摘 要：针对传统的自动灌溉系统存在的效率低、稳定性差等问题，本文提出了一种新的自动灌溉控制方案。本方案以MSP430为主控芯片，结合CC1101作为无线通讯模块简化布线，上位机辅助判断减轻MCU运算负担。简约的硬件设计配合功能完善的上位机完成自动控制灌溉、历史环境参数记录、环境异常短信警告等功能。该系统稳定、可靠，具有较好的实用性及可延展性。
关键词：MSP430 自动控制 上位机 轮询方式
当前我国农业灌溉水平低，但是节水潜力巨大，节水灌溉技术的应用和推广，是缓解我国水资源紧缺的战略选择，是建立节水型社会的需要[1]。现有的智能灌溉系统控制器通常采用MCS51等其它微控制器作为控制芯片，并配以较多的模拟电路和逻辑门电路，其设计复杂，功耗、稳定性和可靠性难以得到保证[2]。如今，随着计算机技术的飞速发展，一些复杂的数据处理完全可以交给计算机通过上位机软件完成。
本文将分别从硬件编程和软件上位机两个方面，结合外围电路，介绍一种以MSP430为主控制器的、稳定的农田自动灌溉系统。
1 系统整体构架及工作原理概述
这种农田自动灌溉系统的整体执行思路如图1所示，本系统采用的是离散型控制系统，其具有三级结构。系统从下到上依次为：传感器检测与灌溉执行部分，MCU自动检测控制部分，田间监控中心。
底层的传感器有多种，分别对土壤的温度、湿度等进行检测。本系统能根据采集到的土壤湿度情况进行自动控制灌溉，其余采集到的环境参数供人员参考，做出合适的施肥灌溉决定。这些传感器或设备受到MCU控制，将信息呈递到单片机，通过其内部集成的12位ADC对数据进行处理，从而判断是否需要灌溉，并将数据通过无线通讯模块发送到田间监控中心。
田间监控中心可以修改田间各节点判断灌溉的标准值，能够按时接收并储存各节点的环境参数，记录灌溉情况，通过折线图或列表形式显示。当田间发生火灾或其他异常情况时，软件通过网络自动发出短信提示人员前去查看。此外，上位机能自动从网上下载天气信息，协助实现自动灌溉功能。
2 系统硬件部分
2.1 主控芯片
MSP430系列单片机是由TI公司1996年推出的一种16位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器。
本系统的主控模块采用MSP430F2553微处理器。MSP430系列单片机是具有精简指令集的超低功耗的16位单片机。它的最高工作频率可达25MHz，同时具有256KB Flash、16 KB RAM，内含硬件乘法器、12位ADC，以及SPI模块[3]等，四种超低功耗模式，非常适合低功耗产品开发。它具有五种低功耗模式，在不同的模式下消耗电流为0.1～340 uA[4]，是目前功耗最低的单片机。另外它从低功耗模式转到活跃模式，需要的时间仅为6 us，可以被快速唤醒。因此该微处理器被广泛用在智能传感器、实用检测仪器、点击控制、便捷式仪表等领域[5，6]。
2.2 传感器选用
本系统的检测部分分别对土壤的温度、湿度等环境参数进行检测，其中土壤温度传感器采用DS18B20，土壤湿度传感器采用FDR土壤湿度传感器。
土壤温度传感器采用的是不锈钢封装的DS18B20，如图2所示。其具有现场安装简单、控制方便、系统性能好、易于扩展等特点[7]，插入土壤对地温进行检测，精度较高、工作稳定，单片机与其进行单总线通讯获取温度值。
FDR（Frequency Domain Reflectometry） 土壤湿度传感器，见图3，利用电磁脉冲原理，根据电磁波在土壤中传播频率测试土壤的表观介电常数ε，得到土壤容积含水量（θv）[8，9]。其输出信号为模拟电压0～ 1.1V，本系统利用MSP430F5438内部的12位ADC直接对其采集到的数据进行处理得到土壤湿度。
2.3 电源模块
系统供电采用电源转换器直接将220 V交流电转为12 V直流电，用于给水泵和土壤湿度传感器供电。MSP430单片机的供电电压为3.3 V，为保证散热效果，采用二级降压的方式分散热量，集成LM2596与LM1117，依次将12 V直流电压转为5 V和 3.3 V电压，取3.3 V为MSP430F5438、土壤温度传感器及无线通讯模块供电。电路图如图4所示。
2.4 灌溉控制模块
灌溉控制模块由单片机、继电器和水泵组成。单片机根据采集到的土壤湿度，结合此时地温等条件，判断是否需要进行灌溉。满足灌溉条件时，由P3.0口送出控制信号控制至光耦，光耦接通使继电器开启，从而开启水泵。系统中水泵的额定电压为12V，继电器作为水泵的开关，选用12V继电器，因此在电路中并联续流二极管保护电路。如图5所示。
2.5 无线通讯模块
本系统采用的无线通讯模块为美国TI公司出品的CC1101。CC1101是一款低于1 GHz高性能射频收发器，其内部集成了一个高度可配置的调制解调器，支持多种调制格式，最高数据传输率为500 kb/s。在发射状态下，其发射功率可通过编程调节，最大发射功率可达+10 dBm，接收灵敏度最佳为-110 dBm，抗干扰能力强，且功耗极低，可用于极低功耗的RF应用。它与MSP430F5438结合，使系统更为节能。
3 单片机控制部分
3.1 田间节点及灌溉控制部分
田间节点以MSP430F5438为控制核心，结合各传感器、继电器、水泵、无线模块，共同构成。以开发平台IAR Embedded Workbench为开发环境，对MSP430F5438进行C程序开发，这款软件具备高度优化的IAR AVR C/C++编译器，可以有效提高用户的工作效率。 对田间节点的环境参数检测、数据发送及控制灌溉，由MSP430F5438单片机控制执行。土壤湿度的上下阈值保存在E2PR
OM中，可通过上位机软件发送更改预设值命令，更改土壤湿度预设值即灌溉条件。单片机控制灌溉的基本流程如图6所示。
田间监控中心有中央通讯模块，通讯模块由MSP430F5438和CC1101组成。中央通讯模块通过串口与上位机进行通讯，对田间节点采用轮询方式进行无线传输，避免信息拥塞。
此外，用户还可直接使用上位机软件发送灌溉命令到单片机，开启水泵灌溉。
3.2 无线通讯部分
本系统中无线收发模块采用CC1101，正常情况下，每隔固定的时间发送一次数据，因此通讯模式为轮询通讯模式。轮询方式的工作原理为，总线信道上有一个主站和N个子站，主站向子站发送询问命令，子站收到后才可利用信道，以避免信息拥塞。通过MSP430编程对CCll01的4线SPI接口和GDO2测试接口进行配置，结合MSP430的时钟，将各田间节点的CC1101设置成轮询通讯模式。
4 系统上位机软件部分
4.1 开发环境
本上位机软件收集单片机检测的温度、湿度、PH值等数据，经过适当处理，存储到数据库中并以折线图和列表的形式显示。由于Windows API复杂、难度大，本上位机采用C#语言，在Visual Studio 2010.NET环境下开发完成。.NET集成了大量类库，使用非常方便，可以满足用户的各种要求。
4.2 软件上下位机通讯设计
本上位机使用SerialPort类进行串口通信，SerialPort类为应用程序提供了通过串口收发数据的简便方法，具有功能强大，通信快速，实时性好等特点。此外还使用了Timer控件，当Timer控件启动后，每个一个固定时间段触发相同时间。用Timer控件实现了数据接收。
4.3 自动绘图功能的实现
关于折线图的显示，本上位机使用Zed
Gragh控件进行折线图的绘制，ZedGragh是一个开源的.NET图表类库。此类库比.NET自带类库使用更加灵活方便。使用DataGridView控件实现以列表的形式显示数据。Form1窗体是本上位机的主窗体，拥有各种功能按钮，并进行折线图显示，List窗体是Form1窗体的子窗体，负责进行列表显示。
系统采集全天的温度信息并以折线图显示界面如图8所示。
4.4 异常时短信报警功能的实现
报警是指，当上位机接收到的某些数据超过上限值时会发送短信提醒用户，如田间发生火灾等。手机短信发送是本上位机的扩展功能。通过C#编程，实现上位机给手机发送短信，当客户不在PC端时提示客户的功能。该功能的原理是通过一些运营商提供的接口实现的。本上位机采用可发送短信的Web Service，Web Service是新浪网提供的、可供用户直接调用的发送短消息的Web Service。Web Service中提供了一个发送短消息的方法"sendXml"。此方法的语法格式如下：
string sendXml（carrier，userid，password，mobilenumber，content，msgtype）
carrier：运营商名称
userid：新浪网上注册的手机号
password：成功注册手机后的反馈密码
mobilenumber：目标手机号码
content：所要发送短消息的内容
msgtype：发送短消息以文本信息形式发送，输入"Text"
4.5 上位机软件其他功能原理及实现
数据保存，通过上位机控制根据用户需求将接受到的数据保存起来，以便以后可以再次读取历史数据。为了数据的安全性，本上位机将数据保存到数据库中，使用的是Oracle数据库。基本功能实现流程如图9所示。天气信息通过中国气象局提供的API获取，根据获得的晴雨天气，给下位机发送信息协助判断、控制灌溉。历史数据可按照温度、湿度、pH值按钮显示不同数据，可以选择具体时间或具体节点查看环境情况。
5 结语
本文介绍的节水灌溉自动控制系统，利用MSP430单片机内部的ADC模块使得电路设计简单化，田间各节点的单片机收集环境参数并自动判断灌溉，上位机通过网络获取天气信息、检测环境参数正常，辅助判断是否应灌溉，并且能对田间每各节点的灌溉参数进行修改，实现自动控制灌溉。
实验证明，该系统具备较好的稳定性，节能且运行可靠，可以满足基本农业生产需要，使用方便，节水节能。但对于数据的处理性不强，仍需做完善。在硬件和软件方面仍具备可延展性，可采集周边环境参数如光照、雨量、CO2等，结合信息融合、PID等算法，提高系统对周围环境的分析能力，满足不同用户的需求。
参考文献
[1] 马成，周进祥.浅析我国农业节水灌溉现状及发展[J].科技传播，2009，9下：31-32.
[2] 刘善梅，彭辉.基于MSP430的智能灌溉系统设计[J].农机化研究，2010，7：117-120.
[3] 齐怀琴，张松，王晗.基于MSP430F5438的超低功耗森林火灾预警系统设计[J].测控技术，2013，32（1）：28-31.
[4] Texas Instruments Incorporated. Msp430x1xx Family User's Guide[EB/OL].2009-10-01.http：//www.msp430.com.
[5] 秦龙.MSP430单片机应用系统开发典型实例[M].北京：中国电力出版社，2005：1-345.
[6] 胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机[M].北京：北京航天航空大学出版社，2001：1-316.
[7] 张军.智能温度传感器DS18B20及其应用[J].仪表技术，2010，4：68-70.
[8] 李元寿，王根绪，程玉菲，等.FDR在高寒草地土壤水分测量中的标定及其应用[J].干旱区地理，2006，29（4）：543-547.
[9] 吕国华，李子忠，赵炳祥，等.频率域反射仪测定土壤含水量的校正与田间验证[J].干旱地区农业研究，2008，26（4）：33-37.
关键词：MSP430 自动控制 上位机 轮询方式
当前我国农业灌溉水平低，但是节水潜力巨大，节水灌溉技术的应用和推广，是缓解我国水资源紧缺的战略选择，是建立节水型社会的需要[1]。现有的智能灌溉系统控制器通常采用MCS51等其它微控制器作为控制芯片，并配以较多的模拟电路和逻辑门电路，其设计复杂，功耗、稳定性和可靠性难以得到保证[2]。如今，随着计算机技术的飞速发展，一些复杂的数据处理完全可以交给计算机通过上位机软件完成。
本文将分别从硬件编程和软件上位机两个方面，结合外围电路，介绍一种以MSP430为主控制器的、稳定的农田自动灌溉系统。
1 系统整体构架及工作原理概述
这种农田自动灌溉系统的整体执行思路如图1所示，本系统采用的是离散型控制系统，其具有三级结构。系统从下到上依次为：传感器检测与灌溉执行部分，MCU自动检测控制部分，田间监控中心。
底层的传感器有多种，分别对土壤的温度、湿度等进行检测。本系统能根据采集到的土壤湿度情况进行自动控制灌溉，其余采集到的环境参数供人员参考，做出合适的施肥灌溉决定。这些传感器或设备受到MCU控制，将信息呈递到单片机，通过其内部集成的12位ADC对数据进行处理，从而判断是否需要灌溉，并将数据通过无线通讯模块发送到田间监控中心。
田间监控中心可以修改田间各节点判断灌溉的标准值，能够按时接收并储存各节点的环境参数，记录灌溉情况，通过折线图或列表形式显示。当田间发生火灾或其他异常情况时，软件通过网络自动发出短信提示人员前去查看。此外，上位机能自动从网上下载天气信息，协助实现自动灌溉功能。
2 系统硬件部分
2.1 主控芯片
MSP430系列单片机是由TI公司1996年推出的一种16位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器。
本系统的主控模块采用MSP430F2553微处理器。MSP430系列单片机是具有精简指令集的超低功耗的16位单片机。它的最高工作频率可达25MHz，同时具有256KB Flash、16 KB RAM，内含硬件乘法器、12位ADC，以及SPI模块[3]等，四种超低功耗模式，非常适合低功耗产品开发。它具有五种低功耗模式，在不同的模式下消耗电流为0.1～340 uA[4]，是目前功耗最低的单片机。另外它从低功耗模式转到活跃模式，需要的时间仅为6 us，可以被快速唤醒。因此该微处理器被广泛用在智能传感器、实用检测仪器、点击控制、便捷式仪表等领域[5，6]。
2.2 传感器选用
本系统的检测部分分别对土壤的温度、湿度等环境参数进行检测，其中土壤温度传感器采用DS18B20，土壤湿度传感器采用FDR土壤湿度传感器。
土壤温度传感器采用的是不锈钢封装的DS18B20，如图2所示。其具有现场安装简单、控制方便、系统性能好、易于扩展等特点[7]，插入土壤对地温进行检测，精度较高、工作稳定，单片机与其进行单总线通讯获取温度值。
FDR（Frequency Domain Reflectometry） 土壤湿度传感器，见图3，利用电磁脉冲原理，根据电磁波在土壤中传播频率测试土壤的表观介电常数ε，得到土壤容积含水量（θv）[8，9]。其输出信号为模拟电压0～ 1.1V，本系统利用MSP430F5438内部的12位ADC直接对其采集到的数据进行处理得到土壤湿度。
2.3 电源模块
系统供电采用电源转换器直接将220 V交流电转为12 V直流电，用于给水泵和土壤湿度传感器供电。MSP430单片机的供电电压为3.3 V，为保证散热效果，采用二级降压的方式分散热量，集成LM2596与LM1117，依次将12 V直流电压转为5 V和 3.3 V电压，取3.3 V为MSP430F5438、土壤温度传感器及无线通讯模块供电。电路图如图4所示。
2.4 灌溉控制模块
灌溉控制模块由单片机、继电器和水泵组成。单片机根据采集到的土壤湿度，结合此时地温等条件，判断是否需要进行灌溉。满足灌溉条件时，由P3.0口送出控制信号控制至光耦，光耦接通使继电器开启，从而开启水泵。系统中水泵的额定电压为12V，继电器作为水泵的开关，选用12V继电器，因此在电路中并联续流二极管保护电路。如图5所示。
2.5 无线通讯模块
本系统采用的无线通讯模块为美国TI公司出品的CC1101。CC1101是一款低于1 GHz高性能射频收发器，其内部集成了一个高度可配置的调制解调器，支持多种调制格式，最高数据传输率为500 kb/s。在发射状态下，其发射功率可通过编程调节，最大发射功率可达+10 dBm，接收灵敏度最佳为-110 dBm，抗干扰能力强，且功耗极低，可用于极低功耗的RF应用。它与MSP430F5438结合，使系统更为节能。
3 单片机控制部分
3.1 田间节点及灌溉控制部分
田间节点以MSP430F5438为控制核心，结合各传感器、继电器、水泵、无线模块，共同构成。以开发平台IAR Embedded Workbench为开发环境，对MSP430F5438进行C程序开发，这款软件具备高度优化的IAR AVR C/C++编译器，可以有效提高用户的工作效率。 对田间节点的环境参数检测、数据发送及控制灌溉，由MSP430F5438单片机控制执行。土壤湿度的上下阈值保存在E2PR
OM中，可通过上位机软件发送更改预设值命令，更改土壤湿度预设值即灌溉条件。单片机控制灌溉的基本流程如图6所示。
田间监控中心有中央通讯模块，通讯模块由MSP430F5438和CC1101组成。中央通讯模块通过串口与上位机进行通讯，对田间节点采用轮询方式进行无线传输，避免信息拥塞。
此外，用户还可直接使用上位机软件发送灌溉命令到单片机，开启水泵灌溉。
3.2 无线通讯部分
本系统中无线收发模块采用CC1101，正常情况下，每隔固定的时间发送一次数据，因此通讯模式为轮询通讯模式。轮询方式的工作原理为，总线信道上有一个主站和N个子站，主站向子站发送询问命令，子站收到后才可利用信道，以避免信息拥塞。通过MSP430编程对CCll01的4线SPI接口和GDO2测试接口进行配置，结合MSP430的时钟，将各田间节点的CC1101设置成轮询通讯模式。
4 系统上位机软件部分
4.1 开发环境
本上位机软件收集单片机检测的温度、湿度、PH值等数据，经过适当处理，存储到数据库中并以折线图和列表的形式显示。由于Windows API复杂、难度大，本上位机采用C#语言，在Visual Studio 2010.NET环境下开发完成。.NET集成了大量类库，使用非常方便，可以满足用户的各种要求。
4.2 软件上下位机通讯设计
本上位机使用SerialPort类进行串口通信，SerialPort类为应用程序提供了通过串口收发数据的简便方法，具有功能强大，通信快速，实时性好等特点。此外还使用了Timer控件，当Timer控件启动后，每个一个固定时间段触发相同时间。用Timer控件实现了数据接收。
4.3 自动绘图功能的实现
关于折线图的显示，本上位机使用Zed
Gragh控件进行折线图的绘制，ZedGragh是一个开源的.NET图表类库。此类库比.NET自带类库使用更加灵活方便。使用DataGridView控件实现以列表的形式显示数据。Form1窗体是本上位机的主窗体，拥有各种功能按钮，并进行折线图显示，List窗体是Form1窗体的子窗体，负责进行列表显示。
系统采集全天的温度信息并以折线图显示界面如图8所示。
4.4 异常时短信报警功能的实现
报警是指，当上位机接收到的某些数据超过上限值时会发送短信提醒用户，如田间发生火灾等。手机短信发送是本上位机的扩展功能。通过C#编程，实现上位机给手机发送短信，当客户不在PC端时提示客户的功能。该功能的原理是通过一些运营商提供的接口实现的。本上位机采用可发送短信的Web Service，Web Service是新浪网提供的、可供用户直接调用的发送短消息的Web Service。Web Service中提供了一个发送短消息的方法"sendXml"。此方法的语法格式如下：
string sendXml（carrier，userid，password，mobilenumber，content，msgtype）
carrier：运营商名称
userid：新浪网上注册的手机号
password：成功注册手机后的反馈密码
mobilenumber：目标手机号码
content：所要发送短消息的内容
msgtype：发送短消息以文本信息形式发送，输入"Text"
4.5 上位机软件其他功能原理及实现
数据保存，通过上位机控制根据用户需求将接受到的数据保存起来，以便以后可以再次读取历史数据。为了数据的安全性，本上位机将数据保存到数据库中，使用的是Oracle数据库。基本功能实现流程如图9所示。天气信息通过中国气象局提供的API获取，根据获得的晴雨天气，给下位机发送信息协助判断、控制灌溉。历史数据可按照温度、湿度、pH值按钮显示不同数据，可以选择具体时间或具体节点查看环境情况。
5 结语
本文介绍的节水灌溉自动控制系统，利用MSP430单片机内部的ADC模块使得电路设计简单化，田间各节点的单片机收集环境参数并自动判断灌溉，上位机通过网络获取天气信息、检测环境参数正常，辅助判断是否应灌溉，并且能对田间每各节点的灌溉参数进行修改，实现自动控制灌溉。
实验证明，该系统具备较好的稳定性，节能且运行可靠，可以满足基本农业生产需要，使用方便，节水节能。但对于数据的处理性不强，仍需做完善。在硬件和软件方面仍具备可延展性，可采集周边环境参数如光照、雨量、CO2等，结合信息融合、PID等算法，提高系统对周围环境的分析能力，满足不同用户的需求。
参考文献
[1] 马成，周进祥.浅析我国农业节水灌溉现状及发展[J].科技传播，2009，9下：31-32.
[2] 刘善梅，彭辉.基于MSP430的智能灌溉系统设计[J].农机化研究，2010，7：117-120.
[3] 齐怀琴，张松，王晗.基于MSP430F5438的超低功耗森林火灾预警系统设计[J].测控技术，2013，32（1）：28-31.
[4] Texas Instruments Incorporated. Msp430x1xx Family User's Guide[EB/OL].2009-10-01.http：//www.msp430.com.
[5] 秦龙.MSP430单片机应用系统开发典型实例[M].北京：中国电力出版社，2005：1-345.
[6] 胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机[M].北京：北京航天航空大学出版社，2001：1-316.
[7] 张军.智能温度传感器DS18B20及其应用[J].仪表技术，2010，4：68-70.
[8] 李元寿，王根绪，程玉菲，等.FDR在高寒草地土壤水分测量中的标定及其应用[J].干旱区地理，2006，29（4）：543-547.
[9] 吕国华，李子忠，赵炳祥，等.频率域反射仪测定土壤含水量的校正与田间验证[J].干旱地区农业研究，2008，26（4）：33-37.
