劉穎

(四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣元 628017)

基于Zigbee與MSP430單片機(jī)的溫室智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉穎

(四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣元 628017)

針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)管理的智能化需求，提出了一種基于Zigbee與MSP430的溫室灌溉智能控制系統(tǒng)。以CC2530無線模塊為基礎(chǔ)，以MSP430F169作為微控制器，對(duì)溫室中的光照、溫度、濕度等基本環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集與傳輸，并通過上機(jī)位軟件將采集數(shù)據(jù)顯示出來；比對(duì)傳統(tǒng)溫室灌溉算法存在的問題，提出了一種模糊灌溉控制算法，從而預(yù)測(cè)系統(tǒng)何時(shí)需要灌溉，再喚醒系統(tǒng)中的采集節(jié)點(diǎn)。整個(gè)灌溉系統(tǒng)簡單、科學(xué)，并大大節(jié)省了網(wǎng)絡(luò)能量。

MSP430單片機(jī)； 硬件架構(gòu)； 無線模塊； 灌溉算法； 數(shù)據(jù)采集

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，被廣泛的應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域，并大大的改善了人們的生活方式，特別是在農(nóng)業(yè)方面更是當(dāng)前物研究的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)漫灌方式不僅不能節(jié)約用水，還造成淡水利用率低，而經(jīng)濟(jì)作物對(duì)灌溉的精確度要求非常高。因此，適時(shí)在溫室中發(fā)展智能灌溉系統(tǒng)，對(duì)提高我國農(nóng)業(yè)種植的產(chǎn)量具有非常重要的作用。本文結(jié)合當(dāng)前主流的MSP430單片機(jī)和Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了一款可用于花卉灌溉的低功耗智能系統(tǒng)，并對(duì)其實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

1 系統(tǒng)功整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)本系統(tǒng)的出發(fā)點(diǎn)，其主要的目標(biāo)是以借助當(dāng)前的傳感器技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)開發(fā)技術(shù)等實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室智能灌溉。對(duì)此本文以某花卉溫室栽培實(shí)驗(yàn)室作為載體，就其功能需求進(jìn)行分析。對(duì)于花卉溫室栽培來講，影響花卉生長的因素很多，但主要有溫度、光照、濕度等。如何對(duì)這些因素進(jìn)行采集，并對(duì)花卉灌溉系統(tǒng)進(jìn)行智能控制是本文實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。根據(jù)需求分析，系統(tǒng)首先通過傳感器對(duì)溫度、光照、空氣濕度、土壤濕度等因素進(jìn)行采集，然后利用Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)上傳給上機(jī)位；協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)與電腦PC連接，并通過PC端將結(jié)果展示出來；全部系統(tǒng)采用無線控制，從而改變傳統(tǒng)的通過有線連接方式帶來的弊端。由此，可以將該系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)分析

在花卉灌溉系統(tǒng)中，采用多傳感器實(shí)時(shí)采集方式，對(duì)土壤濕度、溫度和光照等主要環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，從而為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析提供參考。傳感器將采集到的環(huán)境參數(shù)通過CC2503 Zigbee 無線模塊發(fā)送給MSP430微處理器，再經(jīng)過數(shù)據(jù)的分析將數(shù)據(jù)發(fā)送給上機(jī)位。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器選擇

在該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，主要對(duì)光照、濕度、溫度三個(gè)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集。考慮到花卉灌溉中與土壤濕度有很大關(guān)系，本文選擇對(duì)土壤的濕度、光照強(qiáng)度、室內(nèi)溫度進(jìn)行采集。

1)土壤濕度傳感器模塊

土壤濕度傳感器選擇SM2801BD型，主要用于對(duì)土壤中的含水量進(jìn)行測(cè)定。該傳感器工作電壓DC12—24 V，測(cè)量精度3%FSD，只需要將其插入土壤中即可完成對(duì)土壤水分的采集，如圖2所示。

圖2 SM2801BD型傳感器使用

SM2801BD傳感器共有四個(gè)引腳，其中2、3位電壓輸出正、電壓輸出負(fù)；4為引腳接地。經(jīng)RS485與Zigbee采集節(jié)點(diǎn)連接，具體接口電路，如圖3所示。

圖3 SM2801BD外圍接口電路

2)光照傳感器

光照傳感器選擇TSL2561型號(hào)。傳感器工作電壓3.3V-5V；通過比較器可輸出更加清晰的信號(hào)。該傳感器有6個(gè)引腳，其中引腳1和引腳3為電源VDD和信號(hào)地GND，引腳2為器件訪問地址引腳。具體引腳圖，如圖4所示。

圖4 TSL2561 外圍電路

2.2 主控芯片及電路設(shè)計(jì)

1)主控芯片選擇

主控芯片選擇MSP430F169型號(hào)，該型號(hào)具有以下特點(diǎn)：

低功耗：1.8—3.6 V的供電電壓，5種不同喚醒模式，響應(yīng)時(shí)間不超過6 s；

強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力：片內(nèi)存儲(chǔ)器和寄存器可進(jìn)行多種運(yùn)算；高效率的處理指令；

高效開發(fā)環(huán)境：擁有電源、時(shí)鐘、復(fù)位和通信串口電路等多個(gè)接口。

2 主控芯片與CC2530接口設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，必須將數(shù)據(jù)傳送給MSP430F169主控芯片。在本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中，兩者之前的通信采用串行通信UART模式，即當(dāng)CC2530在沒有接受到數(shù)據(jù)的時(shí)候，MSP430F169芯片和無線模塊是處在休眠狀態(tài)，當(dāng)?shù)玫街噶詈?，理解喚醒，并通過UART串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給MSP430F169。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 終端節(jié)點(diǎn)流程設(shè)計(jì)

當(dāng)選擇的三類傳感器采集到數(shù)據(jù)后，通過CC2530模塊將數(shù)據(jù)傳輸給MSP430，傳輸模式為UART串口模式。同時(shí)在該流程中，采用指令式數(shù)據(jù)采集方式，即大部分時(shí)間系統(tǒng)處在休眠狀態(tài)，如通過采用模糊控制的方法，預(yù)測(cè)下一個(gè)階段需要灌溉的時(shí)間，則發(fā)送指令，將芯片和無線模塊喚醒工作。具體的流程，如圖5所示。

圖5 終端采集節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

3.2 上機(jī)位軟件功能設(shè)計(jì)

上機(jī)位軟件界面主要展示花卉的生長情況，并對(duì)其灌溉進(jìn)行預(yù)測(cè)和控制。因此上機(jī)位軟件界面的功能設(shè)計(jì)，如圖6所示。

圖6 軟件功能界面

3.3 模糊控制灌溉算法設(shè)計(jì)

對(duì)花卉灌溉來講，最為關(guān)鍵的問題是要解決兩個(gè)問題：灌溉時(shí)間、灌溉量。因此，無論是對(duì)光照、溫度等的采集，最終的問題是如何解決水的灌溉量。而影響灌溉量的影響因子有參考蒸騰量(ET0)、蒸騰量(ET)、土壤滲透系數(shù)。在溫室中的蒸騰量計(jì)算用如式(1)。

(1)

其中，R表示為單位時(shí)間作物表面的凈輻射量(MJm-2)； 表示飽和條件下水汽壓和溫度曲線的斜率(KPa°C-1)；

γ表示干濕常數(shù)，單位為(KPa°C-1)；

γ=0.6455+0.00064T

在計(jì)算參考蒸騰量的同時(shí)，還必須計(jì)算實(shí)際蒸騰量(ET)。而研究認(rèn)為實(shí)際的蒸騰與空氣溫度、濕度、光照呈現(xiàn)線性關(guān)系。假設(shè)溫室溫度為T，相對(duì)濕度為RH，光照強(qiáng)度為lx，則可得到ET的線性方程為式(2)。

ET=8.170+0.212×T-0.130×RH+0.370×lx

(2)

3)土壤滲透系數(shù)

對(duì)該指標(biāo)的計(jì)算，則借鑒張勝的觀測(cè)研究結(jié)果，具體計(jì)算為式(3)。

I0=K×RH

(3)

其中K為待定系數(shù)。

因此，根據(jù)上述的參數(shù)，可以將該灌溉系統(tǒng)的模糊預(yù)測(cè)算法設(shè)計(jì)，如圖7所示。

圖7 基于模糊規(guī)則的灌溉預(yù)測(cè)

4 系統(tǒng)測(cè)試

根據(jù)上述的硬件要求，通過設(shè)計(jì)可以得到MSP430與CC2530的電路板整體圖，如圖8所示。

以Viso作為開發(fā)軟件，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，從而可以得到的開發(fā)登錄界面，如圖9所示。

圖8 整體電路板

圖9 溫室花卉智能灌溉界面

5 總結(jié)

本文利用MSP430芯片+Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)，分別從硬件和軟件的角度設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款低功耗的灌溉系統(tǒng)，并根據(jù)花卉生長的影響因子，提出一種模糊控制算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)花卉生長灌溉的科學(xué)控制，大大增強(qiáng)了MSP430單片機(jī)的使用功能，也為智能化的控制提供了參考。

[1] 平毅, 郭磊. 低功耗自動(dòng)灌溉控制器設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2014, 37(10): 104-106.

[2] 李曉麗. 基于Zigbee技術(shù)灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[D]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生院, 2011.

[3] Yuhua X, Ru W. Remote CO Measurement Based on MSP430 Processor Used with GSM module[C]//Electrical and Control Engineering (ICECE), 2010 International Conference on. IEEE, 2010: 5439-5442.

[4] 陳樹成,楊志勇,王建佳.基于MSP430和CC2530的溫室大棚數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2014,22(5):168-171.

[5] 石峰.VisualStudio應(yīng)用解析[J].經(jīng)濟(jì)師,2011,(7):137-238.

[6] 馮筱,秦文華,于欣,等.基于控制土壤濕度的智能花卉澆水系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2015,38(7):110-113.

[7] 朱婷婷,姜波,袁杰. 基于模糊Petri網(wǎng)的加工番茄種植管理優(yōu)化[J]. 湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,08:1912-1916.

Design of Greenhouse Intelligent Control System Based on Zigbee and MSP430

Liu Ying

(Sichuan Vocational College of Information Technology, Guangyuan 628017, China)

In view of the popularity of the Internet of things and intelligent demand of modern agricultural management, a new intelligent control system of greenhouse irrigation based on Zigbee and MSP430 is proposed. Based on the CC2530 wireless module, using MSP430F169 as the microcontroller, it does acquisition and transmission for the light, temperature, humidity and other basic environmental parameters of the greenhouse, and the data are displayed through computer software. Compared with the traditional greenhouse irrigation algorithm, it proposes a fuzzy control irrigation algorithm. Then it can predict when the system demands irrigation, and then wakes up the nodes in the acquisition system. The whole irrigation system is simple and scientific, and it saves the network energy greatly.

MSP430 MCU; Hardware architecture; Wireless module; Irrigation algorithm; Data collection

劉 穎(1982-)，女，四川樂山，本科，研究方向：電子信息技術(shù)。

1007-757X(2017)05-0056-03

TP311

A

2016.11.14)