无线节水滴灌自动控制系统的设计方案

（STM32田间控制器）返回的信息，发送相应的控制信息到各个田间控制器中。

　　2.2 基于ZigBee的CC2530无线收发模块

　　ZigBee是基于IEEE 802.15.4协议的一个开放式的标准，具有低成本、低功耗、低速率的特点，可同时无线连接大量不同的电子设备。设计选用TI公司最新推出的CC2530芯片作为控制器的微处理器，它集成了一个高性能2.4 GHz直接序列扩频射频收发器、一个增强型单周期的8051 CPU 和一个DMA 控制器，具有8 KB 的SRAM、32/64/128 KB的片内FLASH存储器、 2个支持多种串行通信协议的USART、8通道8？14位ADC、定时器和21个可编程的I/O引脚，具有宽电压范围（2~3.6 V）、低功耗和电源电量可监控等特点。在ZigBee协议栈中UART 具有中断、DMA 两种模式，本文设计中均采用UART的中断模式。

　　ZigBee通信板原理图如图2所示。

　　2.3 STM32田间控制器

　　由STMicroelectronics 的STM32 单片机与ZigBee 收发节点模块组成。采用STM32F103VET6 闪存32 位微控制器。它基于突破性的ARM Cortex？M3内核，工作频率为72 MHz，内部集成了高速存储器（高达128 Kb 闪存和20 Kb SRAM）、通过APB 总线连接丰富增强的外设和I/O，另外包含了2个12位的ADC、3个通用16位定时器和一个PWM 定时器，还包含标准和先进的通信接口：2个I2C和SPI、3个USART、一个USB和一个CAN.

　　由于设备集成了标准的通信接口，无需配置额外的组件，减少系统成本，为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能微控制器的解决方案。终端控制节点电路如图3所示。

　　由于液位、压力、流量传感器均是4~20 mA模拟信号输出设备，需要用模/数转换器将模拟信号转换为数字信号，再由STM32 单片机进行处理。本设计需要采集液位、压力、流量等4~20 mA设备信息，所以设计4通道采集电路，如图4所示。

　　3 系统的软件设计

　　系统软件主要任务是实现传感器工作的控制、无线网络的组网以及数据的无线收发。系统软件主要包括上位机软件与下位机软件。上位机软件设计，主要是基于Visual C++的参数设置、数据采集、自动灌溉及查询历史记录等的编程。下位机程序设计有两个关键点：一是对温湿度、液位、压力、流量的采集，通过控制变频器调节水泵或通过控制继电器使得电磁阀开启与闭合；二是ZigBee收发模块对控制信号的接收、发送与执行。

　　自动滴灌系统中，土壤湿度是一个重要变量。上位机通过无线方式向田间控制器发送采集命令，将接收到传感器返回信息进行显示并对湿度做排序处理、判断液位是否过限、将压力和流量传感器得到的数据进行融合来调节变频器，然后通过ZigBee通信板向田间控制器发送开启或关闭电磁阀的指令。上位机主程序流程图如图5所示。

　　传感器节点上电后，首先进行系统的初始化，然后选择信道并加入现有的ZigBee无线网络，休眠等待接收信号，当接收到网关节点发出的查询信号后，进行数据的采集并发送回协调器节点。

　　S3C6410 开发平台具有4 个UART 接口，在研究设计中，采用了MAX3232 芯片来解决ZigBee通信模块的CC2530芯片与该开发平台之间的串口通信电平转换。

　　ZigBee 无线收发模块软件开发采用IAR EmbeddedWorkbench（EW）平台完成。EW的C/C++交叉编译器和调试器是今天世界最完整的和最容易使用专业嵌入式应用开发工具。网关ZigBee程序流程图见图6.

　　基于STM32的田间控制器接收到上位机发来的采集命令，进而执行采集土壤湿度、空气温度、液位、压力、流量等信息并上传，等待上位机进行智能决策后，将控制命令，如电磁阀开启关闭以及变频器的调节，发送出来，STM32控制器予以接收并且执行。下位机程序流程图如图7所示。

　　4 实验及结果分析

　　对各模块进行驱动测试，然后对系统整体进行协同工作实验。通过田间实验观测通信质量、滴灌效果及系统是否运行正常。

　　4.1 CC2530无线通信质量测试CC2530无线通信模块性能对系统整体性能起着至关重要的作用。CC2530通信模块的测试主要包括节点之间通信距离及数据包丢包率的测试。TI公司推出的通用数据包探测器（General Packet Sniffer）可以对未加密的通信过程进行监控，故可利用它进行通信和组网测试。

　　（1）空旷无障碍测试，观测通信质量及通信距离

　　测试地点：校园空旷处。

测试内容：协调器主节点上电，建立网络后，等待其他子节点加入。通过在协议栈中配置CC2530单芯片射频部分的输出功率寄存器，来使协调器和终端节点之间进行通信，按照规定的协议数据格式相互发送数据包，从而能够对CC2530通信模块的通信距离、数据包丢