賴(lài)俊桂　孫道宗　王衛(wèi)星　宋淑然　薛秀云　謝家興

摘要：為了科學(xué)合理地制定灌溉計(jì)劃、解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)粗獷用水的問(wèn)題，以STM32C8T6單片機(jī)作為主控單元，結(jié)合土壤水分傳感器、空氣溫濕度傳感器、電磁閥及驅(qū)動(dòng)電路組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的山地柑橘園灌溉控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)柑橘園的土壤濕度監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)灌溉，達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)節(jié)約用水的目的。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，在節(jié)點(diǎn)通信距離平均為203 m時(shí)，系統(tǒng)的合計(jì)丟包率為0.09%，空氣溫度數(shù)據(jù)采集誤差低于6%，空氣濕度數(shù)據(jù)采集誤差低于4%，土壤濕度采集誤差低于6%，電磁閥節(jié)點(diǎn)平均響應(yīng)時(shí)間為6.7 s。

關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);柑橘;濕度檢測(cè);精準(zhǔn)灌溉;控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)： S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2020）07-0245-05

針對(duì)目前我國(guó)農(nóng)業(yè)用水利用率低、農(nóng)業(yè)灌溉管理粗放的現(xiàn)狀[1-2]，同時(shí)為了更加高效地管理柑橘園，提升柑橘園管理的自動(dòng)化水平，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于Zigbee協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)山地柑橘園灌溉控制系統(tǒng)。系統(tǒng)選用STM32C8T6單片機(jī)作為主控芯片，由ZigBee模塊、空氣溫濕度傳感器、土壤水分傳感器、太陽(yáng)能電池板、電磁閥等組成，具有相對(duì)較高的智能化和自動(dòng)化水平，可實(shí)現(xiàn)土壤濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、空氣溫濕度檢測(cè)、電磁閥智能開(kāi)閉等功能。目前，基于Zigbee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用已經(jīng)非常普遍[3-5]。謝振偉等設(shè)計(jì)了一套基于Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的棉田節(jié)水灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用8051微處理器作為控制器，與各類(lèi)溫濕度傳感器組成傳感器節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)棉田土壤墑情信息的采集，并通過(guò)功放芯片CC2591與主芯片CC2530的連接，實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸[6]。陳艷麗等設(shè)計(jì)一套基于Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用CC2530無(wú)線收發(fā)模塊，將土壤含水量經(jīng)LPC932單片機(jī)處理后傳送到PC終端，用戶(hù)可實(shí)時(shí)查看土壤含水量，并根據(jù)灌溉臨界值對(duì)電磁閥的開(kāi)啟與關(guān)閉進(jìn)行控制[7]。陳曉燕等設(shè)計(jì)了一套基于Zigbee的溫室節(jié)水灌溉系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)以CC2430構(gòu)建無(wú)線土壤水分傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了溫室內(nèi)各節(jié)點(diǎn)土壤含水量的自動(dòng)采集，并可根據(jù)作物需求進(jìn)行自動(dòng)灌溉[8]。上述系統(tǒng)均為應(yīng)用在地勢(shì)較為平坦場(chǎng)景下的系統(tǒng)，而在復(fù)雜的山地環(huán)境下應(yīng)用的無(wú)線傳感器技術(shù)較為少見(jiàn)，為此本研究將主要介紹無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在山地場(chǎng)景下柑橘園灌溉控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于廣西壯族自治區(qū)賀州市昭平縣北陀鎮(zhèn)水樓村的一個(gè)柑橘種植園（地理位置為24°00′N(xiāo)、111°05′E），該地氣候溫和，光照充足，降水充沛，柑橘種植在海拔高度為100～200 m的山丘上，種植面積達(dá)6 hm2。因系統(tǒng)在戶(hù)外場(chǎng)景下應(yīng)用，選擇太陽(yáng)能電池板作為能量來(lái)源。

影響柑橘生長(zhǎng)的因素主要有土壤含水量、光照時(shí)間、氣溫以及土壤品質(zhì)等[9]。由于柑橘在生長(zhǎng)的不同時(shí)期需水量是不同的，因此要求系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地判定土壤的含水量，并根據(jù)作物生長(zhǎng)情況進(jìn)行及時(shí)灌溉[10]。系統(tǒng)使用山東建大仁科科技有限公司的土壤水分傳感器，水分測(cè)量精度為3%，測(cè)量量程為0～100%。為了保證傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確性，土壤濕度由傳感器采集10次數(shù)據(jù)后求平均值得出。采用廣州奧松電子有限公司生產(chǎn)的DHT11儀器測(cè)定空氣溫、濕度，濕度測(cè)量范圍為20%～90%，測(cè)量誤差為5%;溫度測(cè)量范圍為0～50 ℃，測(cè)量誤差為2 ℃。為了驗(yàn)證系統(tǒng)采集環(huán)境信息的準(zhǔn)確性，分別與使用?，攦x表AR837電子溫濕度計(jì)、美國(guó)Decagon公司的Em50 Data Logger采集的空氣溫濕度以及土壤濕度信息進(jìn)行對(duì)比。

為了保證節(jié)點(diǎn)能夠穩(wěn)定通信，需要在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下對(duì)系統(tǒng)的最大有效通信距離以及系統(tǒng)的丟包率進(jìn)行測(cè)試。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本研究系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，可以看出，該系統(tǒng)由基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)、遠(yuǎn)程服務(wù)器、基于STM32的無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)及基于通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)（GPRS）的網(wǎng)關(guān)構(gòu)成[11-12]。終端節(jié)點(diǎn)由土壤水分傳感器、空氣溫濕度傳感器、電磁閥組成，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)，執(zhí)行灌溉命令。無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)用于處理各個(gè)節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求，并將數(shù)據(jù)信息傳送到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)組建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，匯聚各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，傳送控制命令。終端節(jié)點(diǎn)與無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)由太陽(yáng)能電池板進(jìn)行供電，網(wǎng)關(guān)采用市電進(jìn)行供電。

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)主要包括STM32處理器、空氣溫濕度模塊DHT11、土壤水分傳感器、電磁閥驅(qū)動(dòng)模塊、電磁閥、ZigBee模塊和電源模塊（圖2）。STM32單片機(jī)作為核心處理器，負(fù)責(zé)處理傳感器采集的數(shù)據(jù)，控制電磁閥開(kāi)啟與關(guān)閉;空氣溫濕度模塊負(fù)責(zé)采集空氣溫濕度信息;土壤水分傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)土壤含水量;ZigBee模塊用于組建局域網(wǎng)。節(jié)點(diǎn)的電源由太陽(yáng)能電池板和12 V的鋰電池組成，日照充足時(shí)，由太陽(yáng)能控制器輸出太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)換的電壓進(jìn)行供電，并且對(duì)鋰電池進(jìn)行充電，日照不足時(shí)，由12 V 的鋰電池進(jìn)行供電。電源模塊將12 V的輸入

電壓分別轉(zhuǎn)換成9.0、5.0、3.3 V的電壓，以滿足各種傳感器的電壓要求。無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)與終端節(jié)點(diǎn)類(lèi)似，但是無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)沒(méi)有接各種傳感器。

網(wǎng)關(guān)主要用于實(shí)現(xiàn)Zigbee協(xié)議和傳輸控制協(xié)議/互聯(lián)協(xié)議（TCP/IP）的轉(zhuǎn)換，匯集無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，完成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)與因特網(wǎng)的通信。網(wǎng)關(guān)由STM32C8T6單片機(jī)、電源模塊、RS-232串口通信模塊、安全數(shù)碼（SD）卡存儲(chǔ)模塊、GPRS模塊、Zigbee模塊組成[13]。網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)主程序流程見(jiàn)圖4，當(dāng)系統(tǒng)通電時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)會(huì)不斷請(qǐng)求加入附近的無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)，組網(wǎng)成功后，會(huì)發(fā)送節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，同時(shí)也會(huì)檢測(cè)網(wǎng)關(guān)發(fā)來(lái)的請(qǐng)求，如控制電磁閥開(kāi)啟和關(guān)閉等。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)到達(dá)設(shè)置的休眠時(shí)間時(shí)（傳感器工作5 min后即到達(dá)休眠時(shí)間，休眠時(shí)間為30 min），STM32處理器會(huì)進(jìn)入休眠狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)會(huì)停止發(fā)送數(shù)據(jù)，傳感器處于關(guān)閉狀態(tài)。休眠時(shí)間結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)會(huì)重新進(jìn)行正常工作。

網(wǎng)關(guān)的程序流程見(jiàn)圖5，網(wǎng)關(guān)工作時(shí)，系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化，初始化后與附近無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)組建Zigbee網(wǎng)絡(luò)，然后監(jiān)聽(tīng)Zigbee網(wǎng)絡(luò)以及以太網(wǎng)絡(luò)，判斷網(wǎng)絡(luò)的任務(wù)類(lèi)型，并執(zhí)行相應(yīng)的響應(yīng)。若是接收到來(lái)自以太網(wǎng)的命令，則對(duì)命令進(jìn)行解析后，通過(guò)RS-232串口將命令發(fā)送STM32C8T6，再通過(guò)Zigbee模塊將命令轉(zhuǎn)發(fā)給附近的無(wú)線路由節(jié)點(diǎn);若是接收到來(lái)自Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，則進(jìn)行協(xié)議解析后，通過(guò)GPRS模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給遠(yuǎn)端服務(wù)器[14-15]。

3 試驗(yàn)與分析

3.1 網(wǎng)絡(luò)通信距離測(cè)試

為了測(cè)試節(jié)點(diǎn)無(wú)障礙和柑橘園場(chǎng)景下的有效通信距離，分別在空曠地帶和柑橘園場(chǎng)景下進(jìn)行測(cè)試，終端節(jié)點(diǎn)支架高為2 m，柑橘樹(shù)高1.6～1.8 m，樹(shù)寬1.0～1.8 m，樹(shù)間距為1 m，節(jié)點(diǎn)發(fā)射功率最大值為21 dBm，射頻頻率為2.4 GHz，在2種場(chǎng)景下，將節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)之間的距離逐漸加大，每擴(kuò)大1次距離，用激光測(cè)距1次，并發(fā)送1次數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)網(wǎng)關(guān)傳輸至上位機(jī)顯示，直到節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)不能傳輸至網(wǎng)關(guān)為止。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，當(dāng)節(jié)點(diǎn)高度為2 m時(shí)，在無(wú)障礙物場(chǎng)景下，平均有效通信距離為1 013 m，在柑橘園場(chǎng)景下平均有效通信距離為203 m。

3.2 網(wǎng)絡(luò)丟包率測(cè)試

系統(tǒng)在柑橘園穩(wěn)定運(yùn)行2 d后，對(duì)6個(gè)節(jié)點(diǎn)的丟包率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，丟包率測(cè)試方法為在上位機(jī)軟件中查看節(jié)點(diǎn)發(fā)送的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)包，對(duì)丟包率進(jìn)行分析，結(jié)果（表2）表明，本研究系統(tǒng)的合計(jì)丟包率為0.09%，滿足實(shí)際使用要求。

3.3 電磁閥響應(yīng)時(shí)間測(cè)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)是否能有效地進(jìn)行智能灌溉，對(duì)電磁閥的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試方法為通過(guò)上位機(jī)發(fā)送指令給電磁閥，用計(jì)時(shí)器對(duì)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電磁閥響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，共統(tǒng)計(jì)6個(gè)節(jié)點(diǎn)的電磁閥響應(yīng)時(shí)間，結(jié)果見(jiàn)表3。

3.4 田間試驗(yàn)

為了測(cè)試系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，分別與使用Em50 Data Logger、?，攦x表AR837電子溫濕度計(jì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。由表4可知，本研究系統(tǒng)采集的土壤濕度數(shù)據(jù)平均誤差為5.4%。表5為本研究系統(tǒng)與儀器測(cè)量空氣溫濕度數(shù)據(jù)，測(cè)試儀器與本研究系統(tǒng)每隔5 min采集1次數(shù)據(jù)，每次試驗(yàn)共采集空氣溫濕度10組數(shù)據(jù)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，本研究系統(tǒng)濕度采集誤差平均值為3.4%，溫度采集誤差平均值為5.4%。誤差計(jì)算公式如下：

5 結(jié)束語(yǔ)

本研究主要介紹了山地柑橘園的灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)，系統(tǒng)以STM32C8T6為主控單元，結(jié)合土壤水分傳感器、空氣溫濕度傳感器、電磁閥及驅(qū)動(dòng)電路組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，完成了基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)山地柑橘園灌溉控制系統(tǒng)的軟硬件開(kāi)發(fā)。

本研究系統(tǒng)能實(shí)時(shí)采集土壤含水量、空氣溫濕度等信息，并且能遠(yuǎn)程控制電磁閥的開(kāi)啟和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)智能灌溉。結(jié)果表明，電磁閥的平均響應(yīng)時(shí)間為6.7 s，土壤濕度采集誤差平均值為5.4%，空氣溫度采集誤差平均值為5.4%，空氣濕度采集誤差平均值為3.4%。該系統(tǒng)具有良好的可靠性，能夠滿足對(duì)不同農(nóng)業(yè)環(huán)境的監(jiān)控需要。

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