物聯(lián)網背景下的農業(yè)智能灌溉系統(tǒng)設計與實施

物聯(lián)網背景下的農業(yè)智能灌溉系統(tǒng)設計與實施摘要：本文針對農業(yè)智能灌溉領域,設計并實現(xiàn)了一套基于ZigBee技術的遠程環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由STM32F103單片機、TRSD-A1土壤濕度傳感器、DHT11溫濕度傳感器、OLED顯示模塊、ULN2003電機驅動模塊、報警模塊和ZigBee模塊等組成。系統(tǒng)可實時監(jiān)測農作物生長環(huán)境溫濕度和土壤濕度等關鍵參數(shù),并通過設定的閾值自動控制水泵澆灌和電機通風,實現(xiàn)智能化灌溉。同時,系統(tǒng)配備有OLED顯示屏和報警模塊,可隨時查看環(huán)境參數(shù)并發(fā)出超限報警。該系統(tǒng)構建在ZigBee網絡之上,實現(xiàn)了數(shù)據的無線傳輸,可廣泛應用于大規(guī)模農業(yè)種植場的遠程環(huán)境監(jiān)測和控制。關鍵詞:智能灌溉;ZigBee;STM32F103;環(huán)境監(jiān)測;自動控制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 目錄TOC\o"1-3"\h\u252221.緒論 ４物聯(lián)網背景下的農業(yè)智能灌溉系統(tǒng)設計與實施1.緒論1.1課題的來源農業(yè)是我國的基礎產業(yè),農村人口占總人口的比例較大,農業(yè)在國民經濟中具有重要地位。隨著我國農業(yè)生產向規(guī)模化、現(xiàn)代化發(fā)展,傳統(tǒng)的人工管理和粗放式的農作物生長環(huán)境控制模式已不能滿足現(xiàn)代農業(yè)的需求。如何通過自動化技術手段優(yōu)化農作物生長環(huán)境、提高農業(yè)水資源利用率、降低人力投入已成為當前亟待解決的問題。傳統(tǒng)農業(yè)灌溉多采用人工控制的灑水或渠道灌溉方式,這種方法往往存在灌溉不均勻、漏灌或重復澆水的問題,水資源利用率較低。同時,人工管理的方式需投入大量人力物力,增加了農業(yè)生產的經營成本。為有效解決這些問題,智能灌溉系統(tǒng)應運而生,它可根據實時監(jiān)測的作物生長環(huán)境自動控制水分供給,實現(xiàn)精準高效的作物用水管理。物聯(lián)網與嵌入式技術的發(fā)展為智能農業(yè)裝備提供了技術支持,使遠程監(jiān)測和自動化控制成為可能。本課題將基于ZigBee無線傳感器網絡技術,設計一種集環(huán)境檢測、數(shù)據傳輸和自動控制為一體的農業(yè)智能灌溉系統(tǒng),對農作物生長環(huán)境實現(xiàn)智能化管理和優(yōu)化調節(jié),可顯著提高水資源利用效率,減輕農民的體力勞動強度,提高農業(yè)生產效率。1.2國內外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展前景國外在智能農業(yè)領域起步較早,尤其是在溫室大棚等設施農業(yè)中,基于各類傳感器的環(huán)境監(jiān)測與自動控制系統(tǒng)得到了廣泛應用。早在20世紀90年代,以色列就在其南部地區(qū)的溫室大棚中使用計算機控制系統(tǒng)對環(huán)境參數(shù)如溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度和土壤濕度進行自動檢測和調控。荷蘭作為農業(yè)大國,其智能農業(yè)的發(fā)展更為領先。該國政府大力支持溫室環(huán)境控制系統(tǒng)的研發(fā),鼓勵農場采用自動化環(huán)境控制設備。溫室內的光照、溫濕度、CO2水平及灌溉系統(tǒng)等均可通過計算機程序自動調節(jié),促進作物生長,提高農產品產量和品質。美國在智能溫室大棚及精準農業(yè)方面也進行了大量研究。佛羅里達大學開發(fā)了集環(huán)境監(jiān)測、自動灌溉和施肥于一體的綜合控制系統(tǒng),可為溫室和露地作物提供定制化的生長控制方案。加州大學戴維斯分校則專注于遙感技術在農業(yè)中的應用,開發(fā)出基于航空遙感的農田水分監(jiān)測與灌溉決策支持系統(tǒng)。我國在智能農業(yè)領域起步較晚,但近年來也有多項研究成果問世。清華大學在空地設施農業(yè)中應用無線傳感器網絡技術,實現(xiàn)了光照、溫濕度及土壤水分等環(huán)境因子的實時無線監(jiān)測。北京農學院在北京通州區(qū)建立了一個智能農業(yè)物聯(lián)網監(jiān)控示范基地,可實現(xiàn)對旱作農田的環(huán)境參數(shù)無線監(jiān)測及農事作業(yè)的智能決策。上述系統(tǒng)多采用基于互聯(lián)網或移動通信網絡的遠程有線或無線監(jiān)測方案,建設和維護成本較高,系統(tǒng)復雜。近年來,ZigBee作為一種低功耗、低成本的無線傳感器網絡技術在智能農業(yè)領域得到重視。浙江大學開發(fā)的基于ZigBee的溫室環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng),對溫室環(huán)境實現(xiàn)了無線監(jiān)測和自動控制。該系統(tǒng)成本低廉、部署靈活便捷、能耗低且擴展性強?？梢钥闯?無線傳感器網絡技術在智能農業(yè)領域存在良好的應用前景。我國智能農業(yè)起步較晚,與發(fā)達國家相比在環(huán)境參數(shù)檢測、無線通信和自動控制技術等方面還有一定差距,亟需加大科技投入,抓住物聯(lián)網等新興技術的發(fā)展機遇,構建切合國情的智能農業(yè)體系。1.3本文主要內容本文針對農業(yè)智能灌溉的實際需求,設計并實現(xiàn)了一種基于ZigBee無線傳感器網絡的環(huán)境監(jiān)測和自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由終端節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點和ZigBee網關三部分組成。終端節(jié)點安裝在農田現(xiàn)場,集成了多種傳感器,用于采集現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)數(shù)據。主要包括土壤濕度傳感器、溫濕度傳感器、OLED顯示屏、水泵驅動電路、風扇驅動電路等硬件模塊,以及單片機主控制模塊和ZigBee無線通信模塊。協(xié)調器節(jié)點是ZigBee網絡的核心,負責網絡的建立和路由維護,并匯總各終端節(jié)點發(fā)來的數(shù)據進行分析處理。ZigBee網關是協(xié)調器與外部系統(tǒng)的連接通道,例如可與上位機或物聯(lián)網云平臺互連,實現(xiàn)對整個農田的遠程集中監(jiān)控和管理。該系統(tǒng)構建在ZigBee無線傳感器網絡之上,利用ZigBee技術的低功耗、低成本和自組網等優(yōu)勢來實現(xiàn)農田現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)的遠程實時監(jiān)測和有效控制,具有較好的可擴展性和實用價值。相比之前的農業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng),本系統(tǒng)具有以下幾方面創(chuàng)新。本文在物聯(lián)網背景下嘗試應用嵌入式和無線通信技術,為農業(yè)環(huán)境參數(shù)的精準監(jiān)測和智能化環(huán)境控制提供了一種較為先進和實用的解決方案。2功能與設計方案2系統(tǒng)總體方案概述2.1系統(tǒng)方案概括本智能灌溉控制系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。硬件包括主控制單元、環(huán)境檢測單元、執(zhí)行控制單元、人機交互單元和無線通信單元等模塊。主控制單元是整個系統(tǒng)的核心,由STM32F103單片機構成。它集成了主頻可達72MHz的ARMCortex-M3內核,擁有128KB的FLASH存儲空間和20KB的SRAM,并提供豐富的外設資源如GPIO、UART、I2C、SPI、ADC等接口,可方便地與各類傳感器和執(zhí)行器相連。環(huán)境檢測單元負責采集農田的環(huán)境參數(shù)數(shù)據,包括土壤濕度檢測和溫濕度檢測兩部分。土壤濕度檢測電路由模擬式TRSD-A1土壤濕度傳感器與STM32的ADC模塊相連;溫濕度檢測則采用數(shù)字式DHT11溫濕度傳感器,通過I2C接口與單片機相連。執(zhí)行控制單元用于根據檢測數(shù)據對農田環(huán)境進行主動調節(jié),包括水泵控制和風扇控制兩部分。水泵由直流減速電機驅動,通過ULN2003和晶體管組成的驅動電路與單片機的控制端口相連;風扇同樣由直流電機構成,其驅動電路與水泵類似。人機交互單元由0.96英寸OLED顯示屏和按鍵模塊組成。OLED顯示屏分辨率為128×64,驅動芯片為SSD1306,與單片機通過4線SPI接口相連,可顯示文字、圖標等信息,為用戶提供參數(shù)查看界面。按鍵模塊用于設置閾值等參數(shù)。無線通信單元使用ZigBee模塊實現(xiàn)參數(shù)數(shù)據的無線傳輸,本設計選擇CC2530ZigBee模塊。該模塊工作在2.4GHzISM頻段,支持ZigBee協(xié)議棧,最高傳輸速率250kbps,通過SPI接口與單片機連接。圖2-1系統(tǒng)框圖2.2系統(tǒng)的方案論證2.2.1主控制器的確定智能灌溉控制系統(tǒng)的核心是其主控制單元,即需要選擇一款性能適中且資源豐富的嵌入式微控制器。本設計方案選擇采用ARMCortex-M3內核的STM32F103單片機作為系統(tǒng)的主控制芯片,主要基于以下幾點考慮:（1）性能的需求STM32F103搭載ARMCortex-M3內核,主頻可達72MHz,具有較高的運算能力。系統(tǒng)需要實時讀取多路模擬和數(shù)字量輸入,并根據一定的控制算法控制多路執(zhí)行器,對主控芯片的實時性和并發(fā)處理能力有較高要求。Cortex-M3內核的高能效和豐富指令集可以較好滿足這些需求。（2）資源的需求STM32F103集成了豐富的硬件資源,可以很好地滿足系統(tǒng)的外圍器件連接需求。具體包括:多達112個GPIO口,可廣泛用于控制外圍電路;3個12位ADC,可輕松接入TRSD-A1等模擬量傳感器;3個全雙工USART串口和2個硬件I2C接口,可用于與其他總線設備通信;2個SPI接口,可用于連接OLED、ZigBee等外設模塊;7個通用定時器,可滿足脈沖積分運算需求;預取緩存等多種高級功能也可提升整體性能。（3）成本的考慮基于ARMCortex-M內核的單片機在國內外均有多家廠商生產,種類較為豐富,價格便宜且供貨渠道通暢。以STM32系列為例,單片機定價約20元左右,價格實惠。相比之下,選用ARM9、ARM11等較高級的應用處理器,成本和功耗將大大增加,不利于本系統(tǒng)的推廣應用。（4）工具和文檔的支持ST公司為STM32系列提供了豐富的軟硬件工具資源,包括免費的MDK-ARM開發(fā)環(huán)境、RIDE調試環(huán)境、STMStudio上位機等。同時提供詳盡的硬件及軟件參考手冊、應用筆記和實例程序,為開發(fā)者提供了良好的支持。綜合上述因素考慮,STM32F103是一款在成本、性能和資源等諸多方面表現(xiàn)優(yōu)異的MCU控制器,完全滿足了本系統(tǒng)的應用需求,因此作為系統(tǒng)的主控制器無疑是一個合理選擇。2.2.2顯示模塊的確定對于這樣一個遠程環(huán)境監(jiān)測與調控系統(tǒng),現(xiàn)場終端節(jié)點必須具備人機交互功能,方便用戶隨時查看參數(shù)并進行必要的操作設置。在多種人機交互手段中,顯示屏是最常用和最有效的一種。本系統(tǒng)選擇了0.96英寸的OLED顯示模塊。該模塊分辨率為128x64,尺寸適中,可滿足系統(tǒng)的基本顯示需求。它采用SPI串行接口,只需占用MCU的4根IO線即可完成控制,接口簡單且傳輸效率高。控制芯片為SolomonSystechSSD1306,是純硬件的點陣驅動電路,無需太多的MCU軟件支持。該款OLED顯示模塊自身集成驅動電源和控制器,功耗低且亮度高。外觀采用鋁合金邊框,體積小巧、外形美觀,并具有一定的防水防塵能力,適合戶外應用。最重要的是,它作為常用的OLCD模塊,成本僅幾元,貨源充足,具有良好的經濟性和供貨穩(wěn)定性。這款OLED顯示模塊綜合了分辨率、功能、可靠性和價格等諸多因素,完全滿足系統(tǒng)的需求。2.2.3土壤濕度模塊的確定土壤濕度是衡量土壤含水量的重要指標,對農作物的生長狀況有直接影響。根據檢測到的土壤濕度狀況,智能灌溉系統(tǒng)可適時啟動水泵進行澆灌,從而優(yōu)化作物生長環(huán)境,提高用水效率?？紤]到測量精度、抗干擾能力、成本、供貨等諸多因素,本系統(tǒng)選擇了TRSD-A1模擬式土壤濕度傳感器。它采用了電阻式測量原理,輸出為模擬電壓信號,可直接連接到MCU的ADC模數(shù)轉換器。這種模擬量形式無需單片機做復雜的通信協(xié)議解析,處理效率高且易于實現(xiàn)。由于TRSD-A1屬于電阻式檢測,其輸出電壓會受環(huán)境溫度等因素影響。為提高檢測準確度,需對其輸出進行溫度補償。此外,埋設方式和電極與土壤接觸狀況也是影響測量精度的關鍵因素。如果應用場合對精度要求極高,也可采用電容式或張力式設備,但代價是成本和功耗的大幅增加。2.2.4溫濕度檢測模塊的確定除了土壤濕度外,環(huán)境溫度和空氣相對濕度也是影響農作物生長的關鍵氣象因素。例如,溫度過高或過低都會給作物帶來不利影響,甚至導致作物受傷;空氣濕度過高容易滋生病菌,濕度過低也不利于作物正常生理代謝。本系統(tǒng)選用了DHT11數(shù)字式溫濕度傳感器。DHT11是一款低成本的單總線數(shù)字溫濕度傳感器,其工作原理是利用電容濕度傳感器對濕度的變化做出響應,熱敏電阻對溫度做出響應。它將溫濕度值經過A/D轉換后,以單總線方式傳輸出去。它的低成本、可靠性高、功耗低、接口簡單等優(yōu)點更加突出,是智能灌溉系統(tǒng)的理想溫濕度檢測器件。在實際應用中,可結合具體環(huán)境條件,合理布置多個節(jié)點進行交叉檢測,以提高整體測量精度。如果應用場合對精度要求非常高,我們也可考慮采用精度更高、測量性能更優(yōu)但成本也更高的產品,如Sensirion公司SHT系列等溫濕度傳感器。但從性價比角度考慮,DHT11在大多數(shù)普通農業(yè)環(huán)境監(jiān)測應用中已足夠使用。2.3ZigBee技術介紹ZigBee是一種基于IEEE802.15.4標準的短距離、低功耗、低數(shù)據量無線通信技術。IEEE為其無線電收發(fā)器及相關協(xié)議規(guī)定了詳細的規(guī)范。自2004年正式推出以來,ZigBee就憑借其低功耗、低成本、可靠等優(yōu)點,在諸如智能家居、工業(yè)自動化、醫(yī)療保健及農業(yè)自動化等物聯(lián)網應用領域廣泛使用。ZigBee無線傳輸采用DSSS(直接序列擴頻)技術,在2.4GHz的ISM頻段內工作,最大傳輸速率為250kbps,理論有效傳輸距離可達100米左右。它采用OQPSK調制方式,信道數(shù)共有16個,每信道帶寬為2MHz。同時支持多種網絡拓撲結構,包括點到點、星型、樹狀和網狀等。在協(xié)議層次結構上,ZigBee定義了自底向上的PHY物理層、MAC數(shù)據鏈路層、網絡層NWK以及應用層APL。其中PHY和MAC層實現(xiàn)具體的數(shù)據傳輸和接收功能,網絡層NWK則提供網絡管理、路由發(fā)現(xiàn)及數(shù)據傳輸服務等功能。而APL應用層是開放的,用戶可在此基礎上開發(fā)特定的應用對象和應用配置文件。ZigBee網絡由多個設備節(jié)點構成,協(xié)調器是整個網絡的控制中心,負責網絡的建立、路由維護及信道管理,一個ZigBee網絡中只能有一個協(xié)調器。路由器是協(xié)調器的助手,主要任務是中繼路由及轉發(fā)數(shù)據包,路由器可以與終端節(jié)點、其它路由器或協(xié)調器相連。終端節(jié)點是無法轉發(fā)數(shù)據的普通節(jié)點,只能與父節(jié)點(協(xié)調器或路由)相連,任務是收發(fā)與本地應用相關的數(shù)據。無論協(xié)調器、路由器還是終端節(jié)點,它們均由RF收發(fā)器、微控制單元(MCU)、天線、電源等部分組成。MCU負責運行應用程序與協(xié)議棧、管理硬件設備,RF收發(fā)器負責無線數(shù)據的實際收發(fā)功能。ZigBee協(xié)議棧實現(xiàn)了終端設備自動尋址、網絡自動構建與自愈、終端設備自動加入網絡及數(shù)據路由功能。一旦ZigBee網絡建立,網絡中的節(jié)點就可以根據地址互相通信,從而實現(xiàn)分布式的自動化控制。此外,ZigBee還支持128位AES加密算法,可提供強有力的安全保障。3系統(tǒng)的硬件電路設計3.1STM32簡介STM32是意法半導體(ST)公司推出的一款基于ARMCortex-M內核的32位通用型微控制器系列,廣泛應用于工業(yè)控制、醫(yī)療設備、汽車電子等多個領域。作為系統(tǒng)主控單元,STM32因其強大的性能、豐富的資源和優(yōu)秀的軟硬件生態(tài)而被選用。STM32系列產品線根據不同內核和功能分為多個系列,如性能入門級的F0/F1、主流的F2/F3/F4、高端的F7系列等。本智能灌溉系統(tǒng)選用的是基于Cortex-M3內核的STM32F103xB系列單片機。該系列集成了72MHz主頻的Cortex-M3內核,擁有512KB的Flash及64KB的SRAM存儲空間。STM32單片機由于采用Cortex-M3內核,具有較強的中斷處理能力,最多可支持240個中斷通道。向量表支持硬件預取式指令,中斷嵌套達8級,實時性能優(yōu)異。STM32還擁有豐富的指令集和強大的數(shù)據處理能力,支持硬件除法和硬件乘法運算,對DSP應用有較好支持。所采用的Harvard結構也加快了總線傳輸速度。STM32F103系列芯片采用業(yè)界領先的130nm制程工藝制造,功耗低、集成度高、可靠性強。其工作電壓從2V到3.6V不等,靜態(tài)電流僅120uA。同時具有多種掉電模式,動態(tài)功耗更低。STM32F103憑借其高性價比、豐富資源和優(yōu)秀的架構特性,成為最受歡迎的單片機產品之一,非常適合作為本智能灌溉系統(tǒng)的控制核心。搭配ST提供的Keil/IAR等優(yōu)秀開發(fā)工具和完備的文檔資料,可大幅提高開發(fā)效率和可靠性。圖3-1STM32F103單片機引腳圖3.2溫濕度監(jiān)測模塊電路設計本系統(tǒng)采用了DHT11數(shù)字溫濕度傳感器對環(huán)境溫濕度進行監(jiān)測。DHT11內置濕度測量電路和溫度測量電路,采用專用的數(shù)字模數(shù)轉換器將檢測結果轉換為數(shù)字量,并通過單總線串行接口以數(shù)字方式傳輸出去。DHT11只需要一根單總線即可完成產品與主機的通訊,因此接口簡潔,大大節(jié)省了IO口的使用。而且由于采用數(shù)字式串行通訊,DHT11還可在主機電源不足時正常工作,連接方便快捷。此外,DHT11的電源電壓范圍為3.3-5V,與MCU接口電壓基本一致。其中數(shù)據線連接DHT11的DATA引腳,時鐘線連接MCU的SCL引腳。兩線都需通過上拉電阻把總線拉高,電阻值通常選擇4.7K歐姆。本設計采取的是電阻分壓方式的軟件上拉,即單片機輸出"1"即可拉高總線。程序設計上,需要STM32的IIC初始化例程、數(shù)據讀取例程和延時例程。在讀取之前,需首先由主機發(fā)出開始信號,并發(fā)送讀取命令和溫濕度讀取后的校驗數(shù)據,接收完畢后發(fā)送停止信號。DHT11的讀取過程如下:主機發(fā)出一個開始信號,并發(fā)出濕度/溫度讀取命令,DHT11先發(fā)送一個響應信號,再從高位到低位依次傳輸8個濕度數(shù)據位、8個溫度數(shù)據位和校驗數(shù)據;主機每接收到一個數(shù)據位后須從機發(fā)送確認信號。等待DHT11發(fā)出最后一個低位數(shù)據后,MCU需在25us內接收完畢。接收完所有數(shù)據后,主機將發(fā)送一個停止信號。由于DHT11的數(shù)據分8bit高低位依次傳輸,接收程序要做高低位合并處理。而且DHT11數(shù)據輸出時序要求嚴格,響應時間和延時時間都有指定范圍,因此單片機需執(zhí)行精確的延時函數(shù)。圖3-2DHT11與單片機的接線圖圖3-3DHT11產品實物圖3.3土壤濕度檢測電路設計土壤濕度是影響農作物生長的關鍵指標之一。本系統(tǒng)選用TRSD-A1模擬式土壤濕度傳感器對土壤含水量進行檢測,該傳感器的輸出為模擬電壓信號。當被測土壤濕度越高,其電導率越大,模塊內部的檢測電路輸出電壓就越低;反之,土壤濕度越低,輸出電壓就越高。該傳感器量程為0-100%RH,輸出電壓0-3.3V。在本設計中,TRSD-A1傳感器模塊的輸出端直接與STM32單片機的模擬量輸入口(ADC通道)相連。在上位機軟件編程方面,需先初始化STM32的ADC控制器和DMA傳輸通道,配置采樣率、數(shù)據對齊方式等參數(shù)。然后在主程序循環(huán)中周期性啟動一次ADC轉換,將采樣數(shù)據通過DMA傳輸?shù)骄彌_區(qū),最后根據標定公式計算對應的土壤濕度百分比。TRSD-A1屬于模擬量傳感器,受溫度和電壓等環(huán)境因素影響較大。為提高測量精度,需要對其輸出做線性修正或非線性溫度補償。同時合理的布線和接地也可降低噪聲干擾。TRSD-A1雖然體積小巧,但若長期埋設于室外,也應注意做好防水防塵防腐蝕等保護處理,提升整體可靠性。對于高精度應用場合,可采用電容式土壤濕度傳感器,只是價格和功耗較高。圖3-4土壤濕度傳感器實物圖3.4OLED顯示電路設計本系統(tǒng)配備了0.96英寸OLED顯示模塊,用于現(xiàn)場顯示土壤濕度、環(huán)境溫濕度以及系統(tǒng)狀態(tài)等信息,為現(xiàn)場人員提供數(shù)據監(jiān)視和人機交互界面。相比LCD等其它顯示方式,OLED顯示屏功耗低、對比度高、視角大、響應速度快、體積小等優(yōu)點使其成為物聯(lián)網終端設備的理想選擇。該OLED顯示模塊的驅動芯片為SolomoSSD1306,芯片內部集成有OLED顯示源極驅動電路、行列掃描驅動電路、控制電路、RAM等,無需外接多余電路。顯示器分辨率為128×64像素,模塊帶SPI串行接口,僅需通過4線SPI接口即可完成全部指令控制和數(shù)據傳輸。圖3-5OLED液晶顯示模塊在單片機軟件端,首先需初始化SPI控制器及相關IO口,然后通過SPI發(fā)送配置命令初始化OLED,最后調用相應函數(shù)在顯存中寫入顯示數(shù)據。SSD1306支持簡單的文字、圖標和基本圖形顯示。以顯示字符為例,其程序流程為:先發(fā)送設置列地址命令,再發(fā)送設置行地址命令確定顯示區(qū)域,接著發(fā)送顯示開始命令后循環(huán)發(fā)送每個字符的點陣數(shù)據至顯存。字庫可以自行設計或者選用業(yè)內成熟方案。除顯示電路外,OLED模塊的布局位置和布線走向也需合理設計,避免靠近電源、電機等強電磁干擾源,防止顯示畫面噪點過多影響可讀性。此外,戶外使用時需注意采取遮陽和防水防塵等保護措施。圖3-6OLED的讀時序圖3-7OLED的寫時序4系統(tǒng)軟件設計4.1系統(tǒng)總程序設計系統(tǒng)主程序作為單片機的核心控制流程,負責對各硬件模塊進行初始化,獲取環(huán)境參數(shù)數(shù)據,分析處理數(shù)據,執(zhí)行相應的控制策略。主程序的總體流程先對單片機內核、中斷向量表、各硬件外設模塊(SPI、ADC、OLED等)、全局變量等進行初始化設置。通過掃描AD模數(shù)轉換器和讀取I2C數(shù)據,實時獲取土壤濕度、溫度和濕度數(shù)據。將獲取的模擬量數(shù)據轉換為實際物理量,顯示在OLED上。同時,對監(jiān)測數(shù)據與預先設定的閾值條件進行比較,判斷是否需要執(zhí)行控制操作。根據判斷結果,發(fā)出相應的控制指令,如開啟或關閉水泵電機、電機風扇等。同時切換LED指示燈狀態(tài),并產生語音報警提醒。通過ZigBee模塊,與協(xié)調器節(jié)點進行無線數(shù)據通信,將本節(jié)點狀態(tài)及檢測數(shù)據上傳至協(xié)調器。通過設置適當?shù)难訒r周期,控制程序循環(huán)運行間隔,避免浪費CPU資源。在獲取數(shù)據和控制執(zhí)行的關鍵環(huán)節(jié),均應采用實時可靠的操作方式,如中斷方式或DMA傳輸?shù)?。同時需編寫延時、數(shù)據處理、數(shù)據通信等公用子函數(shù),以提高代碼的可重用性和可維護性。圖4-1系統(tǒng)總流程圖4.2水泵及風扇控制程序根據系統(tǒng)檢測到的土壤濕度、溫度和濕度數(shù)據,控制程序需判斷是否滿足相應的控制條件,從而決定是否啟動水泵或電機風扇進行環(huán)境調節(jié)。電機風扇的控制原理類似,根據監(jiān)測到的溫濕度數(shù)據判斷是否超出設定的上限閾值,滿足條件時啟動風扇進行環(huán)境調節(jié)。除顯示水泵和風扇的工作狀態(tài)外,控制程序還需在異常狀況時啟動蜂鳴器發(fā)出聲光報警,提醒農戶注意。如需對控制策略進行優(yōu)化,可采用自適應算法自動調整上下限閾值,并增加響應的靈敏度和平滑度。也可結合時間變量,對節(jié)能、定時澆灌等增加控制功能?？刂七壿嬓韪鶕嶋H需求進行優(yōu)化和完善。圖4-2外設執(zhí)行子程序流程圖4.3協(xié)調器程序設計在本ZigBee網絡拓撲結構中,協(xié)調器節(jié)點作為網絡的控制中心,需運行相應的協(xié)調器程序。協(xié)調器運行的ZigBee協(xié)議棧軟件一般采用分層的模塊化結構,自底向上主要包括硬件抽象層(HAL)、MAC層、網絡層(NWK)、安全服務層和應用支撐層等模塊,以及最上層的應用對象和用戶應用程序。硬件抽象層提供了硬件驅動,用于訪問MCU外設、RF收發(fā)器和電源管理等硬件資源。MAC層實現(xiàn)了IEEE802.15.4標準的數(shù)據鏈路層協(xié)議,包括CSMA/CA信道訪問、幀編碼等功能。網絡層負責網絡構建和路由維護。應用支撐層則為終端設備的應用對象提供接口,如網絡設備對象、綁定對象等。以Z-Stack為例,其應用對象包括數(shù)據對象、設備對象和服務對象。數(shù)據對象用于終端采集數(shù)據、控制指令的收發(fā);設備對象提供設備功能及網絡管理服務;服務對象則為核心協(xié)議棧服務提供接口等。在編程開發(fā)時,協(xié)調器程序可基于TI公司提供的Z-Stack協(xié)議棧代碼工程,結合實際需求修改并集成相關應用程序模塊。利用ZigBee協(xié)議棧已實現(xiàn)的網絡組建、路由發(fā)現(xiàn)和數(shù)據傳輸?shù)裙δ?只需關注具體的應用層邏輯即可,開發(fā)過程將得到極大的簡化。圖4-3協(xié)調器流程圖4.4ZigBee無線通訊協(xié)議ZigBee技術在底層采用了IEEE802.15.4標準,并在其之上構建了網絡層、安全層和應用支撐層等高層協(xié)議,從而支持設備配置、網絡組織和應用對象等功能。一臺設備通過網絡層的地址分配機制首先獲得網絡地址,協(xié)調器負責分配地址。然后通過APS層設備及服務發(fā)現(xiàn)機制發(fā)現(xiàn)網絡中其它節(jié)點的服務,并與之建立連接。之后就可通過數(shù)據實體APSDE-SAP(APS數(shù)據實體服務訪問點)雙向傳輸數(shù)