基于ZigBee和STC12C5A60S2的水稻自动灌溉系统设计

　　引言

    现在的农业灌溉都是采用喷灌、滴灌、微灌等技术方法，需要手动对监控现场的情况进行控制，而且需要另外的网络构建与布线，成本较高。随着经济社会的发展，需要一种自动、科学的灌溉系统来控制灌溉。为此，设计一种基于 ZigBee 和 STC12C5A60S2的自动灌溉系统，在监控中心通过上位机可以看到现场的数据，同时会根据水稻各个生长期的需水情况，自动发送命令控制电磁阀的动作。综合来看，该系统成本低，与传统的控制系统相比更加智能。

　　1 系统的结构及工作原理

　　系统由上位机和下位机组成，总体结构图如图 1所示。其中，上位机安装了组态软件服务器，负责接收发回来的数据和发送相应的命令;下位机由网关和节点组成。其中，节点是由电源模块、ZigBee 模块、传感器、太阳能板、电磁阀等部分组成。在稻田池块处放置节点，根据水稻生长时期和土壤状况确定传感器埋设深度，实时监测池块变化。设计时，在池块中布置 8 个节点，网关与节点中采用 ZigBee 树状网络通讯，网关与上位机采用 GPRS 通讯，系统网关和节点都通过太阳能板供电。节点实时采集传感器的数值，经 ZigBee 传输到网关，数据实时显示在组态屏上，网关将数据融合后由GPRS 传送到上位机。上位机软件接收并处理数据，根据相应的预设参数和采集回来的参数，会自动控制电磁阀启停功能。同时，网关还可以监测电池电量的参数，并传送至上位机。【图1】
 

　　

　　2 系统设计

　　2． 1 网关控制芯片的设计

　　STC12C5A60S2 / AD / PWM 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051，但速度快 8 ～ 12 倍;内部集成了MAX810 专用复位电路、2 路 PWM、8 路高速 10 位 A /D 转换 ( 250K / s)，针对电机控制，适用于强干扰场合。

　　2． 2 节点驱动电路的设计
　　
　　采用驱动继电器控制电磁阀的方式。为了提高系统的可靠性，采用 5V 继电器。继电器使用 ULN2803驱动，ULN2803 使用 5V 供电，STV12C5A60S2 的输出信号经 74HC14 传输到 ULN2803。继电器连接图如图 2 所示。【图2】

　　
　　2． 3 传感器的选择

　　传感器测量部分包括土壤水分、池块温度和池块水位。各部分的选型如下:

　　1) 测量池块温度。选用 DSl8B20 温度传感器，与传统的热敏电阻不同，其可直接将被测温度转换为串行数字信号，供单片机处理。测量温度范围为 － 55 ～+ 125°C，在 －10 ～ +85°C 范围内精度为 ± 0． 5°C，适合于恶劣环境的现场温度测量。

　　2)测量池块水位。选用 GB2100A 液位传感器，供电范围 5 ～12V，具有信号隔离放大、截频干扰设计及抗干扰能力强等特点。

　　根据寒地水稻控制灌溉技术规范，水稻生育转换期要提前晒田，并在生育期转换问题上提出“时到不等苗苗到不等时”的调控方法。“时到不等苗”，即不管水稻处于哪个生育期(分蘖末期除外)，土壤水分到了土壤控制下限则灌水至上限，土壤水分未达到控制下限，不需要灌水;“苗到不等时”即水稻生长发育到分蘖末期，不管土壤水分是否控制到下限，都要及时排水晒田。过了分蘖末期，到了拔节孕穗期，(需水敏感期)则必须灌水至土壤水分上限。

　　因此，采用 HS －102STR 土壤水分传感器，它是一款基于频域反射原理，利用高频电子技术制造的高精度、高灵敏度的测量土壤水分的传感器，通过测量土壤的介电常数，能直接稳定地反映各种土壤的真实水分含量。

　　2． 4 ZigBee 网络的设计

　　ZigBee 网络采用 TI 公司最新一代 ZigBee SOC 芯片，芯片供电电压为3． 3V，内部已集成了一个8051 微处理器与高性能的 RF 收发器。该芯片在无外加功放情况下通信距离可以达到 1 600m。

　　采用 TI 公司的 ZigBee2007/PRO 协议栈作为开发背景，在 IAR Embedded Workbench 环境下开发。启动网关后允许采集节点与其连接，接收节点的数据信息;然后，数据通过 ZigBee 传送至网关，网关将其打包成规定的数据帧格式，经由 GPRS 传送至上位机。

　　2． 5 通讯协议

　　在网关与上位机之间通过 GPRS 通讯，设计的数据格式参考了常见的 Modbus － RTU 协议的格式，由设备地址、功能码、数据、结束符组成。采用求和校验方式，即将功能码和数据位的 5 个字节数据(BIT2 －BIT6)相加求和，取低 16 位写入校验位。数据帧格式如表 1 所示。【表1】
 

　　

　　设备地址为设定的网关地址，在本设计中定义为4A 01，功能码用于区分实现不同的功能，包括继电器控制、读取采集节点数值、读取电池电量等。其中，功能码 4B 1x 用于实现继电器控制，数据位 00 00 00 表示继电器闭合，FF FF FF 表示继电器断开;读取电池电量检测功能码 53 1x，即数据位 00 00 00 表示电量低，FF FF FF 表示电量高;采集传感器数据功能码 73xx，即功能码 73 11 代表 1 号节点的 1 号温度传感器。

　　例如，上位机发送:4A 01 4B 11 00 00 00 5C 0D 0A，即表示发送继电器 1 闭合命令。

　　2． 6 节点供电电路的设计

　　对于分散在池块的采集节点，由于距离控制室较远，因此供电采用太阳能电池板与铅蓄电池相结合的方式。在阳光良好、太阳能电池板输出充足的时候，采用太阳能电池板供电，同时对铅蓄电池进行浮充;当太阳能电池板输出不足或者出现故障时，切换到铅蓄电池端，利用电池进行供电。在系统的设计上，采用一只 1N5819 二极管作为太阳能电池板与铅蓄电池的切换开关:当太阳能电池板输出充足时，则太阳能电池板具有优先权;当太阳能电池板输出不足不能为系统正常供电时，则二极管导通，采用铅蓄电池供电，以保证系统能够连续工作。其供电电路连接图如图 3所示。【图3】
 

　　

　　2． 7 系统软件设计

　　系统软件主要是靠对单片机编程实现。其中，对上位机无线通信时，响应帧在上位机链接单元中自动生成，在单片机中无需用户再编写通信程序。因此，单片机编程主要解决的是现场电磁阀的开启和关闭控制、模拟量的数据的采集和处理，同时也可接收上位机发送的控制指令完成相应的控制操作。系统软件的实现可以让操作员位于监控中心的计算机终端，进行远程手动、半自动和全自动控制，各项操作无需人进行，节省了人力资源，操作的准确性、连贯性比以往得到显着提高，从而大幅度提高了生产效率。

　　2． 8 上位机组态程序设计

　　MCGS 是北京昆仑通态自动化软件科技有限公司研发的一套基于 Windows 平台的、用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统。该产品以搭建战略性工业应用服务平台为目标，可以为企业提供一个对整个生产流程进行数据汇总、分析及管理的有效平台，使企业能够及时有效地获取信息，及时地做出反应，以获得最优化的结果。上位机程序控制流程图如图 4 所示。MCGS 软件具有网络监控、数据采集和处理、趋势曲线、报表输出、动画显示等功能，同时支持多种 GPRS 模块，能够在灌溉远程控制中发挥其优越性。【图4】

　　3 安装调试。。

　　本研究选用方正研究院的试验地块，地势较平坦，选取 8 个下位机基站对水稻内环境进行监测，检验系统的各项性能指标。节点无线通讯模块的天线高度为 1． 5m，与上位机间距分别为 45 ～ 55m，每个工作节点下设 1 个温度传感器、1 个液位传感器和 1 个土壤水分传感器，分别监测池块的温度、水位和土壤水分。方正水稻各生育期灌溉水层及土壤水分控制下限指标如表 2 所示。【表2】

　　
　　4 结果与分析

　　对系统进行连续 7 天试验，运行状况良好，当时为水稻分蘖前期，测试的部分结果如表 3 所示。【表3】

　　
　　5 结论

　　自动灌溉系统通过无线数据传输对农田灌溉中的主要参数进行实时采集，与事先设定的水位上下限进行比较，实现自动灌溉。本文结合单片机、ZigBee等技术设计的远程灌溉监控系统可实时精确地自动灌溉和监控，在保证作物用水的同时有效防止了水资源的浪费，减少了人力资源使用，能够满足灌溉自动化的需求，对于精准农业的发展有重要的意义。

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