基于ZigBee和ESP8266的遠(yuǎn)程灌溉控制平臺(tái)設(shè)計(jì)*

張問松,荊黎明,田思慶

(佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007)

0 引言

實(shí)施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的總目標(biāo)是農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化，胡青認(rèn)為發(fā)展“數(shù)字農(nóng)業(yè)”是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必由之路[1],而遠(yuǎn)程灌溉控制平臺(tái)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的具體體現(xiàn)。遠(yuǎn)程灌溉控制平臺(tái)不僅能夠助力農(nóng)業(yè)快速發(fā)展，降低農(nóng)戶的勞作時(shí)間和勞作強(qiáng)度，而且可以提升農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)水平，促進(jìn)農(nóng)田節(jié)約用水。

1 系統(tǒng)總體框圖

遠(yuǎn)程灌溉控制平臺(tái)是在荊黎明等人所設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)而來[2]，將原系統(tǒng)中的控制器CC2430更改為CC2530，協(xié)調(diào)器中增加ESP8266，以便增加系統(tǒng)的適應(yīng)性。系統(tǒng)工作原理是協(xié)調(diào)器通過廣播的方式與傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)答并發(fā)送土壤數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)后打包通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送給移動(dòng)終端，移動(dòng)終端實(shí)時(shí)顯示農(nóng)田土壤數(shù)據(jù)，可供用戶判斷農(nóng)田墑情，更改控制策略，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田的節(jié)水灌溉。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件組成及工作原理

2.1 硬件選型

本系統(tǒng)采用的主控制器為TI公司的CC2530芯片，CC2530芯片采用8051CPU內(nèi)核，提供18個(gè)中斷源，分為6個(gè)中斷組。有三個(gè)物理存儲(chǔ)器，包括8KB靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、256KB閃存和XREG/SFR寄存器，它們有21個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳，可以配置為通用數(shù)字輸入/輸出或外設(shè)輸入/輸出信號(hào)。輸入端口具有上拉或下拉功能。綜合考慮各種因素，CC2530芯片是遠(yuǎn)程灌溉控制平臺(tái)的不二選擇。

ESP8266串口無線WiFi模塊采用ESP-01型，該型號(hào)的ESP8266支持Station模式、AP模式和AP兼Station模式。它的工作電壓是直流3V～3.6V，SPI Flash的大小為1MB，板載PCB天線增益為3DBi。由于ESP8266無線模塊的固件大小不到1MB，并且遠(yuǎn)程灌溉控制平臺(tái)不需要十分豐富的功能，所以選擇ESP-01型的WiFi模塊比較適合。

由于系統(tǒng)需要5V電壓和3.3V電壓進(jìn)行穩(wěn)定供電，為了穩(wěn)定供電，本系統(tǒng)采用三端穩(wěn)壓器AMS1117-5.0和AMS1117-3.3兩種芯片，AMS1117系列芯片是一個(gè)正向低壓降穩(wěn)壓器，內(nèi)部集成了過熱保護(hù)和限流保護(hù)，它的工作溫度是-40 ℃～125 ℃，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境，是一款十分優(yōu)秀的芯片。

2.2 電源電路設(shè)計(jì)

在遠(yuǎn)程灌溉控制平臺(tái)中，繼電器模塊需要5V電壓進(jìn)行供電，單片機(jī)CC2530和ESP8266串口無線WiFi模塊需要3.3V電壓進(jìn)行供電。系統(tǒng)供電電源采用12V電壓通過三端穩(wěn)壓器AMS1117-5.0和AMS1117-3.3進(jìn)行降壓為遠(yuǎn)程灌溉控制平臺(tái)供電。供電系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 供電系統(tǒng)硬件原理圖

2.3 協(xié)調(diào)器與ESP8266硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器的工作是負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和充當(dāng)路由器的功能，協(xié)調(diào)器是系統(tǒng)的中樞，配置好遠(yuǎn)程灌溉控制平臺(tái)的協(xié)調(diào)器是系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。在基于紫蜂協(xié)議的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中，天線和巴倫匹配電路的設(shè)計(jì)更為重要，它涉及到射頻信道指標(biāo)的好壞，對(duì)通信距離和系統(tǒng)功耗有很大影響。因此根據(jù)前人的研究，本系統(tǒng)采用50Ω天線。CC2530需要2個(gè)晶振，32 MHz晶振和32.768 kHz晶振。CC2530通過串口與ESP8266進(jìn)行電路連接以便通信，為了能夠更好的利用板上的資源，通過設(shè)置跳線帽的方式間接使CC2530與ESP8266連接[3]。硬件電路圖如圖3所示。

圖3 CC2530與ESP8266硬件原理圖

3 ESP8266工作模式及AT指令集

ESP8266支持Station模式、AP模式和AP兼Station模式，每個(gè)模式各有各的特點(diǎn)。Station模式用于將ESP8266模塊連接到接入點(diǎn)(Access Point)建立的WiFi網(wǎng)絡(luò)；AP模式可以理解為Station的相反面，用于將ESP8266模塊作為接入點(diǎn)建立WiFi網(wǎng)絡(luò)，供其他作為Station模式的模塊連接進(jìn)來；AP兼Station模式是兩種模式的整合。

本系統(tǒng)通過串口將AT指令固件燒錄在ESP8266芯片中，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程灌溉控制平臺(tái)的功能，AT指令集如表1所示。

表1 AT指令集

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程灌溉控制系統(tǒng)平臺(tái)使用荊黎明在黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目中所設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)建。協(xié)調(diào)器通過傳感器節(jié)點(diǎn)采集農(nóng)田土壤信息，然后經(jīng)過ESP8266串口無線WiFi模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給移動(dòng)終端，移動(dòng)終端實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)。經(jīng)過用戶判斷過土壤墑情后，用戶通過上位機(jī)的按鍵發(fā)送不同的信息給ESP8266，經(jīng)ESP8266將信息轉(zhuǎn)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器進(jìn)過邏輯分析后選擇相應(yīng)的控制策略。系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)流程圖

遠(yuǎn)程灌溉控制系統(tǒng)平臺(tái)采用IAR Embedded Workbench軟件進(jìn)行編程，以ZigBee 2007協(xié)議棧為基礎(chǔ)，通過更改相應(yīng)的協(xié)議棧函數(shù)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。當(dāng)協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)后，傳感器節(jié)點(diǎn)(ZigBee終端)加入網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器通過廣播的方式進(jìn)行與ZigBee終端通信，ZigBee終端周期性進(jìn)行采集農(nóng)田土壤數(shù)據(jù)并發(fā)送給協(xié)調(diào)器，然后協(xié)調(diào)器通過ESP8266將數(shù)據(jù)發(fā)送到移動(dòng)終端。協(xié)調(diào)器根據(jù)用戶的命令，將進(jìn)行開啟(或者關(guān)閉)繼電器模塊，實(shí)現(xiàn)灌溉農(nóng)田的目的。

5 結(jié)論

遠(yuǎn)程灌溉控制平臺(tái)主要由CC2530和ESP8266芯片構(gòu)成，結(jié)合荊黎明等人組建的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建了新一代的遠(yuǎn)程灌溉控制平臺(tái)，該平臺(tái)較上一代增加了ESP8266串口無線WiFi模塊，升級(jí)了主控制器CC2530。移動(dòng)終端可以實(shí)時(shí)顯示農(nóng)田土壤數(shù)據(jù)，用戶可以在任何有網(wǎng)絡(luò)的地方進(jìn)行操控遠(yuǎn)程灌溉控制平臺(tái)，試驗(yàn)結(jié)果表明，該灌溉控制平臺(tái)工作穩(wěn)定，通信可靠，移動(dòng)終端能夠靈活控制水泵的開啟，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程灌溉控制平臺(tái)的功能，較上一代的功能有了明顯的提升。