一種面向贛州臍橙園肥水/農藥智能灌溉控制系統設計

陳鑫意，何劍鋒,2，何月順,2，葉志翔,2，謝祥順

（1.東華理工大學 軟件學院，江西 南昌 330013；2.江西省放射性地學大數據技術工程實驗室，江西 南昌 330013）

0 引 言

我國在農業灌溉方面存在一些問題： 仍以傳統生產經驗為主，缺乏精確調控手段，農田灌溉精度難以保證，造成水資源浪費嚴重； 灌溉技術落后，監測與控制都采用人工管理，缺乏技術創新，存在強度強大、人機交互能力差等弊端，嚴重影響農作物品質和產量[1]。將先進的、適用的現代農業裝備應用于山地果園施肥、節水灌溉、噴霧等果園生產管理中[2-3]，是促進農業現代化轉型和山地果園可持續發展的關鍵步驟，利用智能灌溉系統突破和發展傳統灌溉方式是當今世界農業技術發展的總趨勢。

隨著技術的進步和系統的優化，智能灌溉系統覆蓋的范圍和植物種類越來越多，包括各種蔬菜、作物、果樹和園林樹木等[4]。本文研究一種基于ZigBee傳輸方式，以STM32F103為主控制器，配合地形鋪設管道的臍橙園肥水/農藥噴灑系統，以提高果園水肥/農藥灌溉的效率，解決傳統灌溉技術的不足。

1 系統總體方案設計

總體方案設計如圖1所示。系統方案的設計主要包括數據采集部分、智能控制部分和設備組裝部分。數據采集部分包括CC2530處理器、傳感器檢測節點、路由器、集中器、ZigBee模塊。智能控制部分包括STM32F103微控制器、繼電器模塊、電源模塊、電機等模塊組成。設備組裝部分包括水管、發電機、壓力泵、灌溉噴頭等設備。各模塊完成的功能包括：傳感器檢測節點負責采集果園環境和水壓信息等數據，這些數據主要是考量施肥灌溉時環境因素的[5]；路由器主要功能是實現網絡中數據的接收、上傳與轉發；集中器用于接收傳感器網絡中傳感器檢測節點傳送來的數據信息且將數據上傳至路由器；ZigBee模塊用于與集中器進行無線傳輸和數據交互；STM32F103控制器是臍橙園肥水、農藥噴灑系統的控制核心，負責控制繼電器、智能開關等模塊；繼電器模塊控制開關的工作；電源模塊為整個系統提供電源，并且通過微處理器對電池充放電進行管理，可以延長電池的使用壽命[6]；選用霧化噴頭，高壓狀態下，穿透能力強，起到噴灑農藥的作用。

圖1 智能灌溉系統的總體設計

2 控制系統硬件設計

控制系統硬件設計包括傳感器節點硬件設計、集中器節點硬件設計、開關控制系統的硬件設計。

2.1 傳感器節點硬件設計

傳感器網絡是由許多在空間上分布的自動裝置組成的一種計算機網絡[7]，傳感網絡中最重要的是傳感器節點。傳感器節點的主要任務是數據采集和傳輸。無線傳感器模塊選用ZigBee技術的新一代SOC芯片CC2530[8]。傳感器節點硬件設計如圖2所示。

圖2 傳感器節點硬件設計

傳感器采集水壓、風速、溫度等數據，通過信號處理電路將信號放大，再將放大后的信號傳給CC2350芯片進行處理。CC2350先把接收到的數據信息通過A/D轉換器進行模/數轉換，然后經過計算得到壓力、溫濕度等值，最后通過串口發送到ZigBee模塊，ZigBee模塊將數據發送數據給控制器。對于無線傳感網絡來說，電源模塊起著十分重要的作用，因為它關系到整個系統是否能夠穩定正常的工作[9]，負責給系統中的各個模塊供電。傳感器節點采用電池供電方式，從而在電源供給上擺脫了有線的束縛[10]。

2.2 集中器節點硬件設計

集中器節點主要技術是ZigBee技術。ZigBee技術是一種具有低功耗、低成本、安全可靠、時延短、自動組網能力強等特點的無線通信技術[11]。ZigBee 通信設備能自主搭建網絡[12]，每個節點設備之間必須遵循ZigBee聯盟的標準協議，其中物理層和MAC層遵循的是IEEE 802.15.4協議，上層協議由ZigBee聯盟定義[13]。集中器硬件結構如圖3所示。

圖3 集中器硬件結構

CC2530作為集中器的中心控制器，它的一個串口連接ZigBee模塊。集中器通過ZigBee網絡接收傳感器節點傳送的數據信息。數據信息存儲在集中器的存儲模塊中，再通過ZigBee模塊發送給控制器。CC2530處理器支持ZigBee協議棧，內部集成了增強型8051內核，主頻達32 MHz，帶有模/數轉換器，具有低功耗、自組網等優勢[14]。

2.3 開關控制系統的硬件設計

開關控制系統采用STM32F103單片機連接繼電器模塊，電源、繼電器模塊連接水泵，利用單片機控制繼電器銜鐵的吸合與釋放，從而控制抽水電機開關；而且還能夠簡化驅動電路及控制電路，使系統的可靠性及維護的方便性得到改善[15]。微控制器通過ZigBee模塊與集中器進行通信，對接收到的數據信息進行處理，然后將數據存儲到自帶的存儲模塊中，通過系統時鐘控制繼電器模塊，繼電器控制開關來進行噴灑作業。開關控制系統的硬件設計如圖4所示。

圖4 開關控制系統硬件設計

3 控制系統軟件設計

控制系統軟件設計包括傳感器節點軟件設計、集中器軟件設計、開關控制軟件設計。

3.1 傳感器節點軟件設計

在ZigBee網絡中[16]，信息的整個傳遞過程在軟件層面上是由Z-Stack協議棧進行控制[17]。首先傳感器節點初始化，啟動Z-Stack協議棧且加入網絡，若加入網絡成功再判斷是否要采集指令。其次，如需要采集指令則需要設置采集時間，在采集數據的過程中判斷采集時間是否截止，若時間截止則發送數據。傳感器節點軟件設計流程如圖5所示。

圖5 傳感器節點軟件設計流程

3.2 集中器軟件設計

首先，系統進行上電初始化，傳感器節點建立網絡；其次，集中器一直監聽服務器的命令，當集中器接收到服務器發送的命令時，執行相應的處理；再次，若發現網絡中有傳感器監測節點傳輸過來的數據，集中器開始接收數據；最后，數據通過串口發送到ZigBee模塊，然后由ZigBee模塊發送到控制器上。集中器軟件流程如圖6所示。

圖6 集中器軟件流程

3.3 開關控制軟件設計

開關控制系統的軟件流程如圖7所示。

圖7 開關控制系統的軟件流程

系統首先進行初始化；然后接收集中器傳送的數據信息，控制器對此數據進行計算處理，將處理后的數據存儲到STM32F103自帶的存儲器中，通過這些數據分析處理功能，科技人員可以分析任何一個時間段的環境數據變化規律和極端環境數據出現的規律[18]；再判斷數據是否符合噴灑標準，若符合則通過系統時鐘控制繼電器模塊，繼電器控制開關是否打開，如果數據不符合噴灑標準則，工作人員進行相應處理，并且持續接收集中器發送的數據信息。由于電磁閥通斷時長會影響控制結果，為避免電磁閥頻繁動作，灌溉量輸出時，停止采樣活動[19]。智能灌溉系統的工作流程如圖8所示。

圖8 智能灌溉系統的工作流程

首先系統初始化，然后通過無線傳感器監測土壤的溫濕度、藥池水壓值，再與土壤溫濕度和藥池水壓下限值進行比較，如果小于下限值，則打開電磁閥進行灌溉。考慮到土壤滲水較慢的特點，一般設定停止灌溉一段時間后再進行土壤濕度檢測[20]。

4 設備組裝設計及測試結果分析

4.1 設備組裝設計

由于贛南臍橙園多處于地勢較高處，所以本系統采用管道鋪設的方式實現肥水、農藥的噴灑。管道、發動機壓力泵鋪設圖如圖9所示。

圖9 管道、發動機壓力泵鋪設圖

藥池到臍橙園有一段主管道，負責輸出藥水，每個總管道需要一個開關控制。每個區域鋪設分管道，分管道連接總管道，將藥水輸送至每個區域。發動機和壓力泵需要根據實際的地形來確定安裝的位置，安裝在適當的高度可以更好地平衡好壓力，節約燃油成本和保護好裝置不會壓力過大而損壞。

4.1 測試與結果分析

本系統以超聲波傳感器模擬水壓傳感器，步進電機模擬噴頭進行測試。測試結果如圖10所示。

圖10 測試結果

從測試結果發現，當需要澆灌時，先判斷藥池水面距離是否正常，當藥池水面距離小于規定值或大于規定值時，繼電器關閉，此時，水泵停止抽水，步進電機關閉；當藥池水面距離值在規定范圍內，繼電器打開，水泵開始抽水，且當需要灌溉時，打開步進電機。

4 結 語

本文設計的贛州臍橙園水肥/農藥智能灌溉系統是以STM32F103為微控制器，結合ZigBee通信技術，實現了果園農藥噴灑與灌溉的結合與開關的智能控制。通過鋪設管道將農藥的噴灑變得自動化，同時不會為危害到作業人員的身體健康，有效地提高了臍橙園肥水、農藥噴灑的效率，減少了人力的耗損。為提高勞動生產率，不斷增加農業經濟效益，就必須進一步發展人工智能生態環境，使農業生產向工業化轉變。