基于ZigBee和ESP8266的远程灌溉控制平台设计*

张问松,荆黎明,田思庆

(佳木斯大学信息电子技术学院，黑龙江 佳木斯 154007)

0 引言

实施乡村振兴战略的总目标是农业农村现代化，胡青认为发展“数字农业”是实现农业现代化的必由之路[1],而远程灌溉控制平台是农业现代化的具体体现。远程灌溉控制平台不仅能够助力农业快速发展，降低农户的劳作时间和劳作强度，而且可以提升农业灌溉技术水平，促进农田节约用水。

1 系统总体框图

远程灌溉控制平台是在荆黎明等人所设计无线传感器网络的基础上进行改进而来[2]，将原系统中的控制器CC2430更改为CC2530，协调器中增加ESP8266，以便增加系统的适应性。系统工作原理是协调器通过广播的方式与传感器节点进行通信，传感器节点进行应答并发送土壤数据给协调器，协调器接收到数据后打包通过互联网将数据发送给移动终端，移动终端实时显示农田土壤数据，可供用户判断农田墒情，更改控制策略，实现农田的节水灌溉。系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

2 硬件组成及工作原理

2.1 硬件选型

本系统采用的主控制器为TI公司的CC2530芯片，CC2530芯片采用8051CPU内核，提供18个中断源，分为6个中断组。有三个物理存储器，包括8KB静态随机存取存储器、256KB闪存和XREG/SFR寄存器，它们有21个数字输入/输出引脚，可以配置为通用数字输入/输出或外设输入/输出信号。输入端口具有上拉或下拉功能。综合考虑各种因素，CC2530芯片是远程灌溉控制平台的不二选择。

ESP8266串口无线WiFi模块采用ESP-01型，该型号的ESP8266支持Station模式、AP模式和AP兼Station模式。它的工作电压是直流3V～3.6V，SPI Flash的大小为1MB，板载PCB天线增益为3DBi。由于ESP8266无线模块的固件大小不到1MB，并且远程灌溉控制平台不需要十分丰富的功能，所以选择ESP-01型的WiFi模块比较适合。

由于系统需要5V电压和3.3V电压进行稳定供电，为了稳定供电，本系统采用三端稳压器AMS1117-5.0和AMS1117-3.3两种芯片，AMS1117系列芯片是一个正向低压降稳压器，内部集成了过热保护和限流保护，它的工作温度是-40 ℃～125 ℃，能够适应各种复杂环境，是一款十分优秀的芯片。

2.2 电源电路设计

在远程灌溉控制平台中，继电器模块需要5V电压进行供电，单片机CC2530和ESP8266串口无线WiFi模块需要3.3V电压进行供电。系统供电电源采用12V电压通过三端稳压器AMS1117-5.0和AMS1117-3.3进行降压为远程灌溉控制平台供电。供电系统原理图如图2所示。

图2 供电系统硬件原理图

2.3 协调器与ESP8266硬件系统设计

协调器的工作是负责建立网络和充当路由器的功能，协调器是系统的中枢，配置好远程灌溉控制平台的协调器是系统正常运行的关键。在基于紫蜂协议的无线传感器网络建设过程中，天线和巴伦匹配电路的设计更为重要，它涉及到射频信道指标的好坏，对通信距离和系统功耗有很大影响。因此根据前人的研究，本系统采用50Ω天线。CC2530需要2个晶振，32 MHz晶振和32.768 kHz晶振。CC2530通过串口与ESP8266进行电路连接以便通信，为了能够更好的利用板上的资源，通过设置跳线帽的方式间接使CC2530与ESP8266连接[3]。硬件电路图如图3所示。

图3 CC2530与ESP8266硬件原理图

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，每个模式各有各的特点。Station模式用于将ESP8266模块连接到接入点(Access Point)建立的WiFi网络；AP模式可以理解为Station的相反面，用于将ESP8266模块作为接入点建立WiFi网络，供其他作为Station模式的模块连接进来；AP兼Station模式是两种模式的整合。

本系统通过串口将AT指令固件烧录在ESP8266芯片中，可以实现远程灌溉控制平台的功能，AT指令集如表1所示。

表1 AT指令集

4 系统软件设计

远程灌溉控制系统平台使用荆黎明在黑龙江省大学生创新创业训练计划项目中所设计的传感器节点进行系统构建。协调器通过传感器节点采集农田土壤信息，然后经过ESP8266串口无线WiFi模块将数据发送给移动终端，移动终端实时显示数据。经过用户判断过土壤墒情后，用户通过上位机的按键发送不同的信息给ESP8266，经ESP8266将信息转送给协调器，协调器进过逻辑分析后选择相应的控制策略。系统流程图如图4所示。

图4 系统流程图

远程灌溉控制系统平台采用IAR Embedded Workbench软件进行编程，以ZigBee 2007协议栈为基础，通过更改相应的协议栈函数，实现系统功能。当协调器建立网络后，传感器节点(ZigBee终端)加入网络，协调器通过广播的方式进行与ZigBee终端通信，ZigBee终端周期性进行采集农田土壤数据并发送给协调器，然后协调器通过ESP8266将数据发送到移动终端。协调器根据用户的命令，将进行开启(或者关闭)继电器模块，实现灌溉农田的目的。

5 结论

远程灌溉控制平台主要由CC2530和ESP8266芯片构成，结合荆黎明等人组建的无线传感器网络中的传感器节点，构建了新一代的远程灌溉控制平台，该平台较上一代增加了ESP8266串口无线WiFi模块，升级了主控制器CC2530。移动终端可以实时显示农田土壤数据，用户可以在任何有网络的地方进行操控远程灌溉控制平台，试验结果表明，该灌溉控制平台工作稳定，通信可靠，移动终端能够灵活控制水泵的开启，实现了远程灌溉控制平台的功能，较上一代的功能有了明显的提升。