王 莉，趙艷陽，惠延波，陽雨妍，陳 振

(1.河南工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，鄭州 450001；2.南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，南京 210094)

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基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)和機械臂的智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計

王 莉1，趙艷陽1，惠延波1，陽雨妍2，陳 振1

(1.河南工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，鄭州 450001；2.南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，南京 210094)

為了解決偏遠及地勢復(fù)雜地區(qū)的自動灌溉控制問題，設(shè)計實現(xiàn)了一套嵌入式自動化節(jié)水灌溉系統(tǒng)。以STM32嵌入式控制器為核心，采用無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)采集室外環(huán)境參數(shù)，通過上位機監(jiān)測被測區(qū)域的溫濕度變化，控制執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)監(jiān)測環(huán)境的溫濕度控制調(diào)節(jié)。中央控制器與上位機采用E31-TTL-50無線通信，采用窄帶無線方式進行數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了機械臂智能灌溉、上位機遠程監(jiān)控系統(tǒng)查詢、設(shè)置參數(shù)及實時監(jiān)測等功能要求。

灌溉系統(tǒng)；機械臂；ZigBee網(wǎng)絡(luò)；模糊控制

0 引言

我國不僅是農(nóng)業(yè)大國而且還是一個相對資源緊缺的人口大國，科技發(fā)展也受區(qū)域限制，尤其是西北地區(qū)、西南地區(qū)、華中地區(qū)等農(nóng)副產(chǎn)品的主要產(chǎn)地。每年我國用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水量高達生活用水量的75%，僅僅用于農(nóng)業(yè)灌溉的用水量大約占90%，所以提高我國農(nóng)業(yè)水資源利用率，實現(xiàn)最好的生產(chǎn)效益和經(jīng)濟效益，已經(jīng)成為我國節(jié)水的主要措施。隨著科技的發(fā)展，計算機技術(shù)、自動化技術(shù)以及智能機器人技術(shù)已經(jīng)深入到人們生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域，我國已經(jīng)開始對智能定位節(jié)水灌溉的自動化技術(shù)的研究[1]，并取得了顯著成果；但大部分研究只是針對大棚或者溫室等特定的環(huán)境，加之我國受經(jīng)濟、技術(shù)、地區(qū)等限制，大部分技術(shù)得不到推廣。本設(shè)計實現(xiàn)了一個分布式控制技術(shù)、智能機器人技術(shù)、傳感器技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)以及ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[2]等相結(jié)合并利用上位機進行自動控制、監(jiān)測的智能定位節(jié)水灌溉系統(tǒng)，并且機械臂灑水模塊使用靈活方便，灌溉角度可達360°，臂展可以伸縮。該系統(tǒng)不僅控制方便而且成本低，能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)戶的較遠距離的監(jiān)測，實用性強，易于普及推廣，能夠解決偏遠地區(qū)灌溉困難問題。

1 灌溉系統(tǒng)的總體設(shè)計

灌溉系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)主要包括嵌入式中央控制器模塊、機械臂灑水模塊、無線ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)[3]、傳感器監(jiān)測模塊及人機交互界面等。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

在地勢復(fù)雜的農(nóng)田中使用分布式控制技術(shù)將傳感器模塊用合適的放置方式安置在檢測區(qū)域，檢測到的環(huán)境數(shù)據(jù)及土壤數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)路由器節(jié)點由協(xié)調(diào)器傳送給MCU。嵌入式中央控制器能夠?qū)崿F(xiàn)對每一個分布點的傳感器采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)及土壤濕度數(shù)據(jù)進行單通道的分析處理及顯示等[4]。如果檢測到某檢測區(qū)域環(huán)境溫濕度或者土壤濕度低于預(yù)先設(shè)定的閾值，根據(jù)土壤濕度傳感器使用手冊對該區(qū)域的數(shù)據(jù)進行算法處理得到距離、需水量及灌溉噴頭的灌溉范圍等命令數(shù)據(jù)[5]；中央控制器將會對該區(qū)域的灑水系統(tǒng)發(fā)送命令數(shù)據(jù)，機械臂灑水模塊接受到中央控制器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)命令，對該監(jiān)測區(qū)域進行有效的噴灌[6]。

2 硬件設(shè)計

2.1 機械臂灑水模塊

隨著科技的發(fā)展，機器人技術(shù)越來越多地被應(yīng)用于各個領(lǐng)域，靈活多變的機械操作，受到了各個領(lǐng)域的喜愛。本文主要采用兩個大扭度可控旋轉(zhuǎn)的數(shù)字防水舵機和電磁閥設(shè)計出一個三自由度的機械手臂噴灌模塊，機械臂的臂展采用收縮的方式進行延伸和縮短，增大灌溉面積。該機械臂模塊空載電流小于500mA，工作電壓穩(wěn)定在4.8～7.2V，具有優(yōu)良的可塑性，如圖2所示。

圖2 機械手臂簡化結(jié)構(gòu)圖

舵機機械手臂的控制問題是使各個關(guān)節(jié)能夠以理想的動態(tài)性能無靜差地跟蹤期望軌跡。依據(jù)圖2所示機械手臂的簡化結(jié)構(gòu)圖，機械手的數(shù)學(xué)模型為

2.2 無線ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)在啟用時首先要對各節(jié)點進行初始化，各節(jié)點之間的通信受Z-Strack通訊協(xié)議棧約束[7]，如圖3所示。ZigBee網(wǎng)絡(luò)配置中有3種類型的節(jié)點、ZigBee協(xié)調(diào)點，ZigBee路由節(jié)點和ZigBee終端節(jié)點。其中，ZigBee協(xié)調(diào)點在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中也叫做匯聚節(jié)點，一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)只有一個ZigBee協(xié)調(diào)點；ZigBee路由節(jié)點可以參與路由發(fā)現(xiàn)、消息轉(zhuǎn)發(fā)，通過連接別的節(jié)點來擴展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍等；ZigBee終端節(jié)點可以通過ZigBee協(xié)調(diào)點或者ZigBee路由節(jié)點連接到網(wǎng)絡(luò)，但不允許其他人和節(jié)點通過它加入網(wǎng)絡(luò)，ZigBee終端節(jié)點能夠以非常低的功率運行。

無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)很靈活，共有3種基本組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，分別是Star Network、Mesh-Tree Network、Mesh Network，如圖3所示。為了實現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)對大面積監(jiān)測區(qū)域的均勻覆蓋且保證數(shù)據(jù)采集的效率，本系統(tǒng)采用了由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點、多個路由和探測傳感器節(jié)點構(gòu)成的Mesh-Tree Network網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。終端節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)信息利用通過ZigBee路由節(jié)點連入網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)和協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)通信，進行傳感器和中央MCU之間的信息交換。

圖3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)的終端節(jié)點有兩種[8]：一種是程分布式結(jié)構(gòu)的土壤濕度傳感器[9]，另一種是空氣溫濕度傳感器。兩種終端節(jié)點的通信都是通過串口實現(xiàn)，然后通過ZigBee無線通信技術(shù)將采集到的環(huán)境信息通過路由器將這些信息遵循局域網(wǎng)協(xié)議進行封裝，封裝成目標(biāo)地址+目標(biāo)信道+數(shù)據(jù)的格式[10]，進行兩次中繼，最終送達到協(xié)調(diào)器；協(xié)調(diào)器對信息解碼，只把數(shù)據(jù)部分傳送給MCU。圖4為本系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。

2.3 無線上位機的設(shè)計

為了便于農(nóng)戶快速和熟練地操作該平臺，上位機主要采用人機交互界面和無線通信模塊組成的無線控制系統(tǒng)，能使農(nóng)戶隨時勘察、隨時控制。內(nèi)部模塊化程序用C語言編寫，屏幕顯示的信息包括當(dāng)前空氣溫度、當(dāng)前空氣濕度、機械臂控制顯示、土壤濕度查詢、手動設(shè)置界面及對話框等。農(nóng)戶可在操作間對外部農(nóng)作物的生長態(tài)勢進行監(jiān)測，也可對外部監(jiān)測區(qū)域定量設(shè)置噴灌。

圖4 系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

無線屏幕控制器模塊采用基于AX5043射頻芯片的E31-TTL-50作為無線通信的核心，該芯片內(nèi)置CP2102控制器，通信距離可達2100m。圖5為E31與MCU應(yīng)用連接，它的通信串口直接與中央控制器MCU相連，數(shù)據(jù)收發(fā)采用窄帶無線接入方式，工作模式有4種，包括透傳模式、喚醒模式、省電模式和休眠模式，可通過引腳M0、M1拉高置低進行切換。該模塊不僅傳輸距離遠，而且具有很強的數(shù)據(jù)加密和壓縮功能，能夠提高傳輸速率、減少干擾概率，提高信息無線傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

圖5 E31與MCU連接的應(yīng)用圖

2.4 信號采集

對環(huán)境監(jiān)測信號的采集包括兩部分：土壤濕度信號和空氣溫濕度信號，土壤濕度信號采集采用的是帶有靈敏度調(diào)節(jié)電位器四線制FC-28，具有數(shù)字量與模擬量雙輸出模式。該模塊中集成有電位器，可通過電位器對土壤濕度的閾值進行調(diào)節(jié)，也可以通過軟件補償?shù)姆绞綄υ摴δ苓M行控制。模塊內(nèi)的比較器是具有強穩(wěn)定性的LM393，集成有電源指示燈和數(shù)字量開關(guān)指示燈，工作電壓在3.3～5V之間?？諝獾臏貪穸炔杉玫氖堑凸牡腄HT11，濕度測量范圍誤差小，溫度測量范圍在0～50℃，有精準的數(shù)字量輸出功能，可直接與控制器的IO口交互信息，適用于本設(shè)計的要求。該溫濕度傳感器的串口發(fā)送數(shù)據(jù)的格式為5位16進制數(shù)據(jù)，具體為：溫度高8位+溫度低8位+濕度高8位+濕度低8位+校驗8位。

圖6所示為傳感器與CC2530模塊的通信連接。通過CC2530的兩個IO口模擬I2C傳輸協(xié)議與土壤濕度傳感器或空氣溫濕度傳感器進行通信，該信息由CC2530傳輸?shù)絑igBee網(wǎng)絡(luò)中，最終被送達控制器，實現(xiàn)無線信號傳輸過程。

圖6 傳感器與CC2530模塊的通信連接圖

3 軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)主要包括嵌入式中央控制器模塊、機械臂灑水模塊、ZigBee技術(shù)網(wǎng)絡(luò)、傳感器監(jiān)測模塊及人機交互界面等，如圖7所示。

中央控制器是利用分布式控制結(jié)構(gòu)對各個監(jiān)測區(qū)域的土壤濕度及空氣的溫濕度監(jiān)測，采集信號傳輸方式采用HIM串口單線雙向傳輸，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。當(dāng)FC-28傳感器所在的檢測區(qū)的土壤濕度達不到設(shè)定閾值時，DO口輸出TTL數(shù)字信號1(即高電平)，輸出低電平時LED會被點燈，AO口進行模擬量的傳輸，該信號可通過AD模塊轉(zhuǎn)換成精準的數(shù)字信號，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)組CU。DHT11傳感器可以由MCU觸發(fā)信號直接控制電阻式感濕元件和NTC測溫元件，MCU發(fā)送一次命令，被控制單元采集一次數(shù)據(jù)，命令執(zhí)行完畢，啟用低功耗休眠模式。MCU可對采集到模擬信號進行校準和轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號，采用單總線數(shù)據(jù)格式進行傳輸。

圖7 總體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

3.2 機械臂的軟件設(shè)計

將機械臂加入到噴灌系統(tǒng)中，是智能機器人領(lǐng)域向農(nóng)業(yè)發(fā)展普及的必要一步，本設(shè)計利用兩個舵機設(shè)計成3個自由度的機械臂，兩個舵機之間的利用算法公式進行互補。圖8為舵機的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[11]。

控制機械臂的舵機的控制一般需要一個20ms一周期的時基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5～2.5ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分，總間隔為2ms。

以180°角度伺服為例，其對應(yīng)的控制關(guān)系如表1所示。

圖8 舵機控制結(jié)構(gòu)圖

輸入信號脈沖寬度/ms舵機輸出角度控制/(°)0～0500～1．0450～1．5900～2．01350～2．5180

圖9 機器人模糊控制系統(tǒng)

3.3 無線上位機設(shè)計

采用主從式結(jié)構(gòu)使主控制結(jié)構(gòu)的MCU與上位機的MCU通過窄帶無線通道進行互信，數(shù)據(jù)即時傳送，從而使上位機中收到的信息為即時信息，增強設(shè)計的精準性。

TJC3224T028人機交互界面，通過USART HMI軟件設(shè)定UI界面，寫入觸發(fā)源程序，如圖10所示。其上位機界面設(shè)置的主控界面，包括實時溫濕度顯示、事件觸發(fā)進度條、help對話、機械臂角度顯示、監(jiān)測區(qū)域環(huán)境查詢及灌溉設(shè)定等。圖11為灌溉設(shè)定界面的設(shè)置。在灌溉設(shè)定界面輸入格式為xx(區(qū)域)+yyy(角度)+zzz(距離)+ee(濕度)的格式，高位可用0占位，如：一號區(qū)域240°范圍10m距離內(nèi)濕度為50%可以輸入0124001050。

圖10 上位機主界面

圖11 灌溉設(shè)定界面

4 結(jié)論

針對地勢復(fù)雜的地區(qū)灌溉問題，考慮到農(nóng)田澆灌環(huán)境的不確定性而研究設(shè)計的機械臂智能灌溉系統(tǒng)，不僅操作方便、成本低、功耗低且穩(wěn)定性強，實用價值高。本設(shè)計加入的無線上位機，方便農(nóng)戶遠距離傳輸監(jiān)控信息，或者在實際勘探過程中直接控制某區(qū)域的噴灌系統(tǒng)或查詢某區(qū)域的實時情況是否適合農(nóng)作物的最佳生長。另外，機械臂的噴灌加入也使智能機器人域踏入現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)建設(shè)中。經(jīng)過大量的試驗驗證，運行狀況良好，控制的準確性高，可靠性強，大幅地推動了農(nóng)業(yè)與現(xiàn)代科技的融合。該設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)與實際環(huán)境的對接，推廣性強，目前已準備投放市場，具有很強的推廣性和應(yīng)用價值。

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The Design of the Intelligent Irrigation System Based on ZigBee Network and Mechanical Arm

Wang Li1, Zhao Yanyang1, Hui Yanbo1, Yang Yuyan2, Chen Zhen1

(1.College of Electrical Engineering,Henan University of Technology, Zhengzhou 450001,China； 2.College of mechanical engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China)

In order to solve the problem of automatic irrigation control in remote area, a embedded automatic water saving irrigation system is designed and implemented. The essay using STM32 controller as the core and ZigBee wireless network technology to collect the outdoor environment parameters, monitoring the temperature and humidity of the policy area by the host computer and realizing environmental monitoring and temperature and humidity controlling by the control unit. The central controller contacts with the host computer E31-TTL-50 by wireless communication with narrow band, realizes the mechanical arm intelligent irrigation,queries the data with remote monitoring system by the host computer、sets parameters and real-time monitoring requirements.

irrigation system; robot arm; ZigBee; fuzzy control

2016-06-06

“十二五”國家科技支撐計劃項目(2012BAF12B13);糧食信息處理與控制教育部重點實驗室資助項目(KF11-2015-101)

王 莉(1973- ),女，河南洛陽人，副教授，博士，( E-mail)haut_zyy@163.com。

趙艷陽(1990-)，女，河南許昌人，碩士，( E-mail)haut_zyy@163.com。

S277;S126

A

1003-188X(2017)07-0137-06