引言
現在的農業灌溉都是采用噴灌、滴灌、微灌等技術方法，需要手動對監控現場的情況進行控制，而且需要另外的網絡構建與布線，成本較高。隨著經濟社會的發展，需要一種自動、科學的灌溉系統來控制灌溉。為此，設計一種基于 ZigBee 和 STC12C5A60S2的自動灌溉系統，在監控中心通過上位機可以看到現場的數據，同時會根據水稻各個生長期的需水情況，自動發送命令控制電磁閥的動作。綜合來看，該系統成本低，與傳統的控制系統相比更加智能。
1 系統的結構及工作原理
系統由上位機和下位機組成，總體結構圖如圖 1所示。其中，上位機安裝了組態軟件服務器，負責接收發回來的數據和發送相應的命令;下位機由網關和節點組成。其中，節點是由電源模塊、ZigBee 模塊、傳感器、太陽能板、電磁閥等部分組成。在稻田池塊處放置節點，根據水稻生長時期和土壤狀況確定傳感器埋設深度，實時監測池塊變化。設計時，在池塊中布置 8 個節點，網關與節點中采用 ZigBee 樹狀網絡通訊，網關與上位機采用 GPRS 通訊，系統網關和節點都通過太陽能板供電。節點實時采集傳感器的數值，經 ZigBee 傳輸到網關，數據實時顯示在組態屏上，網關將數據融合后由GPRS 傳送到上位機。上位機軟件接收并處理數據，根據相應的預設參數和采集回來的參數，會自動控制電磁閥啟停功能。同時，網關還可以監測電池電量的參數，并傳送至上位機?！緢D1】
2 系統設計
2． 1 網關控制芯片的設計
STC12C5A60S2 / AD / PWM 系列單片機是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期\\(1T\\)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代 8051 單片機，指令代碼完全兼容傳統 8051，但速度快 8 ～ 12 倍;內部集成了MAX810 專用復位電路、2 路 PWM、8 路高速 10 位 A /D 轉換 \\( 250K / s\\)，針對電機控制，適用于強干擾場合。
2． 2 節點驅動電路的設計
采用驅動繼電器控制電磁閥的方式。為了提高系統的可靠性，采用 5V 繼電器。繼電器使用 ULN2803驅動，ULN2803 使用 5V 供電，STV12C5A60S2 的輸出信號經 74HC14 傳輸到 ULN2803。繼電器連接圖如圖 2 所示?！緢D2】
2． 3 傳感器的選擇
傳感器測量部分包括土壤水分、池塊溫度和池塊水位。各部分的選型如下:
1\\) 測量池塊溫度。選用 DSl8B20 溫度傳感器，與傳統的熱敏電阻不同，其可直接將被測溫度轉換為串行數字信號，供單片機處理。測量溫度范圍為 － 55 ～+ 125°C，在 －10 ～ +85°C 范圍內精度為 ± 0． 5°C，適合于惡劣環境的現場溫度測量。
2\\)測量池塊水位。選用 GB2100A 液位傳感器，供電范圍 5 ～12V，具有信號隔離放大、截頻干擾設計及抗干擾能力強等特點。
根據寒地水稻控制灌溉技術規范，水稻生育轉換期要提前曬田，并在生育期轉換問題上提出“時到不等苗苗到不等時”的調控方法?！皶r到不等苗”，即不管水稻處于哪個生育期\\(分蘗末期除外\\)，土壤水分到了土壤控制下限則灌水至上限，土壤水分未達到控制下限，不需要灌水;“苗到不等時”即水稻生長發育到分蘗末期，不管土壤水分是否控制到下限，都要及時排水曬田。過了分蘗末期，到了拔節孕穗期，\\(需水敏感期\\)則必須灌水至土壤水分上限。
因此，采用 HS －102STR 土壤水分傳感器，它是一款基于頻域反射原理，利用高頻電子技術制造的高精度、高靈敏度的測量土壤水分的傳感器，通過測量土壤的介電常數，能直接穩定地反映各種土壤的真實水分含量。
2． 4 ZigBee 網絡的設計
ZigBee 網絡采用 TI 公司最新一代 ZigBee SOC 芯片，芯片供電電壓為3． 3V，內部已集成了一個8051 微處理器與高性能的 RF 收發器。該芯片在無外加功放情況下通信距離可以達到 1 600m。
采用 TI 公司的 ZigBee2007/PRO 協議棧作為開發背景，在 IAR Embedded Workbench 環境下開發。啟動網關后允許采集節點與其連接，接收節點的數據信息;然后，數據通過 ZigBee 傳送至網關，網關將其打包成規定的數據幀格式，經由 GPRS 傳送至上位機。
2． 5 通訊協議
在網關與上位機之間通過 GPRS 通訊，設計的數據格式參考了常見的 Modbus － RTU 協議的格式，由設備地址、功能碼、數據、結束符組成。采用求和校驗方式，即將功能碼和數據位的 5 個字節數據\\(BIT2 －BIT6\\)相加求和，取低 16 位寫入校驗位。數據幀格式如表 1 所示?！颈?】
設備地址為設定的網關地址，在本設計中定義為4A 01，功能碼用于區分實現不同的功能，包括繼電器控制、讀取采集節點數值、讀取電池電量等。其中，功能碼 4B 1x 用于實現繼電器控制，數據位 00 00 00 表示繼電器閉合，FF FF FF 表示繼電器斷開;讀取電池電量檢測功能碼 53 1x，即數據位 00 00 00 表示電量低，FF FF FF 表示電量高;采集傳感器數據功能碼 73xx，即功能碼 73 11 代表 1 號節點的 1 號溫度傳感器。
例如，上位機發送:4A 01 4B 11 00 00 00 5C 0D 0A，即表示發送繼電器 1 閉合命令。
2． 6 節點供電電路的設計
對于分散在池塊的采集節點，由于距離控制室較遠，因此供電采用太陽能電池板與鉛蓄電池相結合的方式。在陽光良好、太陽能電池板輸出充足的時候，采用太陽能電池板供電，同時對鉛蓄電池進行浮充;當太陽能電池板輸出不足或者出現故障時，切換到鉛蓄電池端，利用電池進行供電。在系統的設計上，采用一只 1N5819 二極管作為太陽能電池板與鉛蓄電池的切換開關:當太陽能電池板輸出充足時，則太陽能電池板具有優先權;當太陽能電池板輸出不足不能為系統正常供電時，則二極管導通，采用鉛蓄電池供電，以保證系統能夠連續工作。其供電電路連接圖如圖 3所示?！緢D3】
2． 7 系統軟件設計
系統軟件主要是靠對單片機編程實現。其中，對上位機無線通信時，響應幀在上位機鏈接單元中自動生成，在單片機中無需用戶再編寫通信程序。因此，單片機編程主要解決的是現場電磁閥的開啟和關閉控制、模擬量的數據的采集和處理，同時也可接收上位機發送的控制指令完成相應的控制操作。系統軟件的實現可以讓操作員位于監控中心的計算機終端，進行遠程手動、半自動和全自動控制，各項操作無需人進行，節省了人力資源，操作的準確性、連貫性比以往得到顯著提高，從而大幅度提高了生產效率。
2． 8 上位機組態程序設計
MCGS 是北京昆侖通態自動化軟件科技有限公司研發的一套基于 Windows 平臺的、用于快速構造和生成上位機監控系統的組態軟件系統。該產品以搭建戰略性工業應用服務平臺為目標，可以為企業提供一個對整個生產流程進行數據匯總、分析及管理的有效平臺，使企業能夠及時有效地獲取信息，及時地做出反應，以獲得最優化的結果。上位機程序控制流程圖如圖 4 所示。MCGS 軟件具有網絡監控、數據采集和處理、趨勢曲線、報表輸出、動畫顯示等功能，同時支持多種 GPRS 模塊，能夠在灌溉遠程控制中發揮其優越性?！緢D4】
3 安裝調試。。
本研究選用方正研究院的試驗地塊，地勢較平坦，選取 8 個下位機基站對水稻內環境進行監測，檢驗系統的各項性能指標。節點無線通訊模塊的天線高度為 1． 5m，與上位機間距分別為 45 ～ 55m，每個工作節點下設 1 個溫度傳感器、1 個液位傳感器和 1 個土壤水分傳感器，分別監測池塊的溫度、水位和土壤水分。方正水稻各生育期灌溉水層及土壤水分控制下限指標如表 2 所示?！颈?】
4 結果與分析
對系統進行連續 7 天試驗，運行狀況良好，當時為水稻分蘗前期，測試的部分結果如表 3 所示?！颈?】
5 結論
自動灌溉系統通過無線數據傳輸對農田灌溉中的主要參數進行實時采集，與事先設定的水位上下限進行比較，實現自動灌溉。本文結合單片機、ZigBee等技術設計的遠程灌溉監控系統可實時精確地自動灌溉和監控，在保證作物用水的同時有效防止了水資源的浪費，減少了人力資源使用，能夠滿足灌溉自動化的需求，對于精準農業的發展有重要的意義。
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