基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)

摘要：為提高灌溉用水利用率，緩解水資源日趨緊張的矛盾，采用基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)，基于CC2530芯片設(shè)計無線節(jié)點，開發(fā)了此節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，由無線傳感器節(jié)點、無線路由節(jié)點、無線網(wǎng)關(guān)、監(jiān)控中心四部分組成，能實時監(jiān)測土壤溫濕變化，根據(jù)土壤墑情和作物用水規(guī)律實施精準(zhǔn)灌溉。系統(tǒng)實現(xiàn)了節(jié)水灌溉的自動化控制，有助于改善農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用率和灌溉系統(tǒng)自動化的水平普遍較低的現(xiàn)狀。
關(guān)鍵詞：ZigBee；無線傳感器；節(jié)水灌溉；墑情監(jiān)測

    農(nóng)業(yè)灌溉是我國的用水大戶，其用水量約占總用水量的70％。據(jù)統(tǒng)計，因干旱我國糧食每年平均受災(zāi)面積達(dá)兩千萬公頃，損失糧食占全國因災(zāi)減產(chǎn)糧食的50％50％。長期以來，由于技術(shù)、管理水平落后，導(dǎo)致灌溉用水浪費十分嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用率僅40％40％。如果根據(jù)監(jiān)測土壤墑情信息，實時控制灌溉時機(jī)和水量，可以有效提高用水效率。而人工定時測量墑情，不但耗費大量人力，而且做不到實時監(jiān)控；采用有線測控系統(tǒng)，則需要較高的布線成本，不便于擴(kuò)展，而且給農(nóng)田耕作帶來不便。因此，設(shè)計一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過ZigBee自組網(wǎng)方式構(gòu)成，從而避免了布線的不便、靈活性較差的缺點，實現(xiàn)土壤墑情的連續(xù)在線監(jiān)測，農(nóng)田節(jié)水灌溉的自動化控制，既提高灌溉用水利用率，緩解我國水資源日趨緊張的矛盾，也為作物生長提供良好的生長環(huán)境。

1 系統(tǒng)構(gòu)架
1．1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用在該節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)中，其核心技術(shù)是ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)。 ZigBee是一種低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)率、低成本、高可靠信度、大網(wǎng)絡(luò)容量的雙向無線通信技術(shù)。由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、介質(zhì)接人控制層和物理層組成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分為全功能設(shè)備(Full Function Device，F(xiàn)FD)和簡化功能設(shè)備(Reduce Function Device，RFD)兩種。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持星型網(wǎng)、樹狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)采用混合網(wǎng)，底層為多個ZigBee監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集。每個ZigBee監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)有一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點和若干的土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點。監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)采用星型結(jié)構(gòu)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點作為每個監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的基站。網(wǎng)關(guān)節(jié)點具有雙重功能，一是充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的角色，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的自動建立和維護(hù)、數(shù)據(jù)匯集；二是作為監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心的接口，與監(jiān)控中心傳遞信息。此系統(tǒng)具有自動組網(wǎng)功能，無線網(wǎng)關(guān)一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，新添加的無線傳感器節(jié)點會被網(wǎng)絡(luò)自動發(fā)現(xiàn)，這時無線路由會把節(jié)點的信息送給無線網(wǎng)關(guān)，有無線網(wǎng)關(guān)進(jìn)行編址并計算其路由信息，更新數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表和設(shè)備關(guān)聯(lián)表等。
1．2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
    該系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，由無線傳感節(jié)點(RFD)、無線路由節(jié)點(FFD)、無線網(wǎng)關(guān)(FFD)、監(jiān)控中心四大部分組成，通過ZigBee自組網(wǎng)，監(jiān)控中心、無線網(wǎng)關(guān)之間通過GPRS進(jìn)行墑情及控制信息的傳遞。每個傳感節(jié)點通過溫濕度傳感器，自動采集墑情信息，并結(jié)合預(yù)設(shè)的濕度上下限進(jìn)行分析，判斷是否需要灌溉及何時停止。每個節(jié)點通過太陽能電池供電，電池電壓被隨時監(jiān)控，一旦電壓過低，節(jié)點會發(fā)出電壓過低的報警信號，發(fā)送成功后，節(jié)點進(jìn)入睡眠狀態(tài)直到電量充足。其中無線網(wǎng)關(guān)連接ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)，是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)無線傳感器節(jié)點的管理。傳感器節(jié)點與路由節(jié)點自主形成一個多跳的網(wǎng)絡(luò)。溫濕度傳感器分布于監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給就近的無線路由節(jié)點，路由節(jié)點根據(jù)路由算法選擇最佳路由，建立相應(yīng)的路由列表，其中列表中包括自身的信息和鄰居網(wǎng)關(guān)的信息。通過網(wǎng)關(guān)把數(shù)據(jù)傳給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，便于用戶遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。本文設(shè)計的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計
2．1 傳感器節(jié)點模塊
    土壤水分是作物生長的關(guān)鍵性限制因素，土壤墑情信息的準(zhǔn)確采集是進(jìn)行農(nóng)田的節(jié)水灌溉、最優(yōu)調(diào)控的基礎(chǔ)和保證，對于節(jié)水技術(shù)有效的實施具有關(guān)鍵性的作用。本系統(tǒng)傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

    系統(tǒng)采用TDR-3A型土壤溫濕度傳感器，該傳感器集溫度和濕度測量于一體，具有密封、防水、精度高的特點，是測量土壤溫濕度的理想儀器。溫度的量程是-40～+80℃，精度為±0．2℃；濕度的量程是0～100％，在O～50％范圍內(nèi)精度為±2％。溫濕度傳感器輸出信號是4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)電流環(huán)，在主控制器電路上先進(jìn)行I／U轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后通過射頻天線發(fā)射出去。電流變換器采用RCV420JP芯片，該芯片集成電阻網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算放大器和標(biāo)準(zhǔn)的10 V基準(zhǔn)電壓源，能夠?qū)?～20 mA的電流環(huán)轉(zhuǎn)換成0～5 V的電壓輸出。
    信號調(diào)理電路如圖3所示。A／D轉(zhuǎn)換器則采用低功耗射頻集成電路CC2530內(nèi)部的ADC轉(zhuǎn)換器，其采樣頻率為12位，內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。

2．2 無線通信模塊
    基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的通信系統(tǒng)是建立在ZigBee無線通信技術(shù)和GPRS的基礎(chǔ)上。ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，有2．4 GHz(全球)、915 MHz(美國)及868 MHz(歐洲)三種工作頻帶。本系統(tǒng)采用目前是傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先選擇的全球通用頻段——2．4 GHz，傳輸速率為250 KB／s，該頻段在大多數(shù)國家都無需申請許可證。
    無線傳感節(jié)點(RFD)、無線路由節(jié)點(FFD)、無線網(wǎng)關(guān)(FFD)的通信模塊均采用CC2530芯片，在結(jié)構(gòu)上也有一定的一致性，這里只詳細(xì)介紹無線網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)。網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的控制和管理，實現(xiàn)信息的融合處理，他連接傳感器網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)兩種通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，同時發(fā)布監(jiān)測終端的任務(wù)，并把收集到的數(shù)據(jù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

    網(wǎng)關(guān)采用華為GPRS通信模塊GTM900C和TI公司的ZigBee射頻芯片模塊CC2530。GTM900CGPRS模塊支持GSM900／1800雙頻，提供電源接口、模擬音頻接口、標(biāo)準(zhǔn)SIM卡接口和UART接口，支持語音業(yè)務(wù)、短消息業(yè)務(wù)、GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和電路型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。CC2530是ZigBee新一代SoC芯片，擁有多達(dá)256 B的快閃記憶體，允許芯片無線下載，支持系統(tǒng)編程，提供了101 dB的鏈路質(zhì)量，優(yōu)秀的接收器靈敏度和健壯的抗干擾性。此外，CC2530結(jié)合了一個完全集成的，高性能的RF收發(fā)器與一個8051微處理器，8 KB的RAM，32／64／128／256 KB閃存，以及一套廣泛的外設(shè)集---包括2個USART、12位ADC和21個通用GPIO(General Purpose Input Output，通用輸入輸出)。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的PC端軟件用Delphi設(shè)計管理界面，建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對土壤墑情的查詢、管理、打印以及通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳遞控制命令與土壤溫濕度信息。

3 軟件設(shè)計
    本節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)中，監(jiān)測數(shù)據(jù)與控制命令在無線傳感節(jié)點、無線路由節(jié)點、無線網(wǎng)關(guān)和監(jiān)控中心之間傳送。傳感節(jié)點打開電源，初始化、建立鏈接后進(jìn)入休眠狀態(tài)。當(dāng)無線網(wǎng)關(guān)接到中斷請求時觸發(fā)中斷，經(jīng)過路由節(jié)點激活傳感節(jié)點，發(fā)送或接收信息包，處理完畢后繼續(xù)進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待有請求時再次激活。在同一個信道中只有兩個節(jié)點可以通信，通過競爭機(jī)制來獲取信道。每個節(jié)點周期性睡眠和監(jiān)聽信道，如果信道空閑則主動搶占信道，如果信道繁忙則根據(jù)退避算法退避一段時間后重新監(jiān)聽信道狀態(tài)。在程序設(shè)計中主要采集中斷的方法完成信息的接收和發(fā)送。

4 結(jié) 語
    本文設(shè)計的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，應(yīng)用低成本、低功耗的ZigBee無線通信技術(shù)，避免了布線的不便，提高了節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的靈活性。系統(tǒng)采用高精度土壤溫濕度傳感器，根據(jù)土壤墑情和作物用水規(guī)律實施精準(zhǔn)灌溉，不但能有效解決農(nóng)業(yè)灌溉用水利用率低的問題，緩解水資源日趨緊張的矛盾，而且還為作物提供了更好的生長環(huán)境，充分發(fā)揮現(xiàn)有節(jié)水設(shè)備的作用，優(yōu)化調(diào)度，提高效益，使灌溉更加科學(xué)、方便，提高管理水平。本系統(tǒng)操還支持對有關(guān)參數(shù)的人工修改和遠(yuǎn)程控制，適用于多種作物，能增加農(nóng)作物的產(chǎn)量，降低農(nóng)產(chǎn)品的灌溉成本，提高灌溉質(zhì)量，具有很大的推廣價值。此外，配置不同的傳感器，該系統(tǒng)可以構(gòu)成不同功能的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。