智慧农业自动浇灌系统的设计
摘要：本课题设计的是一个能远程监控土壤湿度并进行自动浇灌的系统，是一个由土壤水分传感器、Zigbee网络、ARM和电磁阀等组成的系统，土壤水分传感器测得土壤湿度数据通过Zigbee网络传送到ARM中处理判断是否需要打开电磁阀浇灌，同时也可以手动控制开关灌溉。
关键词：土壤水分传感器、Zigbee、ARM、自动浇灌
1 引言
目前，随着人口的不断增长，我们对农作物的需求不断扩大。而农业的发展离不开一个重要的资源─水。由科学的调查研究得出，作物生长的好坏和是土壤的湿度有着密切的联系。21世纪水资源变成一种宝贵的稀缺资源，水资源问题已不仅仅是资源问题，更是关系到国家经济、社会可持续发展和长治久安的重大战略问题。中国是一个水资源严重短缺的国家，每年有很多地方面临干旱,为我们敲响了节约用水的警钟。因此采用高效的智能化节水浇灌技术势在必行，这不但能够有效缓解用水压力，同时也是发展精细农业和实现现代化农业的要求。
土壤湿度作为土壤浇灌的基本参量,对农作物的生长十分重要。通过农业浇灌给农作物适当的湿度环境,可以提高农产品的产量与质量,从而提高了生产效率。目前我国大部分土壤湿度调控设施简单、自动化程度低、系统功能不完善,与现代化农业要求还很不适应。随着现代无线通讯技术的发展和普及，作为无线传感器网络中的一种协议标准，Zigbee技术日渐成熟，以其优良的性能为众多的近距离无线通信应用领域提供了低成本、低功耗、高可靠性的解决方案。同时ARM嵌入式设备分发展也达到了成熟的水平，其处理速度快，体积小，可靠性高，正在不断的应用到各行各业的监测与控制系统中去。土壤水分传感器的种类也越来越多，其测量精度和稳定性在不断提高，而其成本都在越来越低。这样，可以设计较为完善的农业自动浇灌系统。通过合理浇灌有利于作物的生长,提高农业生产的效率，同时也是对匮乏的水资源一种高效合理的利用。因此本课题就关于设计一套基于嵌入式设备的智慧农业自动浇灌系统。
2 方案论证
2.1方案一:
采用51系列AT89C51单片机作为系统核心,土壤水分传感器通过ADC0809 A/D转换器有线连接到AT89C51上，连接相应的LED显示系统电路，通过LED数码管显示土壤湿度的测量值，再设计时钟电路提供单片机内各种微操作的时间基准，还要设计复位电路初始化某些特殊功能的寄存器，同时也要设计按键电路实现手动控制电磁阀的开关，这样来设计一个较为完善的自动浇灌系统。
2.2方案二:
采用友善的mini2440开发板作为系统核心，其采用Samsung ARM9系列的S3C2440A作为处理器，其运行稳定，处理速度快，外围接口丰富，编程可视化，友好的用户界面等优点。土壤水分传感器通过无线方式传输到开发板中进行数据处理，再将控制信号通过无线传输打开电磁阀进行浇灌。无线传输方式有蓝牙、WiFi和Zigbee等技术，通过表1的比较以及传输信号的稳定性，使用寿命，能量功耗，传输距离和使用成本等多方面比较，Zigbee具有低功耗、低成本、时延短、网络容量大且安全稳定等优点, 能广泛应用于工业控制、消费电子、家庭自动化、医疗监控各种领域。ZigBee 无线传感网络控制的浇灌系统能克服在农田中布线和维护的种种困扰及不可预知的因素，根据得到的田间信息对浇灌系统进行控制，实施浇灌，因此选择Zigbee作为无线传输的方式。同时远程计算机可以通过boa web服务器访问查询数据。
标准名 应用重点 工作频率 电池寿命(天) 网络大小 宽带(Kbpt) 传输距离(米)
蓝牙 手持设备 应用终端 2.4G 1-7 7 721 1-10+
WiFi
802.11b Web 图象 2.4G 0.5-5 32 11000+ 1-100
Zigbee 监测控制 868/915M
2.4G 10-1000+ 65536 20-250 1-100+
表1几种主流无线协议比较
从系统是设计的简易程度考虑，51单片机需要自己设计调试的外围电路比较多，程序编写也不直观，同时LED数码管显示内容较为单一且有线传输信号在农田中容易被农药化肥等残留物质所腐蚀，而mini2440开发板已经集合了较多模块，只需要配套相应的Zigbee模块即可接受土壤水分传感器的数据和控制电磁阀来控制是否灌溉，同时编程是可视化的，显示的内容也更加直观丰富美观。也可以通过远程计算机访问查询数据。
目录
1. 引言…………………………………………………………………………………1
2. 方案论证…………………………………………………………………………………1
2.1 方案一…………………………………………………………………………1
2.2 方案二…………………………………………………………………………1
3. 各模块设计……………………………………………………………………2
3.1 土壤水分传感器…………………………………………………………………2
3.2 Zigbee模块………………………………………………………………3
3.2.1 CC2530…………………………………………………………………3
3.2.2 网络节点类型……………………………………………………………3
3.2.3 Zigbee网络拓扑形式……………………………………………………4
3.2.4 Zigbee协调器和节点…………………………………………………5
3.2.5 Zigbee协议………………………………………………………6
3.3 嵌入式系统………………………………………………………………………… 8
3.3.1 嵌入式硬件及软件平台选择……………………………………………8
3.3.2 嵌入式系统硬件…………………………………………………………8
3.3.3 嵌入式软件…………………………………………………………11
3.4 嵌入式系统制定及环境部署……………………………………………………12
3.4.1 Linux交叉编译环境配 ………………………………………………12
3.4.2 Bootloader的制作……………………………………………………12
3.4.3 Linux内核移植 …………………………………………………………13
3.4.4 开发板文件系统的制作…………………………………………………14
3.4.5 QT4图形库部署 ………………………………………………………14
3.4.6 Boa Web服务器与CGIC的移植………………………………………16
3.4.7 SQLite数据库的移植…………………………………………………17
4. 软件设计 ……………………………………………………………………………18
4.1 程序流程 ………………………………………………………………………18
4.1.1 系统主程序流程图 ……………………………………………………18
4.1.2 各子程序流程图 ………………………………………………………19
4.2 程序………………………………………………………………………………20
4.2.1 主程序 …………………………………………………………………21
4.2.2 各子程序 ………………………………………………………………22
5. 软硬件系统的调试……………………………………………………………………27
5.1 软件调试…………………………………………………………………………27
5.2 硬件调试…………………………………………………………………………28
6. 附录………………………………………………………………………………………29
7. 参考文献 ……………………………………………………………………………32
参考文献
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