物联网背景下的农业智能灌溉系统设计与实施

物联网背景下的农业智能灌溉系统设计与实施摘要：本文针对农业智能灌溉领域,设计并实现了一套基于ZigBee技术的远程环境监测与控制系统。该系统主要由STM32F103单片机、TRSD-A1土壤湿度传感器、DHT11温湿度传感器、OLED显示模块、ULN2003电机驱动模块、报警模块和ZigBee模块等组成。系统可实时监测农作物生长环境温湿度和土壤湿度等关键参数,并通过设定的阈值自动控制水泵浇灌和电机通风,实现智能化灌溉。同时,系统配备有OLED显示屏和报警模块,可随时查看环境参数并发出超限报警。该系统构建在ZigBee网络之上,实现了数据的无线传输,可广泛应用于大规模农业种植场的远程环境监测和控制。关键词:智能灌溉;ZigBee;STM32F103;环境监测;自动控制DesignandImplementationofAgriculturalIntelligentIrrigationSystemundertheBackgroundofInternetofThingsAbstract：Thisarticlefocusesonthefieldofintelligentirrigationinagriculture,anddesignsandimplementsaremoteenvironmentalmonitoringandcontrolsystembasedonZigBeetechnology.ThesystemmainlyconsistsofSTM32F103microcontroller,TRSD-A1soilmoisturesensor,DHT11temperatureandhumiditysensor,OLEDdisplaymodule,ULN2003motordrivemodule,alarmmodule,andZigBeemodule.Thesystemcanmonitorkeyparameterssuchastemperature,humidity,andsoilmoistureinreal-timeforcropgrowth,andautomaticallycontrolwaterpumpirrigationandmotorventilationthroughsetthresholds,achievingintelligentirrigation.Atthesametime,thesystemisequippedwithanOLEDdisplayscreenandalarmmodule,whichcanviewenvironmentalparametersatanytimeandissueanoverlimitalarm.ThissystemisbuiltontopoftheZigBeenetworkandachieveswirelessdatatransmission,whichcanbewidelyusedforremoteenvironmentalmonitoringandcontroloflarge-scaleagriculturalplantations.Keywords：Intelligentirrigation;ZigBee;STM32F103;Environmentalmonitoring;automaticcontrol 目录TOC\o"1-3"\h\u252221.绪论 ４物联网背景下的农业智能灌溉系统设计与实施1.绪论1.1课题的来源农业是我国的基础产业,农村人口占总人口的比例较大,农业在国民经济中具有重要地位。随着我国农业生产向规模化、现代化发展,传统的人工管理和粗放式的农作物生长环境控制模式已不能满足现代农业的需求。如何通过自动化技术手段优化农作物生长环境、提高农业水资源利用率、降低人力投入已成为当前亟待解决的问题。传统农业灌溉多采用人工控制的洒水或渠道灌溉方式,这种方法往往存在灌溉不均匀、漏灌或重复浇水的问题,水资源利用率较低。同时,人工管理的方式需投入大量人力物力,增加了农业生产的经营成本。为有效解决这些问题,智能灌溉系统应运而生,它可根据实时监测的作物生长环境自动控制水分供给,实现精准高效的作物用水管理。物联网与嵌入式技术的发展为智能农业装备提供了技术支持,使远程监测和自动化控制成为可能。本课题将基于ZigBee无线传感器网络技术,设计一种集环境检测、数据传输和自动控制为一体的农业智能灌溉系统,对农作物生长环境实现智能化管理和优化调节,可显著提高水资源利用效率,减轻农民的体力劳动强度,提高农业生产效率。1.2国内外发展现状及发展前景国外在智能农业领域起步较早,尤其是在温室大棚等设施农业中,基于各类传感器的环境监测与自动控制系统得到了广泛应用。早在20世纪90年代,以色列就在其南部地区的温室大棚中使用计算机控制系统对环境参数如温度、湿度、光照、二氧化碳浓度和土壤湿度进行自动检测和调控。荷兰作为农业大国,其智能农业的发展更为领先。该国政府大力支持温室环境控制系统的研发,鼓励农场采用自动化环境控制设备。温室内的光照、温湿度、CO2水平及灌溉系统等均可通过计算机程序自动调节,促进作物生长,提高农产品产量和品质。美国在智能温室大棚及精准农业方面也进行了大量研究。佛罗里达大学开发了集环境监测、自动灌溉和施肥于一体的综合控制系统,可为温室和露地作物提供定制化的生长控制方案。加州大学戴维斯分校则专注于遥感技术在农业中的应用,开发出基于航空遥感的农田水分监测与灌溉决策支持系统。我国在智能农业领域起步较晚,但近年来也有多项研究成果问世。清华大学在空地设施农业中应用无线传感器网络技术,实现了光照、温湿度及土壤水分等环境因子的实时无线监测。北京农学院在北京通州区建立了一个智能农业物联网监控示范基地,可实现对旱作农田的环境参数无线监测及农事作业的智能决策。上述系统多采用基于互联网或移动通信网络的远程有线或无线监测方案,建设和维护成本较高,系统复杂。近年来,ZigBee作为一种低功耗、低成本的无线传感器网络技术在智能农业领域得到重视。浙江大学开发的基于ZigBee的温室环境监测与控制系统,对温室环境实现了无线监测和自动控制。该系统成本低廉、部署灵活便捷、能耗低且扩展性强。可以看出,无线传感器网络技术在智能农业领域存在良好的应用前景。我国智能农业起步较晚,与发达国家相比在环境参数检测、无线通信和自动控制技术等方面还有一定差距,亟需加大科技投入,抓住物联网等新兴技术的发展机遇,构建切合国情的智能农业体系。1.3本文主要内容本文针对农业智能灌溉的实际需求,设计并实现了一种基于ZigBee无线传感器网络的环境监测和自动控制系统。该系统由终端节点、协调器节点和ZigBee网关三部分组成。终端节点安装在农田现场,集成了多种传感器,用于采集现场的环境参数数据。主要包括土壤湿度传感器、温湿度传感器、OLED显示屏、水泵驱动电路、风扇驱动电路等硬件模块,以及单片机主控制模块和ZigBee无线通信模块。协调器节点是ZigBee网络的核心,负责网络的建立和路由维护,并汇总各终端节点发来的数据进行分析处理。ZigBee网关是协调器与外部系统的连接通道,例如可与上位机或物联网云平台互连,实现对整个农田的远程集中监控和管理。该系统构建在ZigBee无线传感器网络之上,利用ZigBee技术的低功耗、低成本和自组网等优势来实现农田现场环境参数的远程实时监测和有效控制,具有较好的可扩展性和实用价值。相比之前的农业环境监控系统,本系统具有以下几方面创新。本文在物联网背景下尝试应用嵌入式和无线通信技术,为农业环境参数的精准监测和智能化环境控制提供了一种较为先进和实用的解决方案。2功能与设计方案2系统总体方案概述2.1系统方案概括本智能灌溉控制系统由硬件和软件两大部分组成。硬件包括主控制单元、环境检测单元、执行控制单元、人机交互单元和无线通信单元等模块。主控制单元是整个系统的核心,由STM32F103单片机构成。它集成了主频可达72MHz的ARMCortex-M3内核,拥有128KB的FLASH存储空间和20KB的SRAM,并提供丰富的外设资源如GPIO、UART、I2C、SPI、ADC等接口,可方便地与各类传感器和执行器相连。环境检测单元负责采集农田的环境参数数据,包括土壤湿度检测和温湿度检测两部分。土壤湿度检测电路由模拟式TRSD-A1土壤湿度传感器与STM32的ADC模块相连;温湿度检测则采用数字式DHT11温湿度传感器,通过I2C接口与单片机相连。执行控制单元用于根据检测数据对农田环境进行主动调节,包括水泵控制和风扇控制两部分。水泵由直流减速电机驱动,通过ULN2003和晶体管组成的驱动电路与单片机的控制端口相连;风扇同样由直流电机构成,其驱动电路与水泵类似。人机交互单元由0.96英寸OLED显示屏和按键模块组成。OLED显示屏分辨率为128×64,驱动芯片为SSD1306,与单片机通过4线SPI接口相连,可显示文字、图标等信息,为用户提供参数查看界面。按键模块用于设置阈值等参数。无线通信单元使用ZigBee模块实现参数数据的无线传输,本设计选择CC2530ZigBee模块。该模块工作在2.4GHzISM频段,支持ZigBee协议栈,最高传输速率250kbps,通过SPI接口与单片机连接。图2-1系统框图2.2系统的方案论证2.2.1主控制器的确定智能灌溉控制系统的核心是其主控制单元,即需要选择一款性能适中且资源丰富的嵌入式微控制器。本设计方案选择采用ARMCortex-M3内核的STM32F103单片机作为系统的主控制芯片,主要基于以下几点考虑:（1）性能的需求STM32F103搭载ARMCortex-M3内核,主频可达72MHz,具有较高的运算能力。系统需要实时读取多路模拟和数字量输入,并根据一定的控制算法控制多路执行器,对主控芯片的实时性和并发处理能力有较高要求。Cortex-M3内核的高能效和丰富指令集可以较好满足这些需求。（2）资源的需求STM32F103集成了丰富的硬件资源,可以很好地满足系统的外围器件连接需求。具体包括:多达112个GPIO口,可广泛用于控制外围电路;3个12位ADC,可轻松接入TRSD-A1等模拟量传感器;3个全双工USART串口和2个硬件I2C接口,可用于与其他总线设备通信;2个SPI接口,可用于连接OLED、ZigBee等外设模块;7个通用定时器,可满足脉冲积分运算需求;预取缓存等多种高级功能也可提升整体性能。（3）成本的考虑基于ARMCortex-M内核的单片机在国内外均有多家厂商生产,种类较为丰富,价格便宜且供货渠道通畅。以STM32系列为例,单片机定价约20元左右,价格实惠。相比之下,选用ARM9、ARM11等较高级的应用处理器,成本和功耗将大大增加,不利于本系统的推广应用。（4）工具和文档的支持ST公司为STM32系列提供了丰富的软硬件工具资源,包括免费的MDK-ARM开发环境、RIDE调试环境、STMStudio上位机等。同时提供详尽的硬件及软件参考手册、应用笔记和实例程序,为开发者提供了良好的支持。综合上述因素考虑,STM32F103是一款在成本、性能和资源等诸多方面表现优异的MCU控制器,完全满足了本系统的应用需求,因此作为系统的主控制器无疑是一个合理选择。2.2.2显示模块的确定对于这样一个远程环境监测与调控系统,现场终端节点必须具备人机交互功能,方便用户随时查看参数并进行必要的操作设置。在多种人机交互手段中,显示屏是最常用和最有效的一种。本系统选择了0.96英寸的OLED显示模块。该模块分辨率为128x64,尺寸适中,可满足系统的基本显示需求。它采用SPI串行接口,只需占用MCU的4根IO线即可完成控制,接口简单且传输效率高。控制芯片为SolomonSystechSSD1306,是纯硬件的点阵驱动电路,无需太多的MCU软件支持。该款OLED显示模块自身集成驱动电源和控制器,功耗低且亮度高。外观采用铝合金边框,体积小巧、外形美观,并具有一定的防水防尘能力,适合户外应用。最重要的是,它作为常用的OLCD模块,成本仅几元,货源充足,具有良好的经济性和供货稳定性。这款OLED显示模块综合了分辨率、功能、可靠性和价格等诸多因素,完全满足系统的需求。2.2.3土壤湿度模块的确定土壤湿度是衡量土壤含水量的重要指标,对农作物的生长状况有直接影响。根据检测到的土壤湿度状况,智能灌溉系统可适时启动水泵进行浇灌,从而优化作物生长环境,提高用水效率。考虑到测量精度、抗干扰能力、成本、供货等诸多因素,本系统选择了TRSD-A1模拟式土壤湿度传感器。它采用了电阻式测量原理,输出为模拟电压信号,可直接连接到MCU的ADC模数转换器。这种模拟量形式无需单片机做复杂的通信协议解析,处理效率高且易于实现。由于TRSD-A1属于电阻式检测,其输出电压会受环境温度等因素影响。为提高检测准确度,需对其输出进行温度补偿。此外,埋设方式和电极与土壤接触状况也是影响测量精度的关键因素。如果应用场合对精度要求极高,也可采用电容式或张力式设备,但代价是成本和功耗的大幅增加。2.2.4温湿度检测模块的确定除了土壤湿度外,环境温度和空气相对湿度也是影响农作物生长的关键气象因素。例如,温度过高或过低都会给作物带来不利影响,甚至导致作物受伤;空气湿度过高容易滋生病菌,湿度过低也不利于作物正常生理代谢。本系统选用了DHT11数字式温湿度传感器。DHT11是一款低成本的单总线数字温湿度传感器,其工作原理是利用电容湿度传感器对湿度的变化做出响应,热敏电阻对温度做出响应。它将温湿度值经过A/D转换后,以单总线方式传输出去。它的低成本、可靠性高、功耗低、接口简单等优点更加突出,是智能灌溉系统的理想温湿度检测器件。在实际应用中,可结合具体环境条件,合理布置多个节点进行交叉检测,以提高整体测量精度。如果应用场合对精度要求非常高,我们也可考虑采用精度更高、测量性能更优但成本也更高的产品,如Sensirion公司SHT系列等温湿度传感器。但从性价比角度考虑,DHT11在大多数普通农业环境监测应用中已足够使用。2.3ZigBee技术介绍ZigBee是一种基于IEEE802.15.4标准的短距离、低功耗、低数据量无线通信技术。IEEE为其无线电收发器及相关协议规定了详细的规范。自2004年正式推出以来,ZigBee就凭借其低功耗、低成本、可靠等优点,在诸如智能家居、工业自动化、医疗保健及农业自动化等物联网应用领域广泛使用。ZigBee无线传输采用DSSS(直接序列扩频)技术,在2.4GHz的ISM频段内工作,最大传输速率为250kbps,理论有效传输距离可达100米左右。它采用OQPSK调制方式,信道数共有16个,每信道带宽为2MHz。同时支持多种网络拓扑结构,包括点到点、星型、树状和网状等。在协议层次结构上,ZigBee定义了自底向上的PHY物理层、MAC数据链路层、网络层NWK以及应用层APL。其中PHY和MAC层实现具体的数据传输和接收功能,网络层NWK则提供网络管理、路由发现及数据传输服务等功能。而APL应用层是开放的,用户可在此基础上开发特定的应用对象和应用配置文件。ZigBee网络由多个设备节点构成,协调器是整个网络的控制中心,负责网络的建立、路由维护及信道管理,一个ZigBee网络中只能有一个协调器。路由器是协调器的助手,主要任务是中继路由及转发数据包,路由器可以与终端节点、其它路由器或协调器相连。终端节点是无法转发数据的普通节点,只能与父节点(协调器或路由)相连,任务是收发与本地应用相关的数据。无论协调器、路由器还是终端节点,它们均由RF收发器、微控制单元(MCU)、天线、电源等部分组成。MCU负责运行应用程序与协议栈、管理硬件设备,RF收发器负责无线数据的实际收发功能。ZigBee协议栈实现了终端设备自动寻址、网络自动构建与自愈、终端设备自动加入网络及数据路由功能。一旦ZigBee网络建立,网络中的节点就可以根据地址互相通信,从而实现分布式的自动化控制。此外,ZigBee还支持128位AES加密算法,可提供强有力的安全保障。3系统的硬件电路设计3.1STM32简介STM32是意法半导体(ST)公司推出的一款基于ARMCortex-M内核的32位通用型微控制器系列,广泛应用于工业控制、医疗设备、汽车电子等多个领域。作为系统主控单元,STM32因其强大的性能、丰富的资源和优秀的软硬件生态而被选用。STM32系列产品线根据不同内核和功能分为多个系列,如性能入门级的F0/F1、主流的F2/F3/F4、高端的F7系列等。本智能灌溉系统选用的是基于Cortex-M3内核的STM32F103xB系列单片机。该系列集成了72MHz主频的Cortex-M3内核,拥有512KB的Flash及64KB的SRAM存储空间。STM32单片机由于采用Cortex-M3内核,具有较强的中断处理能力,最多可支持240个中断通道。向量表支持硬件预取式指令,中断嵌套达8级,实时性能优异。STM32还拥有丰富的指令集和强大的数据处理能力,支持硬件除法和硬件乘法运算,对DSP应用有较好支持。所采用的Harvard结构也加快了总线传输速度。STM32F103系列芯片采用业界领先的130nm制程工艺制造,功耗低、集成度高、可靠性强。其工作电压从2V到3.6V不等,静态电流仅120uA。同时具有多种掉电模式,动态功耗更低。STM32F103凭借其高性价比、丰富资源和优秀的架构特性,成为最受欢迎的单片机产品之一,非常适合作为本智能灌溉系统的控制核心。搭配ST提供的Keil/IAR等优秀开发工具和完备的文档资料,可大幅提高开发效率和可靠性。图3-1STM32F103单片机引脚图3.2温湿度监测模块电路设计本系统采用了DHT11数字温湿度传感器对环境温湿度进行监测。DHT11内置湿度测量电路和温度测量电路,采用专用的数字模数转换器将检测结果转换为数字量,并通过单总线串行接口以数字方式传输出去。DHT11只需要一根单总线即可完成产品与主机的通讯,因此接口简洁,大大节省了IO口的使用。而且由于采用数字式串行通讯,DHT11还可在主机电源不足时正常工作,连接方便快捷。此外,DHT11的电源电压范围为3.3-5V,与MCU接口电压基本一致。其中数据线连接DHT11的DATA引脚,时钟线连接MCU的SCL引脚。两线都需通过上拉电阻把总线拉高,电阻值通常选择4.7K欧姆。本设计采取的是电阻分压方式的软件上拉,即单片机输出"1"即可拉高总线。程序设计上,需要STM32的IIC初始化例程、数据读取例程和延时例程。在读取之前,需首先由主机发出开始信号,并发送读取命令和温湿度读取后的校验数据,接收完毕后发送停止信号。DHT11的读取过程如下:主机发出一个开始信号,并发出湿度/温度读取命令,DHT11先发送一个响应信号,再从高位到低位依次传输8个湿度数据位、8个温度数据位和校验数据;主机每接收到一个数据位后须从机发送确认信号。等待DHT11发出最后一个低位数据后,MCU需在25us内接收完毕。接收完所有数据后,主机将发送一个停止信号。由于DHT11的数据分8bit高低位依次传输,接收程序要做高低位合并处理。而且DHT11数据输出时序要求严格,响应时间和延时时间都有指定范围,因此单片机需执行精确的延时函数。图3-2DHT11与单片机的接线图图3-3DHT11产品实物图3.3土壤湿度检测电路设计土壤湿度是影响农作物生长的关键指标之一。本系统选用TRSD-A1模拟式土壤湿度传感器对土壤含水量进行检测,该传感器的输出为模拟电压信号。当被测土壤湿度越高,其电导率越大,模块内部的检测电路输出电压就越低;反之,土壤湿度越低,输出电压就越高。该传感器量程为0-100%RH,输出电压0-3.3V。在本设计中,TRSD-A1传感器模块的输出端直接与STM32单片机的模拟量输入口(ADC通道)相连。在上位机软件编程方面,需先初始化STM32的ADC控制器和DMA传输通道,配置采样率、数据对齐方式等参数。然后在主程序循环中周期性启动一次ADC转换,将采样数据通过DMA传输到缓冲区,最后根据标定公式计算对应的土壤湿度百分比。TRSD-A1属于模拟量传感器,受温度和电压等环境因素影响较大。为提高测量精度,需要对其输出做线性修正或非线性温度补偿。同时合理的布线和接地也可降低噪声干扰。TRSD-A1虽然体积小巧,但若长期埋设于室外,也应注意做好防水防尘防腐蚀等保护处理,提升整体可靠性。对于高精度应用场合,可采用电容式土壤湿度传感器,只是价格和功耗较高。图3-4土壤湿度传感器实物图3.4OLED显示电路设计本系统配备了0.96英寸OLED显示模块,用于现场显示土壤湿度、环境温湿度以及系统状态等信息,为现场人员提供数据监视和人机交互界面。相比LCD等其它显示方式,OLED显示屏功耗低、对比度高、视角大、响应速度快、体积小等优点使其成为物联网终端设备的理想选择。该OLED显示模块的驱动芯片为SolomoSSD1306,芯片内部集成有OLED显示源极驱动电路、行列扫描驱动电路、控制电路、RAM等,无需外接多余电路。显示器分辨率为128×64像素,模块带SPI串行接口,仅需通过4线SPI接口即可完成全部指令控制和数据传输。图3-5OLED液晶显示模块在单片机软件端,首先需初始化SPI控制器及相关IO口,然后通过SPI发送配置命令初始化OLED,最后调用相应函数在显存中写入显示数据。SSD1306支持简单的文字、图标和基本图形显示。以显示字符为例,其程序流程为:先发送设置列地址命令,再发送设置行地址命令确定显示区域,接着发送显示开始命令后循环发送每个字符的点阵数据至显存。字库可以自行设计或者选用业内成熟方案。除显示电路外,OLED模块的布局位置和布线走向也需合理设计,避免靠近电源、电机等强电磁干扰源,防止显示画面噪点过多影响可读性。此外,户外使用时需注意采取遮阳和防水防尘等保护措施。图3-6OLED的读时序图3-7OLED的写时序4系统软件设计4.1系统总程序设计系统主程序作为单片机的核心控制流程,负责对各硬件模块进行初始化,获取环境参数数据,分析处理数据,执行相应的控制策略。主程序的总体流程先对单片机内核、中断向量表、各硬件外设模块(SPI、ADC、OLED等)、全局变量等进行初始化设置。通过扫描AD模数转换器和读取I2C数据,实时获取土壤湿度、温度和湿度数据。将获取的模拟量数据转换为实际物理量,显示在OLED上。同时,对监测数据与预先设定的阈值条件进行比较,判断是否需要执行控制操作。根据判断结果,发出相应的控制指令,如开启或关闭水泵电机、电机风扇等。同时切换LED指示灯状态,并产生语音报警提醒。通过ZigBee模块,与协调器节点进行无线数据通信,将本节点状态及检测数据上传至协调器。通过设置适当的延时周期,控制程序循环运行间隔,避免浪费CPU资源。在获取数据和控制执行的关键环节,均应采用实时可靠的操作方式,如中断方式或DMA传输等。同时需编写延时、数据处理、数据通信等公用子函数,以提高代码的可重用性和可维护性。图4-1系统总流程图4.2水泵及风扇控制程序根据系统检测到的土壤湿度、温度和湿度数据,控制程序需判断是否满足相应的控制条件,从而决定是否启动水泵或电机风扇进行环境调节。电机风扇的控制原理类似,根据监测到的温湿度数据判断是否超出设定的上限阈值,满足条件时启动风扇进行环境调节。除显示水泵和风扇的工作状态外,控制程序还需在异常状况时启动蜂鸣器发出声光报警,提醒农户注意。如需对控制策略进行优化,可采用自适应算法自动调整上下限阈值,并增加响应的灵敏度和平滑度。也可结合时间变量,对节能、定时浇灌等增加控制功能。控制逻辑需根据实际需求进行优化和完善。图4-2外设执行子程序流程图4.3协调器程序设计在本ZigBee网络拓扑结构中,协调器节点作为网络的控制中心,需运行相应的协调器程序。协调器运行的ZigBee协议栈软件一般采用分层的模块化结构,自底向上主要包括硬件抽象层(HAL)、MAC层、网络层(NWK)、安全服务层和应用支撑层等模块,以及最上层的应用对象和用户应用程序。硬件抽象层提供了硬件驱动,用于访问MCU外设、RF收发器和电源管理等硬件资源。MAC层实现了IEEE802.15.4标准的数据链路层协议,包括CSMA/CA信道访问、帧编码等功能。网络层负责网络构建和路由维护。应用支撑层则为终端设备的应用对象提供接口,如网络设备对象、绑定对象等。以Z-Stack为例,其应用对象包括数据对象、设备对象和服务对象。数据对象用于终端采集数据、控制指令的收发;设备对象提供设备功能及网络管理服务;服务对象则为核心协议栈服务提供接口等。在编程开发时,协调器程序可基于TI公司提供的Z-Stack协议栈代码工程,结合实际需求修改并集成相关应用程序模块。利用ZigBee协议栈已实现的网络组建、路由发现和数据传输等功能,只需关注具体的应用层逻辑即可,开发过程将得到极大的简化。图4-3协调器流程图4.4ZigBee无线通讯协议ZigBee技术在底层采用了IEEE802.15.4标准,并在其之上构建了网络层、安全层和应用支撑层等高层协议,从而支持设备配置、网络组织和应用对象等功能。一台设备通过网络层的地址分配机制首先获得网络地址,协调器负责分配地址。然后通过APS层设备及服务发现机制发现网络中其它节点的服务,并与之建立连接。之后就可通过数据实体APSDE-SAP(APS数据实体服务访问点)双向传输数