王 斌，孫培欽，龍 燕，朱德蘭,3

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100；3. 西北農(nóng)林科技大學(xué)中國(guó)旱區(qū)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究院，陜西 楊凌 712100)

0 引 言

農(nóng)業(yè)一直在我國(guó)都具有特別的地位，是我國(guó)的立國(guó)之本[1]。從1978年起，我國(guó)農(nóng)業(yè)的發(fā)展就不斷地出現(xiàn)奇跡。但我國(guó)農(nóng)業(yè)水平對(duì)比于其他國(guó)家的農(nóng)業(yè)水平仍有較大的差距，主要表現(xiàn)在： 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)規(guī)格小且分散，仍存在許多一家一戶的小農(nóng)經(jīng)濟(jì)； 農(nóng)業(yè)自動(dòng)化設(shè)施落后且不合理，特別在灌溉用水方面[2-4]。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，由于全世界各地出現(xiàn)的不同程度的缺水情況，灌溉用水的問(wèn)題變得更加突出，農(nóng)業(yè)自動(dòng)化節(jié)水設(shè)備需求更加緊迫。特別是在我們國(guó)家，農(nóng)業(yè)用水居我國(guó)用水第一位，不僅用量大而且用水效率十分之低，更嚴(yán)重的一個(gè)問(wèn)題是我國(guó)是世界貧水國(guó)之一，人均水資源量遠(yuǎn)低于世界平均水平且水資源分布不均[5-7]。節(jié)約農(nóng)業(yè)用水成為我國(guó)目前較好的解決缺水問(wèn)題的出路。雖然我國(guó)也研制了許多針對(duì)解決農(nóng)業(yè)用水問(wèn)題的設(shè)備，但這些系統(tǒng)都是基于研究目的或者是提供給大型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)廠商而言，而對(duì)于我國(guó)實(shí)際國(guó)情存在的小農(nóng)戶的考慮實(shí)在是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足[8-10]。設(shè)備的價(jià)格一直居高不下，而且大部分還采用的是有線的形式，不利于設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行和推廣。

因此，本文提出一種系統(tǒng)專門用于解決我國(guó)存在的小農(nóng)戶問(wèn)題，主要特點(diǎn)在于使設(shè)備普及程度提高，簡(jiǎn)單實(shí)用，價(jià)格低廉。該系統(tǒng)是基于MS10的田間無(wú)線灌溉系統(tǒng)，其采用上位機(jī)作為人機(jī)交互的界面，下位機(jī)是以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集器，而通信通道使用的是基于ZigBee技術(shù)的CC2530搭建而成無(wú)線通信通道，目的在于節(jié)約布線成本。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1。結(jié)構(gòu)圖的頂端為一上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，主要用做人機(jī)交互界面；兩個(gè)CC2530模塊承擔(dān)起實(shí)現(xiàn)短距離無(wú)線通信的功能；STC單片機(jī)主要用做下位機(jī)的核心，完成計(jì)算數(shù)據(jù)、比較數(shù)據(jù)、給出控制信號(hào)和接收上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)等功能；加上一系列圍繞著單片機(jī)的外圍設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的各種功能，如：MS10完成土壤墑情值的采集、水泵完成灌溉的任務(wù)、LCD1602完成顯示任務(wù)、報(bào)警模塊實(shí)現(xiàn)報(bào)警、電源模塊向下位機(jī)各個(gè)部分供電。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器選型

目前測(cè)量土壤墑情值的方法多種多樣，對(duì)于該方面的傳感器的推出也是層出不窮。本文采用的土壤墑情傳感器型號(hào)為MS10。在土壤墑情監(jiān)測(cè)傳感器中，主要分為了兩類：基于時(shí)域反射法(TDR)和頻域反射法(FDR)。MS10是根據(jù)FDR原理制作而成的，其對(duì)比TDR原理的產(chǎn)品有較多優(yōu)勢(shì)而且價(jià)格相對(duì)而言要便宜很多。該傳感器測(cè)量精度高，響應(yīng)快，可長(zhǎng)期埋入土壤中使用且可適用各種土質(zhì)，有良好的環(huán)境變化適應(yīng)能力。其主要技術(shù)參數(shù)如下：

(1)輸出信號(hào)：電壓輸出，0～2 V。

(2)供電電壓：5～24 V直流電壓。

(3)測(cè)量量程：0～100%容積含水率。

(4)測(cè)量精度：0～53%范圍內(nèi)為±3%；53%～100%范圍內(nèi)為±5%。

2.2 單片機(jī)(Micro Control Unit, MCU)模塊

作為整個(gè)下位機(jī)部分的核心，從圖2的MCU模塊圖中可以很清楚的看到，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了STC89LE52RC型號(hào)單片機(jī)，PDIP-40封裝。具有外部晶振電路和復(fù)位電路，晶振采用的12M有源晶振。本系統(tǒng)由于要為無(wú)線單片機(jī)CC2530進(jìn)行供電和數(shù)據(jù)通信，所以專門加了一個(gè)4排的雙排針用于提供與外部CC2530進(jìn)行電氣連接，而其余在整個(gè)下位機(jī)中有專用功能的引腳都不再引出端口，避免用戶錯(cuò)誤操作造成不必要的損失，沒(méi)有使用的端口全部引出，以便進(jìn)行擴(kuò)展功能使用。

2.3 電源模塊

電源模塊的主體部分原理圖如圖3所示。本文的電源模塊以MP1484為核心，其為一個(gè)DC-DC的降壓芯片，外圍的器件較多，但可以根據(jù)其技術(shù)手冊(cè)進(jìn)行配置。芯片的輸入電壓為12 V，下位機(jī)電路板上帶有一個(gè)12 V插座，用戶僅需購(gòu)買一個(gè)插頭即可。外圍器件中R10和R11用來(lái)進(jìn)行分壓獲得想轉(zhuǎn)換的電壓，S1為雙聯(lián)動(dòng)開(kāi)關(guān)，LED燈為電源指示燈。

圖2 MCU模塊

圖3 電源模塊原理圖

2.4 ADC/DAC轉(zhuǎn)換電路

如圖4所示的ADC/DAC轉(zhuǎn)換電路是本次設(shè)計(jì)中比較重要的一個(gè)電路，因?yàn)樗木戎苯佑绊懥藴y(cè)試的土壤墑情值的精度，從圖中的電路中可以發(fā)現(xiàn)PCF8951為該電路的核心芯片，其余外圍電容均為濾波電容起到保持電壓波形穩(wěn)定的作用，而對(duì)于P1這5個(gè)單排針，則是起到了一個(gè)用來(lái)靈活測(cè)電壓和輸出電壓的作用，可將想測(cè)得的電壓通過(guò)引線連接至P1或從P1將想輸出的電壓連接至目標(biāo)處。

圖4 ADC/DAC轉(zhuǎn)換電路

2.5 驅(qū)動(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊的原理圖如圖5所示。以光耦PC817為隔離器件進(jìn)行強(qiáng)弱電隔離，以TIP122達(dá)林頓管為放大器件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)功率的放大，以1N4007為續(xù)流二極管防止負(fù)載產(chǎn)生過(guò)大反向電壓。P7為接入電磁閥的兩個(gè)單排針，方便器件的靈活變換。

圖5 驅(qū)動(dòng)模塊原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)運(yùn)行流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖6所示。整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程簡(jiǎn)單易操作，容易上手且可靠有效。首先，使用者登錄至上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主界面并同時(shí)給下位機(jī)上電，然后在主界面中設(shè)置串口參數(shù)并打開(kāi)串口，在主界面的控制臺(tái)輸入土壤墑情的上下限，此時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過(guò)無(wú)線通信傳輸和串口通信至單片機(jī)并存儲(chǔ)至單片機(jī)內(nèi)。若想開(kāi)始監(jiān)控，需用戶在上位機(jī)界面中點(diǎn)擊開(kāi)始監(jiān)控按鈕，則單片機(jī)收到命令后開(kāi)始對(duì)MS10的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)采集并實(shí)時(shí)顯示，然后再與之前存入單片機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，判斷是否應(yīng)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)并同時(shí)以無(wú)線通信將數(shù)據(jù)返回至上位機(jī)監(jiān)控界面上顯示，如此定時(shí)循環(huán)。

3.2 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是基于C#語(yǔ)言編寫而成。系統(tǒng)總共包括了5個(gè)界面，分別為：歡迎界面、登錄界面、管理員身份驗(yàn)證界面、新用戶注冊(cè)界面、系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與控制主界面。每個(gè)界面都有其各自的主要功能，現(xiàn)簡(jiǎn)要介紹如下：①歡迎界面起到軟件啟動(dòng)緩沖作用，并帶有軟件所屬、制作者等信息；②登錄界面是驗(yàn)證用戶身份，與Access數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行結(jié)合制成；③管理員身份驗(yàn)證界面是為了防止非指定用戶隨意注冊(cè)賬號(hào)；④新用戶注冊(cè)界面完成用戶的信息錄入并同步更新數(shù)據(jù)庫(kù)；⑤系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與控制主界面為整個(gè)系統(tǒng)的主體界面，其帶有監(jiān)控下位機(jī)采集數(shù)據(jù)功能、設(shè)置土壤上、下限、人為控制電磁閥關(guān)和閉以及一些常用功能如開(kāi)啟及關(guān)閉監(jiān)控、查看歷史數(shù)據(jù)等。

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

3.3 無(wú)線通信設(shè)計(jì)

兩個(gè)CC2530組成的無(wú)線數(shù)據(jù)通信通道，是基于ZigBee技術(shù)配合一定的硬件和軟件編程才能實(shí)現(xiàn)，該技術(shù)特別適用于短距離、低功耗、價(jià)格便宜的場(chǎng)合。其采用的編程平臺(tái)為IAR Embedded Workbench ，編程語(yǔ)言仍是采用C語(yǔ)言，但優(yōu)點(diǎn)在于它可以結(jié)合硬件進(jìn)行仿真，便于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在。

串口通信是為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)CC2530分別與上、下位機(jī)之間的通信而搭建的橋梁。其上位機(jī)通信的參數(shù)設(shè)置與默認(rèn)時(shí)一致，與下位機(jī)進(jìn)行通信為了使通信更為可靠，防止整個(gè)系統(tǒng)由于通信錯(cuò)誤造成的死機(jī)，采用了降低波特率措施，使波特率從9 600 bps到2 400 bps。

4 系統(tǒng)總體測(cè)試

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

在實(shí)驗(yàn)室為本系統(tǒng)搭建了如圖7所示的上位機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和如圖8所示的下位機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，上位機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由上位機(jī)工控機(jī)和一個(gè)CC2530開(kāi)發(fā)板組成；下位機(jī)仿真平臺(tái)主要由兩個(gè)開(kāi)關(guān)電源和一個(gè)單片機(jī)開(kāi)發(fā)板以及電磁閥、面包板和傳感器還有裝有土壤的盒子組成。

圖7 上位機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖8 下位機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

4.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

土壤烘干法是目前所有測(cè)試土壤墑情值當(dāng)中最為準(zhǔn)確的一個(gè)方法。為驗(yàn)證本系統(tǒng)測(cè)試土壤墑情值的精度，特意與土壤烘干法做了一個(gè)對(duì)比測(cè)試，檢測(cè)其相關(guān)度。測(cè)試結(jié)果如表1所示。對(duì)比測(cè)試表明，本系統(tǒng)與土壤烘干法所測(cè)值有較高的相關(guān)系數(shù)值，驗(yàn)證了本系統(tǒng)具有較高的精度。

表1 實(shí)驗(yàn)對(duì)比測(cè)試

5 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)我國(guó)中小農(nóng)民的農(nóng)田，研制了一個(gè)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤墑情值和控制土壤墑情在一定范圍內(nèi)的精準(zhǔn)灌溉控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有友好的人機(jī)交互界面，能夠可靠的在一定范圍內(nèi)進(jìn)行無(wú)線通信，而且通過(guò)采用無(wú)線節(jié)約了布線成本。該系統(tǒng)由于采用基于ZigBee技術(shù)的CC2530，整個(gè)系統(tǒng)功耗較為低，大大提高了采用電池的系統(tǒng)續(xù)航能力。系統(tǒng)采用較為常見(jiàn)普遍的芯片和器件構(gòu)成，造價(jià)大大降低，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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