紀曉彤++宋潤強++崔浩

摘 要：針對傳統(tǒng)的自動灌溉系統(tǒng)存在的效率低、穩(wěn)定性差等問題，本文提出了一種新的自動灌溉控制方案。本方案以MSP430為主控芯片，結合CC1101作為無線通訊模塊簡化布線，上位機輔助判斷減輕MCU運算負擔。簡約的硬件設計配合功能完善的上位機完成自動控制灌溉、歷史環(huán)境參數記錄、環(huán)境異常短信警告等功能。該系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，具有較好的實用性及可延展性。

關鍵詞：MSP430 自動控制 上位機 輪詢方式

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）05（b）-0134-03

當前我國農業(yè)灌溉水平低，但是節(jié)水潛力巨大，節(jié)水灌溉技術的應用和推廣，是緩解我國水資源緊缺的戰(zhàn)略選擇，是建立節(jié)水型社會的需要[1]?，F有的智能灌溉系統(tǒng)控制器通常采用MCS51等其它微控制器作為控制芯片，并配以較多的模擬電路和邏輯門電路，其設計復雜，功耗、穩(wěn)定性和可靠性難以得到保證[2]。如今，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，一些復雜的數據處理完全可以交給計算機通過上位機軟件完成。

本文將分別從硬件編程和軟件上位機兩個方面，結合外圍電路，介紹一種以MSP430為主控制器的、穩(wěn)定的農田自動灌溉系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體構架及工作原理概述

這種農田自動灌溉系統(tǒng)的整體執(zhí)行思路如圖1所示，本系統(tǒng)采用的是離散型控制系統(tǒng)，其具有三級結構。系統(tǒng)從下到上依次為：傳感器檢測與灌溉執(zhí)行部分，MCU自動檢測控制部分，田間監(jiān)控中心。

底層的傳感器有多種，分別對土壤的溫度、濕度等進行檢測。本系統(tǒng)能根據采集到的土壤濕度情況進行自動控制灌溉，其余采集到的環(huán)境參數供人員參考，做出合適的施肥灌溉決定。這些傳感器或設備受到MCU控制，將信息呈遞到單片機，通過其內部集成的12位ADC對數據進行處理，從而判斷是否需要灌溉，并將數據通過無線通訊模塊發(fā)送到田間監(jiān)控中心。

田間監(jiān)控中心可以修改田間各節(jié)點判斷灌溉的標準值，能夠按時接收并儲存各節(jié)點的環(huán)境參數，記錄灌溉情況，通過折線圖或列表形式顯示。當田間發(fā)生火災或其他異常情況時，軟件通過網絡自動發(fā)出短信提示人員前去查看。此外，上位機能自動從網上下載天氣信息，協(xié)助實現自動灌溉功能。

2 系統(tǒng)硬件部分

2.1 主控芯片

MSP430系列單片機是由TI公司1996年推出的一種16位超低功耗、具有精簡指令集的混合信號處理器。

本系統(tǒng)的主控模塊采用MSP430F2553微處理器。MSP430系列單片機是具有精簡指令集的超低功耗的16位單片機。它的最高工作頻率可達25MHz，同時具有256KB Flash、16 KB RAM，內含硬件乘法器、12位ADC，以及SPI模塊[3]等，四種超低功耗模式，非常適合低功耗產品開發(fā)。它具有五種低功耗模式，在不同的模式下消耗電流為0.1～340 uA[4]，是目前功耗最低的單片機。另外它從低功耗模式轉到活躍模式，需要的時間僅為6 us，可以被快速喚醒。因此該微處理器被廣泛用在智能傳感器、實用檢測儀器、點擊控制、便捷式儀表等領域[5，6]。

2.2 傳感器選用

本系統(tǒng)的檢測部分分別對土壤的溫度、濕度等環(huán)境參數進行檢測，其中土壤溫度傳感器采用DS18B20，土壤濕度傳感器采用FDR土壤濕度傳感器。

土壤溫度傳感器采用的是不銹鋼封裝的DS18B20，如圖2所示。其具有現場安裝簡單、控制方便、系統(tǒng)性能好、易于擴展等特點[7]，插入土壤對地溫進行檢測，精度較高、工作穩(wěn)定，單片機與其進行單總線通訊獲取溫度值。

FDR（Frequency Domain Reflectometry） 土壤濕度傳感器，見圖3，利用電磁脈沖原理，根據電磁波在土壤中傳播頻率測試土壤的表觀介電常數ε，得到土壤容積含水量（θv）[8，9]。其輸出信號為模擬電壓0～ 1.1V，本系統(tǒng)利用MSP430F5438內部的12位ADC直接對其采集到的數據進行處理得到土壤濕度。

2.3 電源模塊

系統(tǒng)供電采用電源轉換器直接將220 V交流電轉為12 V直流電，用于給水泵和土壤濕度傳感器供電。MSP430單片機的供電電壓為3.3 V，為保證散熱效果，采用二級降壓的方式分散熱量，集成LM2596與LM1117，依次將12 V直流電壓轉為5 V和 3.3 V電壓，取3.3 V為MSP430F5438、土壤溫度傳感器及無線通訊模塊供電。電路圖如圖4所示。

2.4 灌溉控制模塊

灌溉控制模塊由單片機、繼電器和水泵組成。單片機根據采集到的土壤濕度，結合此時地溫等條件，判斷是否需要進行灌溉。滿足灌溉條件時，由P3.0口送出控制信號控制至光耦，光耦接通使繼電器開啟，從而開啟水泵。系統(tǒng)中水泵的額定電壓為12V，繼電器作為水泵的開關，選用12V繼電器，因此在電路中并聯續(xù)流二極管保護電路。如圖5所示。

2.5 無線通訊模塊

本系統(tǒng)采用的無線通訊模塊為美國TI公司出品的CC1101。CC1101是一款低于1 GHz高性能射頻收發(fā)器，其內部集成了一個高度可配置的調制解調器，支持多種調制格式，最高數據傳輸率為500 kb/s。在發(fā)射狀態(tài)下，其發(fā)射功率可通過編程調節(jié)，最大發(fā)射功率可達+10 dBm，接收靈敏度最佳為-110 dBm，抗干擾能力強，且功耗極低，可用于極低功耗的RF應用。它與MSP430F5438結合，使系統(tǒng)更為節(jié)能。

3 單片機控制部分

3.1 田間節(jié)點及灌溉控制部分

田間節(jié)點以MSP430F5438為控制核心，結合各傳感器、繼電器、水泵、無線模塊，共同構成。以開發(fā)平臺IAR Embedded Workbench為開發(fā)環(huán)境，對MSP430F5438進行C程序開發(fā)，這款軟件具備高度優(yōu)化的IAR AVR C/C++編譯器，可以有效提高用戶的工作效率。endprint

對田間節(jié)點的環(huán)境參數檢測、數據發(fā)送及控制灌溉，由MSP430F5438單片機控制執(zhí)行。土壤濕度的上下閾值保存在E2PR

OM中，可通過上位機軟件發(fā)送更改預設值命令，更改土壤濕度預設值即灌溉條件。單片機控制灌溉的基本流程如圖6所示。

田間監(jiān)控中心有中央通訊模塊，通訊模塊由MSP430F5438和CC1101組成。中央通訊模塊通過串口與上位機進行通訊，對田間節(jié)點采用輪詢方式進行無線傳輸，避免信息擁塞。

此外，用戶還可直接使用上位機軟件發(fā)送灌溉命令到單片機，開啟水泵灌溉。

3.2 無線通訊部分

本系統(tǒng)中無線收發(fā)模塊采用CC1101，正常情況下，每隔固定的時間發(fā)送一次數據，因此通訊模式為輪詢通訊模式。輪詢方式的工作原理為，總線信道上有一個主站和N個子站，主站向子站發(fā)送詢問命令，子站收到后才可利用信道，以避免信息擁塞。通過MSP430編程對CCll01的4線SPI接口和GDO2測試接口進行配置，結合MSP430的時鐘，將各田間節(jié)點的CC1101設置成輪詢通訊模式。

4 系統(tǒng)上位機軟件部分

4.1 開發(fā)環(huán)境

本上位機軟件收集單片機檢測的溫度、濕度、PH值等數據，經過適當處理，存儲到數據庫中并以折線圖和列表的形式顯示。由于Windows API復雜、難度大，本上位機采用C#語言，在Visual Studio 2010.NET環(huán)境下開發(fā)完成。.NET集成了大量類庫，使用非常方便，可以滿足用戶的各種要求。

4.2 軟件上下位機通訊設計

本上位機使用SerialPort類進行串口通信，SerialPort類為應用程序提供了通過串口收發(fā)數據的簡便方法，具有功能強大，通信快速，實時性好等特點。此外還使用了Timer控件，當Timer控件啟動后，每個一個固定時間段觸發(fā)相同時間。用Timer控件實現了數據接收。

4.3 自動繪圖功能的實現

關于折線圖的顯示，本上位機使用Zed

Gragh控件進行折線圖的繪制，ZedGragh是一個開源的.NET圖表類庫。此類庫比.NET自帶類庫使用更加靈活方便。使用DataGridView控件實現以列表的形式顯示數據。Form1窗體是本上位機的主窗體，擁有各種功能按鈕，并進行折線圖顯示，List窗體是Form1窗體的子窗體，負責進行列表顯示。

系統(tǒng)采集全天的溫度信息并以折線圖顯示界面如圖8所示。

4.4 異常時短信報警功能的實現

報警是指，當上位機接收到的某些數據超過上限值時會發(fā)送短信提醒用戶，如田間發(fā)生火災等。手機短信發(fā)送是本上位機的擴展功能。通過C#編程，實現上位機給手機發(fā)送短信，當客戶不在PC端時提示客戶的功能。該功能的原理是通過一些運營商提供的接口實現的。本上位機采用可發(fā)送短信的Web Service，Web Service是新浪網提供的、可供用戶直接調用的發(fā)送短消息的Web Service。Web Service中提供了一個發(fā)送短消息的方法"sendXml"。此方法的語法格式如下：

string sendXml（carrier，userid，password，mobilenumber，content，msgtype）

carrier：運營商名稱

userid：新浪網上注冊的手機號

password：成功注冊手機后的反饋密碼

mobilenumber：目標手機號碼

content：所要發(fā)送短消息的內容

msgtype：發(fā)送短消息以文本信息形式發(fā)送，輸入"Text"

4.5 上位機軟件其他功能原理及實現

數據保存，通過上位機控制根據用戶需求將接受到的數據保存起來，以便以后可以再次讀取歷史數據。為了數據的安全性，本上位機將數據保存到數據庫中，使用的是Oracle數據庫?；竟δ軐崿F流程如圖9所示。天氣信息通過中國氣象局提供的API獲取，根據獲得的晴雨天氣，給下位機發(fā)送信息協(xié)助判斷、控制灌溉。歷史數據可按照溫度、濕度、pH值按鈕顯示不同數據，可以選擇具體時間或具體節(jié)點查看環(huán)境情況。

5 結語

本文介紹的節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)，利用MSP430單片機內部的ADC模塊使得電路設計簡單化，田間各節(jié)點的單片機收集環(huán)境參數并自動判斷灌溉，上位機通過網絡獲取天氣信息、檢測環(huán)境參數正常，輔助判斷是否應灌溉，并且能對田間每各節(jié)點的灌溉參數進行修改，實現自動控制灌溉。

實驗證明，該系統(tǒng)具備較好的穩(wěn)定性，節(jié)能且運行可靠，可以滿足基本農業(yè)生產需要，使用方便，節(jié)水節(jié)能。但對于數據的處理性不強，仍需做完善。在硬件和軟件方面仍具備可延展性，可采集周邊環(huán)境參數如光照、雨量、CO2等，結合信息融合、PID等算法，提高系統(tǒng)對周圍環(huán)境的分析能力，滿足不同用戶的需求。

參考文獻

[1] 馬成，周進祥.淺析我國農業(yè)節(jié)水灌溉現狀及發(fā)展[J].科技傳播，2009，9下：31-32.

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[4] Texas Instruments Incorporated. Msp430x1xx Family User's Guide[EB/OL].2009-10-01.http：//www.msp430.com.

[5] 秦龍.MSP430單片機應用系統(tǒng)開發(fā)典型實例[M].北京：中國電力出版社，2005：1-345.

[6] 胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位單片機[M].北京：北京航天航空大學出版社，2001：1-316.

[7] 張軍.智能溫度傳感器DS18B20及其應用[J].儀表技術，2010，4：68-70.

[8] 李元壽，王根緒，程玉菲，等.FDR在高寒草地土壤水分測量中的標定及其應用[J].干旱區(qū)地理，2006，29（4）：543-547.

[9] 呂國華，李子忠，趙炳祥，等.頻率域反射儀測定土壤含水量的校正與田間驗證[J].干旱地區(qū)農業(yè)研究，2008，26（4）：33-37.endprint

對田間節(jié)點的環(huán)境參數檢測、數據發(fā)送及控制灌溉，由MSP430F5438單片機控制執(zhí)行。土壤濕度的上下閾值保存在E2PR

OM中，可通過上位機軟件發(fā)送更改預設值命令，更改土壤濕度預設值即灌溉條件。單片機控制灌溉的基本流程如圖6所示。

田間監(jiān)控中心有中央通訊模塊，通訊模塊由MSP430F5438和CC1101組成。中央通訊模塊通過串口與上位機進行通訊，對田間節(jié)點采用輪詢方式進行無線傳輸，避免信息擁塞。

此外，用戶還可直接使用上位機軟件發(fā)送灌溉命令到單片機，開啟水泵灌溉。

3.2 無線通訊部分

本系統(tǒng)中無線收發(fā)模塊采用CC1101，正常情況下，每隔固定的時間發(fā)送一次數據，因此通訊模式為輪詢通訊模式。輪詢方式的工作原理為，總線信道上有一個主站和N個子站，主站向子站發(fā)送詢問命令，子站收到后才可利用信道，以避免信息擁塞。通過MSP430編程對CCll01的4線SPI接口和GDO2測試接口進行配置，結合MSP430的時鐘，將各田間節(jié)點的CC1101設置成輪詢通訊模式。

4 系統(tǒng)上位機軟件部分

4.1 開發(fā)環(huán)境

本上位機軟件收集單片機檢測的溫度、濕度、PH值等數據，經過適當處理，存儲到數據庫中并以折線圖和列表的形式顯示。由于Windows API復雜、難度大，本上位機采用C#語言，在Visual Studio 2010.NET環(huán)境下開發(fā)完成。.NET集成了大量類庫，使用非常方便，可以滿足用戶的各種要求。

4.2 軟件上下位機通訊設計

本上位機使用SerialPort類進行串口通信，SerialPort類為應用程序提供了通過串口收發(fā)數據的簡便方法，具有功能強大，通信快速，實時性好等特點。此外還使用了Timer控件，當Timer控件啟動后，每個一個固定時間段觸發(fā)相同時間。用Timer控件實現了數據接收。

4.3 自動繪圖功能的實現

關于折線圖的顯示，本上位機使用Zed

Gragh控件進行折線圖的繪制，ZedGragh是一個開源的.NET圖表類庫。此類庫比.NET自帶類庫使用更加靈活方便。使用DataGridView控件實現以列表的形式顯示數據。Form1窗體是本上位機的主窗體，擁有各種功能按鈕，并進行折線圖顯示，List窗體是Form1窗體的子窗體，負責進行列表顯示。

系統(tǒng)采集全天的溫度信息并以折線圖顯示界面如圖8所示。

4.4 異常時短信報警功能的實現

報警是指，當上位機接收到的某些數據超過上限值時會發(fā)送短信提醒用戶，如田間發(fā)生火災等。手機短信發(fā)送是本上位機的擴展功能。通過C#編程，實現上位機給手機發(fā)送短信，當客戶不在PC端時提示客戶的功能。該功能的原理是通過一些運營商提供的接口實現的。本上位機采用可發(fā)送短信的Web Service，Web Service是新浪網提供的、可供用戶直接調用的發(fā)送短消息的Web Service。Web Service中提供了一個發(fā)送短消息的方法"sendXml"。此方法的語法格式如下：

string sendXml（carrier，userid，password，mobilenumber，content，msgtype）

carrier：運營商名稱

userid：新浪網上注冊的手機號

password：成功注冊手機后的反饋密碼

mobilenumber：目標手機號碼

content：所要發(fā)送短消息的內容

msgtype：發(fā)送短消息以文本信息形式發(fā)送，輸入"Text"

4.5 上位機軟件其他功能原理及實現

數據保存，通過上位機控制根據用戶需求將接受到的數據保存起來，以便以后可以再次讀取歷史數據。為了數據的安全性，本上位機將數據保存到數據庫中，使用的是Oracle數據庫?；竟δ軐崿F流程如圖9所示。天氣信息通過中國氣象局提供的API獲取，根據獲得的晴雨天氣，給下位機發(fā)送信息協(xié)助判斷、控制灌溉。歷史數據可按照溫度、濕度、pH值按鈕顯示不同數據，可以選擇具體時間或具體節(jié)點查看環(huán)境情況。

5 結語

本文介紹的節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)，利用MSP430單片機內部的ADC模塊使得電路設計簡單化，田間各節(jié)點的單片機收集環(huán)境參數并自動判斷灌溉，上位機通過網絡獲取天氣信息、檢測環(huán)境參數正常，輔助判斷是否應灌溉，并且能對田間每各節(jié)點的灌溉參數進行修改，實現自動控制灌溉。

實驗證明，該系統(tǒng)具備較好的穩(wěn)定性，節(jié)能且運行可靠，可以滿足基本農業(yè)生產需要，使用方便，節(jié)水節(jié)能。但對于數據的處理性不強，仍需做完善。在硬件和軟件方面仍具備可延展性，可采集周邊環(huán)境參數如光照、雨量、CO2等，結合信息融合、PID等算法，提高系統(tǒng)對周圍環(huán)境的分析能力，滿足不同用戶的需求。

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[9] 呂國華，李子忠，趙炳祥，等.頻率域反射儀測定土壤含水量的校正與田間驗證[J].干旱地區(qū)農業(yè)研究，2008，26（4）：33-37.endprint

對田間節(jié)點的環(huán)境參數檢測、數據發(fā)送及控制灌溉，由MSP430F5438單片機控制執(zhí)行。土壤濕度的上下閾值保存在E2PR

OM中，可通過上位機軟件發(fā)送更改預設值命令，更改土壤濕度預設值即灌溉條件。單片機控制灌溉的基本流程如圖6所示。

田間監(jiān)控中心有中央通訊模塊，通訊模塊由MSP430F5438和CC1101組成。中央通訊模塊通過串口與上位機進行通訊，對田間節(jié)點采用輪詢方式進行無線傳輸，避免信息擁塞。

此外，用戶還可直接使用上位機軟件發(fā)送灌溉命令到單片機，開啟水泵灌溉。

3.2 無線通訊部分

本系統(tǒng)中無線收發(fā)模塊采用CC1101，正常情況下，每隔固定的時間發(fā)送一次數據，因此通訊模式為輪詢通訊模式。輪詢方式的工作原理為，總線信道上有一個主站和N個子站，主站向子站發(fā)送詢問命令，子站收到后才可利用信道，以避免信息擁塞。通過MSP430編程對CCll01的4線SPI接口和GDO2測試接口進行配置，結合MSP430的時鐘，將各田間節(jié)點的CC1101設置成輪詢通訊模式。

4 系統(tǒng)上位機軟件部分

4.1 開發(fā)環(huán)境

本上位機軟件收集單片機檢測的溫度、濕度、PH值等數據，經過適當處理，存儲到數據庫中并以折線圖和列表的形式顯示。由于Windows API復雜、難度大，本上位機采用C#語言，在Visual Studio 2010.NET環(huán)境下開發(fā)完成。.NET集成了大量類庫，使用非常方便，可以滿足用戶的各種要求。

4.2 軟件上下位機通訊設計

本上位機使用SerialPort類進行串口通信，SerialPort類為應用程序提供了通過串口收發(fā)數據的簡便方法，具有功能強大，通信快速，實時性好等特點。此外還使用了Timer控件，當Timer控件啟動后，每個一個固定時間段觸發(fā)相同時間。用Timer控件實現了數據接收。

4.3 自動繪圖功能的實現

關于折線圖的顯示，本上位機使用Zed

Gragh控件進行折線圖的繪制，ZedGragh是一個開源的.NET圖表類庫。此類庫比.NET自帶類庫使用更加靈活方便。使用DataGridView控件實現以列表的形式顯示數據。Form1窗體是本上位機的主窗體，擁有各種功能按鈕，并進行折線圖顯示，List窗體是Form1窗體的子窗體，負責進行列表顯示。

系統(tǒng)采集全天的溫度信息并以折線圖顯示界面如圖8所示。

4.4 異常時短信報警功能的實現

報警是指，當上位機接收到的某些數據超過上限值時會發(fā)送短信提醒用戶，如田間發(fā)生火災等。手機短信發(fā)送是本上位機的擴展功能。通過C#編程，實現上位機給手機發(fā)送短信，當客戶不在PC端時提示客戶的功能。該功能的原理是通過一些運營商提供的接口實現的。本上位機采用可發(fā)送短信的Web Service，Web Service是新浪網提供的、可供用戶直接調用的發(fā)送短消息的Web Service。Web Service中提供了一個發(fā)送短消息的方法"sendXml"。此方法的語法格式如下：

string sendXml（carrier，userid，password，mobilenumber，content，msgtype）

carrier：運營商名稱

userid：新浪網上注冊的手機號

password：成功注冊手機后的反饋密碼

mobilenumber：目標手機號碼

content：所要發(fā)送短消息的內容

msgtype：發(fā)送短消息以文本信息形式發(fā)送，輸入"Text"

4.5 上位機軟件其他功能原理及實現

數據保存，通過上位機控制根據用戶需求將接受到的數據保存起來，以便以后可以再次讀取歷史數據。為了數據的安全性，本上位機將數據保存到數據庫中，使用的是Oracle數據庫?；竟δ軐崿F流程如圖9所示。天氣信息通過中國氣象局提供的API獲取，根據獲得的晴雨天氣，給下位機發(fā)送信息協(xié)助判斷、控制灌溉。歷史數據可按照溫度、濕度、pH值按鈕顯示不同數據，可以選擇具體時間或具體節(jié)點查看環(huán)境情況。

5 結語

本文介紹的節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)，利用MSP430單片機內部的ADC模塊使得電路設計簡單化，田間各節(jié)點的單片機收集環(huán)境參數并自動判斷灌溉，上位機通過網絡獲取天氣信息、檢測環(huán)境參數正常，輔助判斷是否應灌溉，并且能對田間每各節(jié)點的灌溉參數進行修改，實現自動控制灌溉。

實驗證明，該系統(tǒng)具備較好的穩(wěn)定性，節(jié)能且運行可靠，可以滿足基本農業(yè)生產需要，使用方便，節(jié)水節(jié)能。但對于數據的處理性不強，仍需做完善。在硬件和軟件方面仍具備可延展性，可采集周邊環(huán)境參數如光照、雨量、CO2等，結合信息融合、PID等算法，提高系統(tǒng)對周圍環(huán)境的分析能力，滿足不同用戶的需求。

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