè)中應(yīng)用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了光照、溫濕度及土壤水分等環(huán)境因子的實(shí)時(shí)無(wú)線監(jiān)測(cè)。北京農(nóng)學(xué)院在北京通州區(qū)建立了一個(gè)智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控示范基地,可實(shí)現(xiàn)對(duì)旱作農(nóng)田的環(huán)境參數(shù)無(wú)線監(jiān)測(cè)及農(nóng)事作業(yè)的智能決策。上述系統(tǒng)多采用基于互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程有線或無(wú)線監(jiān)測(cè)方案,建設(shè)和維護(hù)成本較高,系統(tǒng)復(fù)雜。近年來(lái),ZigBee作為一種低功耗、低成本的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到重視。浙江大學(xué)開發(fā)的基于ZigBee的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng),對(duì)溫室環(huán)境實(shí)現(xiàn)了無(wú)線監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制。該系統(tǒng)成本低廉、部署靈活便捷、能耗低且擴(kuò)展性強(qiáng)?？梢钥闯?無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能農(nóng)業(yè)領(lǐng)域存在良好的應(yīng)用前景。我國(guó)智能農(nóng)業(yè)起步較晚,與發(fā)達(dá)國(guó)家相比在環(huán)境參數(shù)檢測(cè)、無(wú)線通信和自動(dòng)控制技術(shù)等方面還有一定差距,亟需加大科技投入,抓住物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的發(fā)展機(jī)遇,構(gòu)建切合國(guó)情的智能農(nóng)業(yè)體系。1.3本文主要內(nèi)容本文針對(duì)農(nóng)業(yè)智能灌溉的實(shí)際需求,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和ZigBee網(wǎng)關(guān)三部分組成。終端節(jié)點(diǎn)安裝在農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng),集成了多種傳感器,用于采集現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。主要包括土壤濕度傳感器、溫濕度傳感器、OLED顯示屏、水泵驅(qū)動(dòng)電路、風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路等硬件模塊,以及單片機(jī)主控制模塊和ZigBee無(wú)線通信模塊。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心,負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立和路由維護(hù),并匯總各終端節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。ZigBee網(wǎng)關(guān)是協(xié)調(diào)器與外部系統(tǒng)的連接通道,例如可與上位機(jī)或物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)互連,實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)農(nóng)田的遠(yuǎn)程集中監(jiān)控和管理。該系統(tǒng)構(gòu)建在ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)之上,利用ZigBee技術(shù)的低功耗、低成本和自組網(wǎng)等優(yōu)勢(shì)來(lái)實(shí)現(xiàn)農(nóng)田現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和有效控制,具有較好的可擴(kuò)展性和實(shí)用價(jià)值。相比之前的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng),本系統(tǒng)具有以下幾方面創(chuàng)新。本文在物聯(lián)網(wǎng)背景下嘗試應(yīng)用嵌入式和無(wú)線通信技術(shù),為農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)和智能化環(huán)境控制提供了一種較為先進(jìn)和實(shí)用的解決方案。2功能與設(shè)計(jì)方案2系統(tǒng)總體方案概述2.1系統(tǒng)方案概括本智能灌溉控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。硬件包括主控制單元、環(huán)境檢測(cè)單元、執(zhí)行控制單元、人機(jī)交互單元和無(wú)線通信單元等模塊。主控制單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心,由STM32F103單片機(jī)構(gòu)成。它集成了主頻可達(dá)72MHz的ARMCortex-M3內(nèi)核,擁有128KB的FLASH存儲(chǔ)空間和20KB的SRAM,并提供豐富的外設(shè)資源如GPIO、UART、I2C、SPI、ADC等接口,可方便地與各類傳感器和執(zhí)行器相連。環(huán)境檢測(cè)單元負(fù)責(zé)采集農(nóng)田的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù),包括土壤濕度檢測(cè)和溫濕度檢測(cè)兩部分。土壤濕度檢測(cè)電路由模擬式TRSD-A1土壤濕度傳感器與STM32的ADC模塊相連;溫濕度檢測(cè)則采用數(shù)字式DHT11溫濕度傳感器,通過(guò)I2C接口與單片機(jī)相連。執(zhí)行控制單元用于根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)農(nóng)田環(huán)境進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié),包括水泵控制和風(fēng)扇控制兩部分。水泵由直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng),通過(guò)ULN2003和晶體管組成的驅(qū)動(dòng)電路與單片機(jī)的控制端口相連;風(fēng)扇同樣由直流電機(jī)構(gòu)成,其驅(qū)動(dòng)電路與水泵類似。人機(jī)交互單元由0.96英寸OLED顯示屏和按鍵模塊組成。OLED顯示屏分辨率為128×64,驅(qū)動(dòng)芯片為SSD1306,與單片機(jī)通過(guò)4線SPI接口相連,可顯示文字、圖標(biāo)等信息,為用戶提供參數(shù)查看界面。按鍵模塊用于設(shè)置閾值等參數(shù)。無(wú)線通信單元使用ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)參數(shù)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸,本設(shè)計(jì)選擇CC2530ZigBee模塊。該模塊工作在2.4GHzISM頻段,支持ZigBee協(xié)議棧,最高傳輸速率250kbps,通過(guò)SPI接口與單片機(jī)連接。圖2-1系統(tǒng)框圖2.2系統(tǒng)的方案論證2.2.1主控制器的確定智能灌溉控制系統(tǒng)的核心是其主控制單元,即需要選擇一款性能適中且資源豐富的嵌入式微控制器。本設(shè)計(jì)方案選擇采用ARMCortex-M3內(nèi)核的STM32F103單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制芯片,主要基于以下幾點(diǎn)考慮:（1）性能的需求STM32F103搭載ARMCortex-M3內(nèi)核,主頻可達(dá)72MHz,具有較高的運(yùn)算能力。系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)讀取多路模擬和數(shù)字量輸入,并根據(jù)一定的控制算法控制多路執(zhí)行器,對(duì)主控芯片的實(shí)時(shí)性和并發(fā)處理能力有較高要求。Cortex-M3內(nèi)核的高能效和豐富指令集可以較好滿足這些需求。（2）資源的需求STM32F103集成了豐富的硬件資源,可以很好地滿足系統(tǒng)的外圍器件連接需求。具體包括:多達(dá)112個(gè)GPIO口,可廣泛用于控制外圍電路;3個(gè)12位ADC,可輕松接入TRSD-A1等模擬量傳感器;3個(gè)全雙工USART串口和2個(gè)硬件I2C接口,可用于與其他總線設(shè)備通信;2個(gè)SPI接口,可用于連接OLED、ZigBee等外設(shè)模塊;7個(gè)通用定時(shí)器,可滿足脈沖積分運(yùn)算需求;預(yù)取緩存等多種高級(jí)功能也可提升整體性能。（3）成本的考慮基于ARMCortex-M內(nèi)核的單片機(jī)在國(guó)內(nèi)外均有多家廠商生產(chǎn),種類較為豐富,價(jià)格便宜且供貨渠道通暢。以STM32系列為例,單片機(jī)定價(jià)約20元左右,價(jià)格實(shí)惠。相比之下,選用ARM9、ARM11等較高級(jí)的應(yīng)用處理器,成本和功耗將大大增加,不利于本系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。（4）工具和文檔的支持ST公司為STM32系列提供了豐富的軟硬件工具資源,包括免費(fèi)的MDK-ARM開發(fā)環(huán)境、RIDE調(diào)試環(huán)境、STMStudio上位機(jī)等。同時(shí)提供詳盡的硬件及軟件參考手冊(cè)、應(yīng)用筆記和實(shí)例程序,為開發(fā)者提供了良好的支持。綜合上述因素考慮,STM32F103是一款在成本、性能和資源等諸多方面表現(xiàn)優(yōu)異的MCU控制器,完全滿足了本系統(tǒng)的應(yīng)用需求,因此作為系統(tǒng)的主控制器無(wú)疑是一個(gè)合理選擇。2.2.2顯示模塊的確定對(duì)于這樣一個(gè)遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)與調(diào)控系統(tǒng),現(xiàn)場(chǎng)終端節(jié)點(diǎn)必須具備人機(jī)交互功能,方便用戶隨時(shí)查看參數(shù)并進(jìn)行必要的操作設(shè)置。在多種人機(jī)交互手段中,顯示屏是最常用和最有效的一種。本系統(tǒng)選擇了0.96英寸的OLED顯示模塊。該模塊分辨率為128x64,尺寸適中,可滿足系統(tǒng)的基本顯示需求。它采用SPI串行接口,只需占用MCU的4根IO線即可完成控制,接口簡(jiǎn)單且傳輸效率高?？刂菩酒瑸镾olomonSystechSSD1306,是純硬件的點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)電路,無(wú)需太多的MCU軟件支持。該款OLED顯示模塊自身集成驅(qū)動(dòng)電源和控制器,功耗低且亮度高。外觀采用鋁合金邊框,體積小巧、外形美觀,并具有一定的防水防塵能力,適合戶外應(yīng)用。最重要的是,它作為常用的OLCD模塊,成本僅幾元,貨源充足,具有良好的經(jīng)濟(jì)性和供貨穩(wěn)定性。這款OLED顯示模塊綜合了分辨率、功能、可靠性和價(jià)格等諸多因素,完全滿足系統(tǒng)的需求。2.2.3土壤濕度模塊的確定土壤濕度是衡量土壤含水量的重要指標(biāo),對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況有直接影響。根據(jù)檢測(cè)到的土壤濕度狀況,智能灌溉系統(tǒng)可適時(shí)啟動(dòng)水泵進(jìn)行澆灌,從而優(yōu)化作物生長(zhǎng)環(huán)境,提高用水效率。考慮到測(cè)量精度、抗干擾能力、成本、供貨等諸多因素,本系統(tǒng)選擇了TRSD-A1模擬式土壤濕度傳感器。它采用了電阻式測(cè)量原理,輸出為模擬電壓信號(hào),可直接連接到MCU的ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器。這種模擬量形式無(wú)需單片機(jī)做復(fù)雜的通信協(xié)議解析,處理效率高且易于實(shí)現(xiàn)。由于TRSD-A1屬于電阻式檢測(cè),其輸出電壓會(huì)受環(huán)境溫度等因素影響。為提高檢測(cè)準(zhǔn)確度,需對(duì)其輸出進(jìn)行溫度補(bǔ)償。此外,埋設(shè)方式和電極與土壤接觸狀況也是影響測(cè)量精度的關(guān)鍵因素。如果應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)精度要求極高,也可采用電容式或張力式設(shè)備,但代價(jià)是成本和功耗的大幅增加。2.2.4溫濕度檢測(cè)模塊的確定除了土壤濕度外,環(huán)境溫度和空氣相對(duì)濕度也是影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵氣象因素。例如,溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)給作物帶來(lái)不利影響,甚至導(dǎo)致作物受傷;空氣濕度過(guò)高容易滋生病菌,濕度過(guò)低也不利于作物正常生理代謝。本系統(tǒng)選用了DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器。DHT11是一款低成本的單總線數(shù)字溫濕度傳感器,其工作原理是利用電容濕度傳感器對(duì)濕度的變化做出響應(yīng),熱敏電阻對(duì)溫度做出響應(yīng)。它將溫濕度值經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后,以單總線方式傳輸出去。它的低成本、可靠性高、功耗低、接口簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)更加突出,是智能灌溉系統(tǒng)的理想溫濕度檢測(cè)器件。在實(shí)際應(yīng)用中,可結(jié)合具體環(huán)境條件,合理布置多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交叉檢測(cè),以提高整體測(cè)量精度。如果應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)精度要求非常高,我們也可考慮采用精度更高、測(cè)量性能更優(yōu)但成本也更高的產(chǎn)品,如Sensirion公司SHT系列等溫濕度傳感器。但從性價(jià)比角度考慮,DHT11在大多數(shù)普通農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)應(yīng)用中已足夠使用。2.3ZigBee技術(shù)介紹ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)量無(wú)線通信技術(shù)。IEEE為其無(wú)線電收發(fā)器及相關(guān)協(xié)議規(guī)定了詳細(xì)的規(guī)范。自2004年正式推出以來(lái),ZigBee就憑借其低功耗、低成本、可靠等優(yōu)點(diǎn),在諸如智能家居、工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療保健及農(nóng)業(yè)自動(dòng)化等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛使用。ZigBee無(wú)線傳輸采用DSSS(直接序列擴(kuò)頻)技術(shù),在2.4GHz的ISM頻段內(nèi)工作,最大傳輸速率為250kbps,理論有效傳輸距離可達(dá)100米左右。它采用OQPSK調(diào)制方式,信道數(shù)共有16個(gè),每信道帶寬為2MHz。同時(shí)支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),包括點(diǎn)到點(diǎn)、星型、樹狀和網(wǎng)狀等。在協(xié)議層次結(jié)構(gòu)上,ZigBee定義了自底向上的PHY物理層、MAC數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層NWK以及應(yīng)用層APL。其中PHY和MAC層實(shí)現(xiàn)具體的數(shù)據(jù)傳輸和接收功能,網(wǎng)絡(luò)層NWK則提供網(wǎng)絡(luò)管理、路由發(fā)現(xiàn)及數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)等功能。而APL應(yīng)用層是開放的,用戶可在此基礎(chǔ)上開發(fā)特定的應(yīng)用對(duì)象和應(yīng)用配置文件。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的控制中心,負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的建立、路由維護(hù)及信道管理,一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只能有一個(gè)協(xié)調(diào)器。路由器是協(xié)調(diào)器的助手,主要任務(wù)是中繼路由及轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包,路由器可以與終端節(jié)點(diǎn)、其它路由器或協(xié)調(diào)器相連。終端節(jié)點(diǎn)是無(wú)法轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的普通節(jié)點(diǎn),只能與父節(jié)點(diǎn)(協(xié)調(diào)器或路由)相連,任務(wù)是收發(fā)與本地應(yīng)用相關(guān)的數(shù)據(jù)。無(wú)論協(xié)調(diào)器、路由器還是終端節(jié)點(diǎn),它們均由RF收發(fā)器、微控制單元(MCU)、天線、電源等部分組成。MCU負(fù)責(zé)運(yùn)行應(yīng)用程序與協(xié)議棧、管理硬件設(shè)備,RF收發(fā)器負(fù)責(zé)無(wú)線數(shù)據(jù)的實(shí)際收發(fā)功能。ZigBee協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)了終端設(shè)備自動(dòng)尋址、網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)構(gòu)建與自愈、終端設(shè)備自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)及數(shù)據(jù)路由功能。一旦ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立,網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)就可以根據(jù)地址互相通信,從而實(shí)現(xiàn)分布式的自動(dòng)化控制。此外,ZigBee還支持128位AES加密算法,可提供強(qiáng)有力的安全保障。3系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)3.1STM32簡(jiǎn)介STM32是意法半導(dǎo)體(ST)公司推出的一款基于ARMCortex-M內(nèi)核的32位通用型微控制器系列,廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備、汽車電子等多個(gè)領(lǐng)域。作為系統(tǒng)主控單元,STM32因其強(qiáng)大的性能、豐富的資源和優(yōu)秀的軟硬件生態(tài)而被選用。STM32系列產(chǎn)品線根據(jù)不同內(nèi)核和功能分為多個(gè)系列,如性能入門級(jí)的F0/F1、主流的F2/F3/F4、高端的F7系列等。本智能灌溉系統(tǒng)選用的是基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103xB系列單片機(jī)。該系列集成了72MHz主頻的Cortex-M3內(nèi)核,擁有512KB的Flash及64KB的SRAM存儲(chǔ)空間。STM32單片機(jī)由于采用Cortex-M3內(nèi)核,具有較強(qiáng)的中斷處理能力,最多可支持240個(gè)中斷通道。向量表支持硬件預(yù)取式指令,中斷嵌套達(dá)8級(jí),實(shí)時(shí)性能優(yōu)異。STM32還擁有豐富的指令集和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力,支持硬件除法和硬件乘法運(yùn)算,對(duì)DSP應(yīng)用有較好支持。所采用的Harvard結(jié)構(gòu)也加快了總線傳輸速度。STM32F103系列芯片采用業(yè)界領(lǐng)先的130nm制程工藝制造,功耗低、集成度高、可靠性強(qiáng)。其工作電壓從2V到3.6V不等,靜態(tài)電流僅120uA。同時(shí)具有多種掉電模式,動(dòng)態(tài)功耗更低。STM32F103憑借其高性價(jià)比、豐富資源和優(yōu)秀的架構(gòu)特性,成為最受歡迎的單片機(jī)產(chǎn)品之一,非常適合作為本智能灌溉系統(tǒng)的控制核心。搭配ST提供的Keil/IAR等優(yōu)秀開發(fā)工具和完備的文檔資料,可大幅提高開發(fā)效率和可靠性。圖3-1STM32F103單片機(jī)引腳圖3.2溫濕度監(jiān)測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用了DHT11數(shù)字溫濕度傳感器對(duì)環(huán)境溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。DHT11內(nèi)置濕度測(cè)量電路和溫度測(cè)量電路,采用專用的數(shù)字模數(shù)轉(zhuǎn)換器將檢測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)換為數(shù)字量,并通過(guò)單總線串行接口以數(shù)字方式傳輸出去。DHT11只需要一根單總線即可完成產(chǎn)品與主機(jī)的通訊,因此接口簡(jiǎn)潔,大大節(jié)省了IO口的使用。而且由于采用數(shù)字式串行通訊,DHT11還可在主機(jī)電源不足時(shí)正常工作,連接方便快捷。此外,DHT11的電源電壓范圍為3.3-5V,與MCU接口電壓基本一致。其中數(shù)據(jù)線連接DHT11的DATA引腳,時(shí)鐘線連接MCU的SCL引腳。兩線都需通過(guò)上拉電阻把總線拉高,電阻值通常選擇4.7K歐姆。本設(shè)計(jì)采取的是電阻分壓方式的軟件上拉,即單片機(jī)輸出"1"即可拉高總線。程序設(shè)計(jì)上,需要STM32的IIC初始化例程、數(shù)據(jù)讀取例程和延時(shí)例程。在讀取之前,需首先由主機(jī)發(fā)出開始信號(hào),并發(fā)送讀取命令和溫濕度讀取后的校驗(yàn)數(shù)據(jù),接收完畢后發(fā)送停止信號(hào)。DHT11的讀取過(guò)程如下:主機(jī)發(fā)出一個(gè)開始信號(hào),并發(fā)出濕度/溫度讀取命令,DHT11先發(fā)送一個(gè)響應(yīng)信號(hào),再?gòu)母呶坏降臀灰来蝹鬏?個(gè)濕度數(shù)據(jù)位、8個(gè)溫度數(shù)據(jù)位和校驗(yàn)數(shù)據(jù);主機(jī)每接收到一個(gè)數(shù)據(jù)位后須從機(jī)發(fā)送確認(rèn)信號(hào)。等待DHT11發(fā)出最后一個(gè)低位數(shù)據(jù)后,MCU需在25us內(nèi)接收完畢。接收完所有數(shù)據(jù)后,主機(jī)將發(fā)送一個(gè)停止信號(hào)。由于DHT11的數(shù)據(jù)分8bit高低位依次傳輸,接收程序要做高低位合并處理。而且DHT11數(shù)據(jù)輸出時(shí)序要求嚴(yán)格,響應(yīng)時(shí)間和延時(shí)時(shí)間都有指定范圍,因此單片機(jī)需執(zhí)行精確的延時(shí)函數(shù)。圖3-2DHT11與單片機(jī)的接線圖圖3-3DHT11產(chǎn)品實(shí)物圖3.3土壤濕度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)土壤濕度是影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的關(guān)鍵指標(biāo)之一。本系統(tǒng)選用TRSD-A1模擬式土壤濕度傳感器對(duì)土壤含水量進(jìn)行檢測(cè),該傳感器的輸出為模擬電壓信號(hào)。當(dāng)被測(cè)土壤濕度越高,其電導(dǎo)率越大,模塊內(nèi)部的檢測(cè)電路輸出電壓就越低;反之,土壤濕度越低,輸出電壓就越高。該傳感器量程為0-100%RH,輸出電壓0-3.3V。在本設(shè)計(jì)中,TRSD-A1傳感器模塊的輸出端直接與STM32單片機(jī)的模擬量輸入口(ADC通道)相連。在上位機(jī)軟件編程方面,需先初始化STM32的ADC控制器和DMA傳輸通道,配置采樣率、數(shù)據(jù)對(duì)齊方式等參數(shù)。然后在主程序循環(huán)中周期性啟動(dòng)一次ADC轉(zhuǎn)換,將采樣數(shù)據(jù)通過(guò)DMA傳輸?shù)骄彌_區(qū),最后根據(jù)標(biāo)定公式計(jì)算對(duì)應(yīng)的土壤濕度百分比。TRSD-A1屬于模擬量傳感器,受溫度和電壓等環(huán)境因素影響較大。為提高測(cè)量精度,需要對(duì)其輸出做線性修正或非線性溫度補(bǔ)償。同時(shí)合理的布線和接地也可降低噪聲干擾。TRSD-A1雖然體積小巧,但若長(zhǎng)期埋設(shè)于室外,也應(yīng)注意做好防水防塵防腐蝕等保護(hù)處理,提升整體可靠性。對(duì)于高精度應(yīng)用場(chǎng)合,可采用電容式土壤濕度傳感器,只是價(jià)格和功耗較高。圖3-4土壤濕度傳感器實(shí)物圖3.4OLED顯示電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)配備了0.96英寸OLED顯示模塊,用于現(xiàn)場(chǎng)顯示土壤濕度、環(huán)境溫濕度以及系統(tǒng)狀態(tài)等信息,為現(xiàn)場(chǎng)人員提供數(shù)據(jù)監(jiān)視和人機(jī)交互界面。相比LCD等其它顯示方式,OLED顯示屏功耗低、對(duì)比度高、視角大、響應(yīng)速度快、體積小等優(yōu)點(diǎn)使其成為物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的理想選擇。該OLED顯示模塊的驅(qū)動(dòng)芯片為SolomoSSD1306,芯片內(nèi)部集成有OLED顯示源極驅(qū)動(dòng)電路、行列掃描驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、RAM等,無(wú)需外接多余電路。顯示器分辨率為128×64像素,模塊帶SPI串行接口,僅需通過(guò)4線SPI接口即可完成全部指令控制和數(shù)據(jù)傳輸。圖3-5OLED液晶顯示模塊在單片機(jī)軟件端,首先需初始化SPI控制器及相關(guān)IO口,然后通過(guò)SPI發(fā)送配置命令初始化OLED,最后調(diào)用相應(yīng)函數(shù)在顯存中寫入顯示數(shù)據(jù)。SSD1306支持簡(jiǎn)單的文字、圖標(biāo)和基本圖形顯示。以顯示字符為例,其程序流程為:先發(fā)送設(shè)置列地址命令,再發(fā)送設(shè)置行地址命令確定顯示區(qū)域,接著發(fā)送顯示開始命令后循環(huán)發(fā)送每個(gè)字符的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)至顯存。字庫(kù)可以自行設(shè)計(jì)或者選用業(yè)內(nèi)成熟方案。除顯示電路外,OLED模塊的布局位置和布線走向也需合理設(shè)計(jì),避免靠近電源、電機(jī)等強(qiáng)電磁干擾源,防止顯示畫面噪點(diǎn)過(guò)多影響可讀性。此外,戶外使用時(shí)需注意采取遮陽(yáng)和防水防塵等保護(hù)措施。圖3-6OLED的讀時(shí)序圖3-7OLED的寫時(shí)序4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)總程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)主程序作為單片機(jī)的核心控制流程,負(fù)責(zé)對(duì)各硬件模塊進(jìn)行初始化,獲取環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù),分析處理數(shù)據(jù),執(zhí)行相應(yīng)的控制策略。主程序的總體流程先對(duì)單片機(jī)內(nèi)核、中斷向量表、各硬件外設(shè)模塊(SPI、ADC、OLED等)、全局變量等進(jìn)行初始化設(shè)置。通過(guò)掃描AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器和讀取I2C數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)獲取土壤濕度、溫度和濕度數(shù)據(jù)。將獲取的模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實(shí)際物理量,顯示在OLED上。同時(shí),對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的閾值條件進(jìn)行比較,判斷是否需要執(zhí)行控制操作。根據(jù)判斷結(jié)果,發(fā)出相應(yīng)的控制指令,如開啟或關(guān)閉水泵電機(jī)、電機(jī)風(fēng)扇等。同時(shí)切換LED指示燈狀態(tài),并產(chǎn)生語(yǔ)音報(bào)警提醒。通過(guò)ZigBee模塊,與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)通信,將本節(jié)點(diǎn)狀態(tài)及檢測(cè)數(shù)據(jù)上傳至協(xié)調(diào)器。通過(guò)設(shè)置適當(dāng)?shù)难訒r(shí)周期,控制程序循環(huán)運(yùn)行間隔,避免浪費(fèi)CPU資源。在獲取數(shù)據(jù)和控制執(zhí)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié),均應(yīng)采用實(shí)時(shí)可靠的操作方式,如中斷方式或DMA傳輸?shù)?。同時(shí)需編寫延時(shí)、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信等公用子函數(shù),以提高代碼的可重用性和可維護(hù)性。圖4-1系統(tǒng)總流程圖4.2水泵及風(fēng)扇控制程序根據(jù)系統(tǒng)檢測(cè)到的土壤濕度、溫度和濕度數(shù)據(jù),控制程序需判斷是否滿足相應(yīng)的控制條件,從而決定是否啟動(dòng)水泵或電機(jī)風(fēng)扇進(jìn)行環(huán)境調(diào)節(jié)。電機(jī)風(fēng)扇的控制原理類似,根據(jù)監(jiān)測(cè)到的溫濕度數(shù)據(jù)判斷是否超出設(shè)定的上限閾值,滿足條件時(shí)啟動(dòng)風(fēng)扇進(jìn)行環(huán)境調(diào)節(jié)。除顯示水泵和風(fēng)扇的工作狀態(tài)外,控制程序還需在異常狀況時(shí)啟動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲光報(bào)警,提醒農(nóng)戶注意。如需對(duì)控制策略進(jìn)行優(yōu)化,可采用自適應(yīng)算法自動(dòng)調(diào)整上下限閾值,并增加響應(yīng)的靈敏度和平滑度。也可結(jié)合時(shí)間變量,對(duì)節(jié)能、定時(shí)澆灌等增加控制功能?？刂七壿嬓韪鶕?jù)實(shí)際需求進(jìn)行優(yōu)化和完善。圖4-2外設(shè)執(zhí)行子程序流程圖4.3協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)在本ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)絡(luò)的控制中心,需運(yùn)行相應(yīng)的協(xié)調(diào)器程序。協(xié)調(diào)器運(yùn)行的ZigBee協(xié)議棧軟件一般采用分層的模塊化結(jié)構(gòu),自底向上主要包括硬件抽象層(HAL)、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、安全服務(wù)層和應(yīng)用支撐層等模塊,以及最上層的應(yīng)用對(duì)象和用戶應(yīng)用程序。硬件抽象層提供了硬件驅(qū)動(dòng),用于訪問MCU外設(shè)、RF收發(fā)器和電源管理等硬件資源。MAC層實(shí)現(xiàn)了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議,包括CSMA/CA信道訪問、幀編碼等功能。網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和路由維護(hù)。應(yīng)用支撐層則為終端設(shè)備的應(yīng)用對(duì)象提供接口,如網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對(duì)象、綁定對(duì)象等。以Z-Stack為例,其應(yīng)用對(duì)象包括數(shù)據(jù)對(duì)象、設(shè)備對(duì)象和服務(wù)對(duì)象。數(shù)據(jù)對(duì)象用于終端采集數(shù)據(jù)、控制指令的收發(fā);設(shè)備對(duì)象提供設(shè)備功能及網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù);服務(wù)對(duì)象則為核心協(xié)議棧服務(wù)提供接口等。在編程開發(fā)時(shí),協(xié)調(diào)器程序可基于TI公司提供的Z-Stack協(xié)議棧代碼工程,結(jié)合實(shí)際需求修改并集成相關(guān)應(yīng)用程序模塊。利用ZigBee協(xié)議棧已實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)組建、路由發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?只需關(guān)注具體的應(yīng)用層邏輯即可,開發(fā)過(guò)程將得到極大的簡(jiǎn)化。圖4-3協(xié)調(diào)器流程圖4.4ZigBee無(wú)線通訊協(xié)議ZigBee技術(shù)在底層采用了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn),并在其之上構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)層、安全層和應(yīng)用支撐層等高層協(xié)議,從而支持設(shè)備配置、網(wǎng)絡(luò)組織和應(yīng)用對(duì)象等功能。一臺(tái)設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層的地址分配機(jī)制首先獲得網(wǎng)絡(luò)地址,協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)分配地址。然后通過(guò)APS層設(shè)備及服務(wù)發(fā)現(xiàn)機(jī)制發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)的服務(wù),并與之建立連接。之后就可通過(guò)數(shù)據(jù)實(shí)體APSDE-SAP(APS數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)訪問點(diǎn))雙向傳輸數(shù)