李艷紅

(西安外事學(xué)院工學(xué)院，陜西 西安710077)

0 引言

作為種植過程中必不可少的步驟之一，水稻灌溉十分重要，且需保持一定的嚴(yán)密性。為保證水稻水分的供應(yīng)，灌溉過程中應(yīng)考慮水流的密集程度、灌溉持續(xù)時間、環(huán)境溫度等參數(shù)變化，采取措施協(xié)調(diào)控制。對于水稻種植面積較大的農(nóng)戶，采用人工方式灌溉將耗費(fèi)大量人力物力；我國現(xiàn)有的自動化灌溉裝置存在一定缺陷，頻頻發(fā)生水資源的浪費(fèi)現(xiàn)象。為保證資源可以重復(fù)利用，本文設(shè)計(jì)了水稻大田的智能灌溉系統(tǒng)。

1 水稻大田智能灌溉系統(tǒng)特征

水稻大田智能灌溉系統(tǒng)的各部分裝置應(yīng)均勻分布，并設(shè)置多組噴水裝置，由控制箱控制?？刂葡鋬?nèi)含有顯示屏，由中央處理器控制微控制器和噴水裝置。微控制器可將數(shù)據(jù)上傳至中央處理器，在保證不浪費(fèi)水資源的前提下，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉的整體需求，達(dá)成良好的灌溉效果[1]。

1.1噴水裝置

噴水裝置由豎直管道、三通管及兩個霧化噴頭共同組成。三通管內(nèi)部的豎直管口與管道轉(zhuǎn)動連接，三通管內(nèi)部的水平管口與霧化噴頭相連接，豎直管道與輸水管連通，共同構(gòu)成噴水裝置。為保證順利噴水，應(yīng)設(shè)定霧化噴頭角度，在離心力與反作用力的共同作用下使水流旋轉(zhuǎn)，從而將水噴灑至農(nóng)田中。此外，噴灑裝置具備一定的定位功能，其內(nèi)部GPS定位模塊可與微控制器連接，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)噴灑。

1.2蓄水裝置

蓄水裝置可為噴灑裝置持續(xù)供水，實(shí)現(xiàn)不間斷噴水。在中央控制器協(xié)調(diào)作用下，該裝置中的進(jìn)水管道可連通水井；通過蓄水裝置中的液位傳感器，可實(shí)現(xiàn)按液體靜壓與高度的比例控制噴灑速度和水流量，在保證水流密度的前提下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、準(zhǔn)確灌溉[2]。

1.3控制系統(tǒng)

水稻大田智能灌溉系統(tǒng)中的控制系統(tǒng)，采用通信功能較強(qiáng)的LoRa通信模塊，并與中央控制器形成電性連接。在該系統(tǒng)中，LoRa通信模塊可充當(dāng)中央控制器與用戶終端的通信媒介，形成聯(lián)系通道。該系統(tǒng)中的土壤濕度控制器，可將濕度數(shù)據(jù)上傳至微控制器，微控制器將濕度數(shù)據(jù)與事先設(shè)定的濕度閾值相比較，當(dāng)土壤濕度低于該值時，啟動水泵。

2 水稻大田智能灌溉系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1總體方案設(shè)計(jì)

水稻大田智能灌溉系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示，系統(tǒng)中包含STM32主控模塊、傳感器模塊、電磁閥驅(qū)動模塊、Wi-Fi通信模塊及網(wǎng)絡(luò)攝像頭模塊[3]。其中STM32主控模塊是該系統(tǒng)的核心，協(xié)調(diào)控制該系統(tǒng)中各個模塊的運(yùn)行；傳感器模塊包含溫濕度傳感器，可獲得土壤濕度數(shù)據(jù)，并將信息上傳至主控單元；電磁閥驅(qū)動模塊可控制水泵開關(guān)；Wi-Fi通信模塊將數(shù)據(jù)信息上傳至中央控制器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；網(wǎng)絡(luò)攝像頭模塊可實(shí)現(xiàn)圖像的采集，并將數(shù)據(jù)以視頻的形式上傳。

圖1 智能灌溉系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)框架Fig.1 Overall scheme design framework of intelligent irrigation system

2.2智能決策功能

基于STM32的水稻大田智能灌溉系統(tǒng)的運(yùn)行模式分為智能、非智能兩種模式。

非智能模式具有一定的靈活性，中央控制器下達(dá)的所有指令均可完成，并可細(xì)分為自動澆灌和手動澆灌。自動澆灌檢測土壤的濕度，當(dāng)濕度低于系統(tǒng)設(shè)定的閾值時，水稻大田智能灌溉系統(tǒng)將啟動水閥，實(shí)現(xiàn)自動化澆水模式，無需人工看管；手動澆水可以由用戶通過終端配置系統(tǒng)參數(shù)，根據(jù)用戶設(shè)定的時間澆灌水稻。

相對于傳統(tǒng)的非智能模式，智能模式更具優(yōu)勢。智能模式本質(zhì)上是定時任務(wù)，灌溉系統(tǒng)按規(guī)定時間間隔檢測土壤濕度，并利用模糊控制算法確定灌溉時間，系統(tǒng)按土壤濕度變化程度實(shí)施灌溉。當(dāng)然，系統(tǒng)也允許用戶通過終端向系統(tǒng)發(fā)送手動澆灌指令，系統(tǒng)將自動檢測土壤濕度，并根據(jù)土壤狀態(tài)自行確定澆灌時間，而后開始澆灌[4]。

2.3Cortex-M3和STM32技術(shù)要點(diǎn)

Cortex-M3處理器內(nèi)核的優(yōu)點(diǎn)是功耗低，其終端控制器采用中斷架構(gòu)，具有較快的反應(yīng)速度，該處理器內(nèi)核在操作執(zhí)行開始與結(jié)束之間僅需12個時鐘周期。STM32微控制器具有較高的性能，內(nèi)含的驅(qū)動單元滿足諸多領(lǐng)域的需求，可滿足水稻大田智能灌溉系統(tǒng)的要求。

2.4Wi-Fi技術(shù)要點(diǎn)

Wi-Fi技術(shù)可整體提高水稻大田智能灌溉系統(tǒng)中各部分控制器的傳輸速率，在其覆蓋范圍內(nèi)，可降低外界因素對系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾，保證用戶端設(shè)備具有穩(wěn)定的信號接收能力。作為無線電技術(shù)，Wi-Fi在一定程度上可保證設(shè)備兼容性，Wi-Fi協(xié)議體系如圖2所示[5]。

圖2 Wi-Fi協(xié)議體系Fig.2 Wi-Fi protocol architecture

2.5網(wǎng)絡(luò)攝像頭技術(shù)要點(diǎn)

網(wǎng)絡(luò)攝像頭可通過網(wǎng)絡(luò)將視頻上傳至中央控制器中，視頻傳輸過程中需借助TCP/IP協(xié)議和嵌入式操作系統(tǒng)，將視頻數(shù)據(jù)通過壓縮的方式上傳至用戶終端，通過該方式可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制灌溉系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)灌溉系統(tǒng)智能化發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)高效灌溉[6]。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1數(shù)據(jù)處理/傳輸模塊

數(shù)據(jù)處理采用S5PV210處理器，該處理器可提升系統(tǒng)整體性能，實(shí)現(xiàn)低成本、低消耗的工作模式。S5PV210處理器含有高質(zhì)量的外部存儲器接口，通過該接口可容納通信系統(tǒng)涵蓋的所有數(shù)據(jù)信息；S5PV210處理器含有的內(nèi)核處理系統(tǒng)可支持多種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)。數(shù)據(jù)傳輸模塊利用存儲器CC2530將數(shù)據(jù)映射至外部存儲器中，這樣既保證程序代碼正確性，又可重復(fù)利用數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)傳輸時，利用ZigBee協(xié)議保障數(shù)據(jù)的正常收發(fā)，有利于開發(fā)者實(shí)現(xiàn)高效率開發(fā)狀態(tài)[7]。

3.2傳感器模塊

傳感器模塊指溫濕度傳感器，采用AM2321傳感器，該傳感器電路如圖3所示。該傳感器內(nèi)含精密的溫濕度測試元件，體積較小，響應(yīng)速度極快，無需經(jīng)過二次計(jì)算即可得到精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)，因此可實(shí)現(xiàn)低成本開發(fā)。

3.3系統(tǒng)控制模塊及被控模塊

選擇STM32F103RBT6型號作為該系統(tǒng)的核心處理器，將中斷響應(yīng)速度控制在最短時間內(nèi)，保證系統(tǒng)高性能、低功耗。被控模塊選擇L298電機(jī)驅(qū)動芯片，該芯片具有一定的兼容效果，具有較強(qiáng)的抗干擾能力[8]。

圖3 AM2321溫濕度傳感器電路Fig.3 AM2321 temperature and humidity sensor circuit

3.4總體電源模塊

STM32電源電壓選擇3.3 V，ZigBee模塊及各部分處理器供電電壓為5 V，其中AMS1117芯片可為其他芯片提供3.3 V直流電源。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)連接

水稻大田智能灌溉系統(tǒng)中各部分控制器及節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)信息的傳輸均使用ZigBee通信技術(shù)。ZigBee通信技術(shù)的優(yōu)勢在于可將自身功耗降至最低，在IEEE 802.15.4協(xié)議的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)短距離通信。無線ZigBee網(wǎng)絡(luò)由路由器、協(xié)調(diào)器及終端設(shè)備組成[9]。

4.2水閥控制程序

灌溉過程中，噴灑裝置實(shí)現(xiàn)水流的噴射，水流的密集程度由水閥控制。控制水流密集程度時，應(yīng)通過中央控制器啟動電機(jī)，接收到啟動信息后，電機(jī)向水閥發(fā)送指令，該過程中通過傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)信息，且依據(jù)不同的水流密集程度，由調(diào)節(jié)程序做出相應(yīng)的動作：處理器接收的數(shù)據(jù)超過閾值，系統(tǒng)將自動關(guān)閉水閥；處理器內(nèi)接收的數(shù)據(jù)低于閾值，系統(tǒng)將放大水流密集程度，再由ZigBee模塊將信息上傳至主控CPU，由CPU控制電機(jī)調(diào)節(jié)水閥的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)水稻大田智能化灌溉。該過程也可通過人工對調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制。水稻大田智能灌溉系統(tǒng)的軟件流程如圖4所示。

5 仿真測試試驗(yàn)

5.1土壤濕度傳感器電壓值測試

為保證水稻大田智能灌溉系統(tǒng)的可操作性，需要測試土壤濕度傳感器電壓值，該值為模擬量輸出的電壓。根據(jù)水稻大田智能灌溉系統(tǒng)的電壓輸出數(shù)值，分析判斷傳感器功能。仿真測試前，需要在測試環(huán)境中設(shè)置相關(guān)參數(shù)。當(dāng)土壤濕度傳感器電壓值低于系統(tǒng)中設(shè)定閾值時，觸發(fā)中斷處理程序，并將該次測試結(jié)果上傳至顯示屏。

多次測試結(jié)果表明，濕度數(shù)據(jù)將隨著電壓值的不斷增大而減小，但總體趨于穩(wěn)定狀態(tài)[10]。

5.2遠(yuǎn)程控制功能測試

測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，可使用用戶終端實(shí)施遠(yuǎn)程控制，該控制通過ZigBee模塊中的無線通信程序?qū)崿F(xiàn)。系統(tǒng)正常運(yùn)行，連接無線網(wǎng)后，用戶可通過客戶端發(fā)送指令。若指令無效，如發(fā)送無效指令“a、b、c、d”，則系統(tǒng)界面上顯示其為無效指令；若指令有效，用戶端將接收功能信息。

圖4 水稻大田智能灌溉系統(tǒng)軟件流程Fig.4 Software flow of rice field intelligent irrigation system

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的智能灌溉系統(tǒng)，根據(jù)土壤濕度，實(shí)現(xiàn)了自動化灌溉；利用無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制。仿真試驗(yàn)證明，該系統(tǒng)性能良好、低成本、低功耗，具有較高的實(shí)用價值，在未來發(fā)展中具有良好的市場前景。