基于STM32和S3C6410的無線節水滴灌自動控制系統

為實現實時適量的精準滴灌，本文提出了一種基于S3C6410和STM32的無線節水滴灌自動控制系統的設計方案。該方案利用ZigBee無線傳感器網絡的自組網特點，采用星型網絡拓撲結構，實時監控多塊田地的土壤溫濕度變化，通過反饋傳感信號，對滴灌動作進行精準判斷和控制。田間試驗期間測得土壤濕度最小值為30%，最大值為70%，處于理想范圍內。實驗結果表明，該方案所設計的系統能夠實現滴灌自動控制，且性能良好，具有靈活性強、安全可靠、低功耗、低成本。

0 引言

隨著人口的增長和農業的發展，隨著全球變暖造成的干旱問題日益嚴重，世界水資源的需求量越來越大，水資源緊缺已成為全世界人民共同關注的問題。滴灌技術是通過干管、支管和毛管上的滴頭，在低壓下向土壤經常緩慢滴水，可直接向土壤供應已過濾的水分、肥料或其他化學劑等的一種實用技術。大田自動滴灌技術具有大幅度提高水的利用率、減少土壤結構破壞、改善生態環境、提高經濟效益的作用，是一種高效節水的新型灌溉技術，目前已經成為實施高效、精準灌溉的重要水資源管理技術措施。近年來，隨著無線信息傳輸技術的發展，ZigBee 無線網絡以其低成本、低功耗、低速率、近距離、短延時、高安全等特點，在現代農業發展中得到高度關注。本設計將傳感器技術、 STM32F103VET6單片機、 ZigBee無線通信技術相結合，提出了一種節水滴灌自動控制系統的設計方法，并開發了基于STM32的田間控制器。系統針對不同農作物在不同生長時期對水分的需求情況，依據土壤濕度與環境溫度，能夠與基于S3C6410 開發平臺的網關通過ZigBee無線網絡進行通信，由田間控制器精準科學地控制灌水位置、灌水時間、灌水量、灌水質量，實現了農作物的適時自動滴灌，為作物生長提供良好的條件。系統為實現大面積農田的統一調度管理提供了基礎，是一種理想節水滴灌解決方案。

1 系統總體設計

1.1 系統的拓撲結構

系統采用無線傳感網自組網的星型網絡拓撲結構，總體組成如圖1所示，由上位機、S3C6410網關(網絡協調器節點)、CC2530 無線收發模塊(ZigBee 通信模塊)、終端控制節點以及執行機構組成。

采用一臺式計算機作為上位機，負責接收傳感器上傳的數據、存儲、分析并做出相應的智能滴灌決策。

S3C6410網關是整個網絡的協調器，負責自動搜尋網絡中的終端節點，組織無線網絡，并從終端節點取得上位機需要的數據，實現終端節點與上位機之間的通信。網關與終端控制節點通過基于ZigBee的CC2530無線收發模塊進行組網通信，由一個網絡協調器用的主機模塊和若干個從機終端模塊組成。終端控制節點是基于STM32的田間控制器，田間控制器(1)放在主管道上，配有液位傳感器、壓力傳感器及流量傳感器，執行機構是調節水壓大小的變頻器。田間控制器(2)~田間控制器(n)完全相同，放在每塊田地里，配有SHT11 土壤溫濕度傳感器，一個終端節點模塊可以根據需要連接多個測溫濕度的探頭，執行機構是控制滴灌開閉的電磁閥。

另外，出于對農田的分散性和成本的考慮，由太陽能光伏供電系統對終端控制節點提供電源。

1.2系統的工作原理

上位機發送采集指令，經由S3C6410 網關，利用CC2530 無線收發模塊將指令發送給基于STM32 的田間控制器;各傳感器節點將檢測到的數據上傳到STM32 田間控制器，然后由它通過CC2530無線收發模塊同樣經由網關將數據發送到上位機中;上位機對接收到的數據進行智能處理和決策，例如對濕度值進行排序、得到濕度值較小的幾塊田地，并據此對STM32田間控制器發送開啟這幾塊田地電磁閥的命令，從而實現自動滴灌。

在田塊面積大，需要控制上百個電磁閥門的大規模灌溉區域，可將圖1部分連接傳感器的終端節點替換為路由節點，路由節點及終端節點均裝備傳感器。ZigBee無線傳感網絡將由一個網關協調器節點、適當數目的路由器節點和多個終端節點組成，路由器和終端通過內部程序進行設置，且在一定距離內均可與網關直接通信。統采用休眠喚醒機制，實現了低功耗運行。

2 系統的硬件設計

硬件是無線控制系統的關鍵和基礎，它直接影響著整個系統的節能性、穩定性、控制和反饋的準確性。

2.1 S3C6410網關

基于ARM1176JZF -S 的16/32 位RSIC 微處理器S3C6410，是一款具有低成本、低功耗、高性能特點的應用處理器，它具有4 個UART 接口，支持DMA 和Inter?

rupt模式，按ZigBee協議實現無線傳輸功能和自組網功能。當網關系統上電時，作為協調器的ZigBee主節點啟動和建立無線網絡，當網絡建立后，負責接收終端控制節點(STM32田間控制器)返回的信息，發送相應的控制信息到各個田間控制器中。

2.2 基于ZigBee的CC2530無線收發模塊

ZigBee是基于IEEE 802.15.4協議的一個開放式的標準，具有低成本、低功耗、低速率的特點，可同時無線連接大量不同的電子設備。設計選用TI公司最新推出的CC2530芯片作為控制器的微處理器，它集成了一個高性能2.4 GHz直接序列擴頻射頻收發器、一個增強型單周期的8051 CPU 和一個DMA 控制器，具有8 KB 的SRAM、32/64/128 KB的片內FLASH存儲器、 2個支持多種串行通信協議的USART、8通道8?14位ADC、定時器和21個可編程的I/O引腳，具有寬電壓范圍(2~3.6 V)、低功耗和電源電量可監控等特點。在ZigBee協議棧中UART 具有中斷、DMA 兩種模式，本文設計中均采用UART的中斷模式。

ZigBee通信板原理圖如圖2所示。

2.3 STM32田間控制器

由STMicroelectronics 的STM32 單片機與ZigBee 收發節點模塊組成。采用STM32F103VET6 閃存32 位微控制器。它基于突破性的ARM Cortex?M3內核，工作頻率為72 MHz，內部集成了高速存儲器(高達128 Kb 閃存和20 Kb SRAM)、通過APB 總線連接豐富增強的外設和I/O，另外包含了2個12位的ADC、3個通用16位定時器和一個PWM 定時器，還包含標準和先進的通信接口：2個I2C和SPI、3個USART、一個USB和一個CAN.

由于設備集成了標準的通信接口，無需配置額外的組件，減少系統成本，為手持設備和一般類型應用提供了低價格、低功耗、高性能微控制器的解決方案。終端控制節點電路如圖3所示。

由于液位、壓力、流量傳感器均是4~20 mA模擬信號輸出設備，需要用模/數轉換器將模擬信號轉換為數字信號，再由STM32 單片機進行處理。本設計需要采集液位、壓力、流量等4~20 mA設備信息，所以設計4通道采集電路，如圖4所示。