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基于STM32的灌溉远程监控系统研究

来源:华佗小知识
第44卷第8期 东北农业大学学报 44(8):105-109 2013年8月 Journal of Northeast Agricultural University Aug.2013 网络出版时间2013—8—19 16:46:00 [URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20130819.1646.028.htm1 基于STM32的灌溉远程监控系统研究 张长利,李佼,董守田 (东北农业大学电气与信息学院,哈尔滨150030) 摘要:目前我国农田灌溉多采用人工操作方式,该方式依赖操作员的经验加之机井位置分散,易造成水资 源和人力资源的浪费。文章采用嵌入式技术,ZigBee以及GPRs等技术设计开发一种灌一 ̄ --怔a,监控系统,此系统由 监控计算机、主控制器、采集节点、传感器、电源模块、GPRS模块、保护装置等组成,可根据植物种类、生长时 期和土壤状况确定传感器埋设深度和土壤水分阀值。在试验地块中,三个土壤水分传感器埋设深度分别为5、1O、 20 cm,中层水份含量能够控制在设定范围内,下层水份含量灌溉前后变化较小,系统连续运行未发生故障。该系 统可实现无人值守的灌溉远程监控,并可提高水资源的利用率。 关键词:STM32;ZigBee;精准农业;灌溉;土壤水分 中图分类号:¥24;TV93 文献标志码:A 文章编号:1005—9369(2013)08—0105—05 张长利。李佼,董守田。基于STM32的灌溉远程监控系统的研究[J】.东北农业大学学报,2013,44(8):105.109. Zhang Changli,Li Jiao。Dong Shoutian.Study on irrigation remote monitoring system based on STM32[J].Journal of North- east Agricultural University,201 3,44(8):1 05-1 09.(in Chinese with English abstract) Study on irrigation remote monitoring system based on STM32/ZHANG Changli,LI Jiao,DONG Shoutjan(Scho0I of Electricity and Information,Northeast Agricultural Universiyt,Harbin 1 50030,China) Abstract:Currently,farmland irrigation is still using a manual pump manually in our country.The way depends on the experience of the operator while the motor-pumped wells are in scattered locations,resulting in the waste of water resources and human resources.This paper design and develop an irrigation remote monitoring system by embedded technology,ZigBee technology and GPRS technology and SO on.The system consists of monitoring computer,main controller,acquisition nodes,sensors,power module,GPRs module,protection devices.Sensor buriaI depth and soiI moisture threshold can be set according to the plant species,Growth period and soil conditions.In the test area,the middle soil moisture content can be controlled within a set range and the lower soil moisture content changes small before and after the irrigation when soil moisture sensor is buried 5,1 0 and 20cm.Breakdown did not occur in continuous operation.It shows that the system reaches the unattended irrigation remote monitoring and improves the utilization of the water resources effectively. Key words:STM32;ZigBee;precision agriculture;motor-pumped wells;soil moisture content 灌溉是农业生产的重要环节。目前农田灌区 间,造成水资源和人力资源浪费。推广远程灌溉 的机井控制,大部分地区仍采用现场人工合闸, 控制可有效提高水资源利用率,降低农产品生产 灌溉需要有人值守,根据经验数据确定灌溉时 成本。 收稿日期:2012—08—21 基金项目:东北农业大学科技创新团队项目(CXZ010—1) 作者简介:张长利(1957一),男,教授,硕士,硕士生导师,研究方向为农村电气化及自动化。E-maih zhangcl@neau.edu.ca 东北农业大学学报 第44卷 近年来相关研究已深入到将气象因素、蒸腾量 和土壤含水率相融合的综合灌溉控制。DigitalSun公 模块,采集节点,传感器,保护装置等部分组 成。总体结构示意图如图1所示。 司研发自动化无线传感器网络系缀”,张伟等设计了 基于ZigBee无线传感网络与模糊控制方法的精细 灌溉系统 。但是由于价格以及安装条件的制约, 应用范围只局限在少数示范田或示范园区,很难 大面积推广应用 。系统大多针对于电控阀门与管 在机井处安装主控制器,将土壤水分传感器 固定埋人地表以下不同深度,实时监测土壤墒情 变化 ,本设计地块中根据植物种类布置3个土壤 水份采集节点,机井水泵接触器处安装三相保护 器。协调器与采集节点中采用ZigBee树状网络通 网控制,不适用于现在普遍使用的农田机井控 制。精准灌溉系统可以根据农作物的种类在一定 的耕地深度层布置若干水分传感器,形成传感器 网络[4】,根据传感器采集的数据进行分析处理,以 确定是否进行灌溉和灌溉时间。 本文设计一种针对农田机井灌溉的远程灌溉 讯,协调器与STM32采用RS232连接,主控制器 与上位机采用GPRS进行通讯。系统主控制器部分 采用220 V供电,采集节点通过太阳能供电装置 供电。 当到达设定的采集时间时,读取水份传感器 数据并传送到协调器,经串口传送到主控制器, 主控制器将数据融合后由GPRS传送到上位机。上 监控系统,可实现上位机对多个机井水泵远程开 停、状态监测、故障关断以及采集数据上传等 功能。 位机发送命令时,根据约定的帧定义进行命令类 型判断,继电器联动交流接触器实现水泵启停或 实现主复位等功能。同时主控制器还可以监测水 1 系统结构及工作原理 采用由上位机,主控制器,GPRS模块,电源 继电器1-12V 泵参数,并传送到上位机,在水泵发生故障时可 以向上位机发出报警信号并停止水泵工作。 上位控制计算机 GPRS模块 交流接触器 ZigBee ’ 机井水泵 STM32 F103 协调器网关 ▲ H圭 砷!:璺!}II 土 壤I'/景水 ̄-份 采集节点 9V 3.3V 主复位 电流电压采集 ▲ 三相保护装置 主控制器 三相 继电器2—5V 12V 5V 3.3v 相 图1总体结构示意图 Fig.1 Schematic drawing of the general structure 2 系统设计 2.1主控制器设计 综合考虑系统功能,采用uCOS—II作为主控制 器的操作系统,基于抢占式开放源码的实时多任 务操作系统,具有较高的稳定性和可移植性。在 uCOS—II实时操作系统中,除系统开始任务外,创 建6个任务,分别是控制命令解析、数据上传、协 调器数据接收、电流电压监测、继电器控制和三 相保护监测。 2.2控制电路设计 选用意法半导体公司生产的基于ARM Coaex— M3内核的STM32系列32位微处理器STM32F103 RBT6作为主控制器。处理器内核电压1.8v,芯片 供电电压3.3V,64引脚,128K FLASH,20K SRAM,2个SPI接口,3个串口,1个USB接口,1 个CAN接口,51个IO口【6j。主芯片接口见图2。 采用驱动继电器控制三相交流接触器的方式。 第8期 张长利等:基于STM32的灌溉远程监控系统研究 为了提高系统的可靠性,采用12 v继电器,继电器 STM32的输出信号经74HC14传输到ULN2803。继 使用ULN2803驱动,ULN2803使用12 V供电。 电器连接见图4。 PA9 PC6 PA10 PC7 PC8 PA2 PCO PA3 PC1 PC2 PB12 PC3 PB13 PC4 PB14 PC5 STM32 图2主芯片接口 Fig.2 Interface of the main chip CC2530和STM32的外部复位引脚,动作时实现系 PB12 ̄统的硬件外部复位,为系统局部故障或远程调试 …… l IINN31  OOUT3UT1 [18二 时提供方便。在设计时,系统预留1路继电器控制 PB13 N4 。u 端口。 2.3传感网络设计 7 4HC14[[——]— 强触褥 —__{ 传感网络芯片选用德州仪器生产的CC2530。 支持IEEE 802.15.4标准ZigBee/ZigBee RF4CE,内 部已集成一个8051微处理器与高性能的RF收发 RST2 器 。该芯片在无外加功放情况下通信距离可达到 GND RST1 400 m,满足系统要求。 VCC12 选用FDS一100土壤水分传感器,模拟电压输 JDQ2-DC5V 出,输出电压范围0~1.875 V,根据电磁波在土壤 图3继电器连接 中的传播频率测试土壤的介电常数,从而得到土 Fig.3 Interface ofrelay 壤容积含水率,量程0~100%,精度3%,响应时间 小于1 S,供电电压5—12 V(本设计使用9 V)。连接 到CC2530的P0.5口,采用电磁脉冲原理,铅蓄电 池供电。采用水平布置方式,如图4所示。 采用TI公司的ZigBee 2007/PRO协议栈作为开 发背景,在IAR Embedded Workbench环境下开 发。启动协调器后允许采集节点与其连接,接收 采集节点的数据信息,然后数据通过串口2传送至 主控制器,主控制器将其打包成规定的数据帧格 式,后经串口1由GPRS传送至上位机。 2.4数据帧格式设计 图4传感器布置 在主控制器与上位机之间通过GPRS通讯,设 Fig.4 Sensor arrangement 计的数据格式参考常见的Modbus—RTU协议格式, 继电器1与交流接触器联动实现机井水泵的控 由设备地址、功能码、数据、结束符组成。采用 制。通过水泵的电压、电流监测可得到水泵的状 求和校验方式,即将功能码和数据位的五个字节 态信息。继电器2用于系统的主复位,连接 数据(BIT2一BIT6)相加求和,取低十六位写入校验 .108. 东北农业大学学报 第44卷 位。数据帧格式为设备地址4A 01,功能码4B 11, 示低电平,FF FF FF表示高电平;相电压电流值检 测功能码41 xx,即功能码41 11表示A相电压,41 数据00 00 o0,校验5c,结束符0D 0A。 设备地址为设定的主控制器地址,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、读取胺收三相 保护装置电平、读耽接收电压电流值等。其中功能 码4B 1x用于实现继电器控制,即4B 11表示继电器 1、4B I2表示继电器2,数据位00 00 00表示继电器 21表示A相电流;采集传感器数据功能码73 XX,即 功能码73 11代表1号节点的1号土壤水份传感器。 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。 2.5上位机软件设计 上位机系统作为灌溉系统中的重要部分,起着 闭合,FF FF FF表示继电器断开;三相保护装置电 解析接收数据、数据存储查询、人机交互、系统设 平检测功能码53 1x,即53 11代表保护装置A相、 置等功能,采集到数据以报表形式进行储存。软件 53 12代表B相、53 13代表c相,数据位00 00 00表 结构框图如图5所示。 灌溉远程监控系统 设置模块 l l数据模块l  l报警模块1  l控制模块 耋} }垂} } l霎}蓁} l誓l蓁}i蓁} l i ll囊} 图5软件结构 Fig.5 Software structure 系统设计三种控制模式,自动模式、定时模 上位机IP地址为58.155.94.137,端口号为2020。 式、手动模式。在自动模式时,系统每隔一定时间 本试验主要以中层土壤水份作为设置对象, 采集一次土壤水份值。为防止系统误动作,需滤除 系统的控制目的是使中层土壤的含水率稳定在所 传感器的突变数值,即在上位机采集到数据之后与 设灌溉阈值附近,下层土壤含水率在灌溉前后保 上一个数据进行比较,若差值大于系统默认的3%, 持稳定。从而保证灌溉水不向深层下渗,达到节 则视为错误数据,仍以前一次数值为准,再与阀值 水目的I8]。试验时设置土壤水份阀值为21%,裕量 进行比较判断是否进行灌溉,若低于阀值则开启水 为±0.6%。由于农村电网稳定性较差,集中灌溉时 泵,到达阀值时关闭。土壤水份、电压、电流、控 终端电压不稳,且当Ua Ub Uc的检测值彼此相差 制操作以报表形式储存,可通过数据模块进行查 在10%以内时,对电机运行影响不大,属于正常供 询。当系统发生故障时,如三相断路、过流、电 电范畴 。为保证水泵正常运行,相电流阀值设置 压不正常等情况时,停机并报警。 为16A,相电压阀值设置为200 V。水泵启动时电 3试验方法 流在6倍阀值内视为正常。 对系统进行连续一周试验,运行状况良好 4 结果验证 未。选用的试验地块地势较平坦,使用5.5 kW・h 对系统进行测试的部分结果如表1所示,当天 潜水泵,传感器布置深度分别为5、10、20 cm, 天气晴朗无雨,系统在15:00时进行一次灌溉操 第8期 张长利等:基于STM32的灌溉远程监控系统研究 作,17:0O时停止灌溉,由于系统测试时不是灌溉 高峰期,电网终端电压较为稳定,监测机井水泵 5 结 论 的电压电流以及三相保护装置未出现报警。 表1测试结果 Table 1 Result of test 在验证系统故障保护功能时,为保护水泵, 采取人为断开ua变送器与主控制器连接线方式, 此时上位机报警并提示Ua欠压。 对系统数据进行分析发现,低于设置的水份 阈值时水泵启动,上层土壤水份值增加最为显 著,中层水份保持在控制范围内,下层水份含量 变化较小,由于自然蒸发速度上层土壤快于下 层,水泵出水口和传感器位置之间有一定距离, 采集到的数据存在一定滞后。由测试数据可知, 灌溉水量大部分没有渗透到植物根系以下,可保 证植物所需的水量,有效防止过量灌溉,实现远 程自动化集中控制。 因土地资源日益紧张、水资源日益匮乏,精 准农业已成为未来农业发展方向。本文结合嵌入 式技术,无线传感网络等技术设计远程灌溉监控 系统,可实时精确对农田灌溉进行监控,保证作 物用水,有效防止水资源浪费,减少人力资源使 用,能够满足灌溉自动化需求。 【参考文献】 [1】 张长利,沈维政.物联网在农业中的应用【J】.东北农业大学学 报,201 l(5):1-5. 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