基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉管制系統(tǒng)

農(nóng)業(yè)灌溉是我國(guó)的用水大戶(hù)，其用水量約占總用水量的70％。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因干旱我國(guó)糧食每年平均受災(zāi)面積達(dá)兩千萬(wàn)公頃，耗損糧食占全國(guó)因?yàn)?zāi)減產(chǎn)糧食的 50％50％。耐久以來(lái)，由于技術(shù)、維護(hù)水平落后，招致灌溉用水糜費(fèi)十分嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)灌溉用水的使用率僅40％40％。假設(shè)依據(jù)監(jiān)測(cè)土壤墑情信息，及時(shí)控制灌溉機(jī)遇和水量，能夠有效提高用水效率。而人工定時(shí)測(cè)量墑情，不但消耗大量人力，并且做不到及時(shí)監(jiān)控；采用有線測(cè)控系統(tǒng)，則須要較高的布線本錢(qián)，不便于擴(kuò)展，并且給農(nóng)田耕作帶來(lái)不便。因而，設(shè)計(jì)一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)首要由低功耗無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)議決ZigBee自組網(wǎng)方式構(gòu)成，從而防止了布線的不便、靈敏性較差的缺陷，完成土壤墑情的延續(xù)在線監(jiān)測(cè)，農(nóng)田節(jié)水灌溉的自動(dòng)化控制，既提高灌溉用水使用率，緩解我國(guó)水資源日趨緊張的矛盾，也為作物生長(zhǎng)提供良好的生長(zhǎng)環(huán)境。
　　1 系統(tǒng)構(gòu)架
　　1．1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)
　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使用在該節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)中，其中心技術(shù)是ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)。 ZigBee是一種低龐雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)率、低本錢(qián)、高牢靠信度、大網(wǎng)絡(luò)容量的雙向無(wú)線通訊技術(shù)。由使用層、網(wǎng)絡(luò)層、介質(zhì)接人控制層和物理層組成。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的配備分為全功用配備(Full Function Device，F(xiàn)FD)和簡(jiǎn)化功用配備(RedUCe Function Device，RFD)兩種。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持星型網(wǎng)、樹(shù)狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)三種拓?fù)錁?gòu)造。本系統(tǒng)采用混合網(wǎng)，底層為多個(gè)ZigBee監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，擔(dān)任監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集。每個(gè)ZigBee監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和若干的土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)采用星型構(gòu)造，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)作為每個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的基站。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)具有雙重功用，一是充任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的角色，擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)樹(shù)立和維護(hù)、數(shù)據(jù)聚集；二是作為監(jiān)測(cè)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(dòng)組網(wǎng)功用，無(wú)線網(wǎng)關(guān)不斷處于監(jiān)聽(tīng)形態(tài)，新添加的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)被網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)發(fā)覺(jué)，這時(shí)無(wú)線路由會(huì)把節(jié)點(diǎn)的信息送給無(wú)線網(wǎng)關(guān)，有無(wú)線網(wǎng)關(guān)舉行編址并計(jì)算其路由信息，更新數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)宣布和配備關(guān)聯(lián)表等。
1．2 系統(tǒng)體系構(gòu)造
　　該系統(tǒng)以單片機(jī)為控制中心，由無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)(RFD)、無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)(FFD)、無(wú)線網(wǎng)關(guān)(FFD)、監(jiān)控中心四大局部組成，議決ZigBee自組網(wǎng)，監(jiān)控中心、無(wú)線網(wǎng)關(guān)之間議決GPRS舉行墑情及控制信息的傳遞。每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)議決溫濕度傳感器，自動(dòng)采集墑情信息，并結(jié)合預(yù)設(shè)的濕度上下限舉行剖析，判別能不能須要灌溉及什么時(shí)辰中止。每個(gè)節(jié)點(diǎn)議決太陽(yáng)能電池供電，電池電壓被隨時(shí)監(jiān)控，一旦電壓過(guò)低，節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)出電壓過(guò)低的報(bào)警信號(hào)，發(fā)送成功后，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠形態(tài)直到電量充足。其中無(wú)線網(wǎng)關(guān)銜接ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)，是基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的中心局部，擔(dān)任無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的維護(hù)。傳感器節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)自主構(gòu)成一個(gè)多跳的網(wǎng)絡(luò)。溫濕度傳感器散布于監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給就近的無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)依據(jù)路由算法挑選最好路由，樹(shù)立相應(yīng)的路由列表，其中列表中包含本身的信息和鄰居網(wǎng)關(guān)的信息。議決網(wǎng)關(guān)把數(shù)據(jù)傳給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，便于用戶(hù)遠(yuǎn)程監(jiān)控維護(hù)。本文設(shè)計(jì)的基于無(wú)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(jì)
　　2．1 傳感器節(jié)點(diǎn)模塊
　　土壤水分是作物生長(zhǎng)的首要性限定要素，土壤墑情信息的精確采集是舉行農(nóng)田的節(jié)水灌溉、最優(yōu)調(diào)控的根本和保證，關(guān)于節(jié)水技術(shù)有效的施行具相首要性的作用。本系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)硬件構(gòu)造如圖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(cè)量于一體，具有密封、防水、精度高的特征，是測(cè)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(hào)是4～20 mA的規(guī)范電流環(huán)，在主控制器電路上先舉行I／U轉(zhuǎn)換，然后舉行A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后議決射頻天線發(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)算擴(kuò)大器和規(guī)范的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(hào)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(gè)8通道多路開(kāi)關(guān)，能夠依據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸進(jìn)信號(hào)中的一個(gè)舉行A／D轉(zhuǎn)換。

 
　　2．2 無(wú)線通訊模塊
　　基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的通訊系統(tǒng)是樹(shù)立在ZigBee無(wú)線通訊技術(shù)和GPRS的根本上。ZigBee是一種高牢靠的無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，有 2．4 GHz(全球)、915 MHz(美國(guó))及868 MHz(歐洲)三種任務(wù)頻帶。本系統(tǒng)采用當(dāng)前是傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先挑選的全球通用頻段——2．4 GHz，傳輸速率為250 KB／s，該頻段在大非少數(shù)國(guó)度都無(wú)需請(qǐng)求容許證。
　　無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)(RFD)、無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)(FFD)、無(wú)線網(wǎng)關(guān)(FFD)的通訊模塊均采用CC2530芯片，在構(gòu)造上也有必須的一致性，這里只細(xì)致引見(jiàn)無(wú)線網(wǎng)關(guān)的硬件構(gòu)造。網(wǎng)關(guān)擔(dān)任無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的控制和維護(hù)，完成信息的融合處置，他銜接傳感器網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)，完成兩種通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換，同時(shí)揭曉監(jiān)測(cè)終端的職務(wù)，并把搜集到的數(shù)據(jù)議決GPRS網(wǎng)絡(luò)傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，構(gòu)造框圖如圖4所示。

　　網(wǎng)關(guān)采用華為GPRS通訊模塊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、規(guī)范SIM卡接口和UART接口，支持語(yǔ)音業(yè)務(wù)、短音訊業(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，準(zhǔn)許芯片無(wú)線下載，支持系統(tǒng)編程，提供了101 dB的鏈路質(zhì)量，優(yōu)秀的接納器靈敏度和強(qiáng)健的抗攪擾性。此外，CC2530結(jié)合了一個(gè)完全集成的，高功用的RF收發(fā)器與一個(gè)8051微處置器，8 KB的RAM，32／64／128／256 KB閃存，以及一套普遍的外設(shè)集---包含2個(gè)USART、12位ADC和21個(gè)通用GPIO(General Purpose Input Output，通用輸進(jìn)輸出)。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的PC端軟件用Delphi設(shè)計(jì)維護(hù)界面，樹(shù)立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，完成對(duì)土壤墑情的查詢(xún)、維護(hù)、打印以及議決 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(jì)
　　本節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)中，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與控制命令在無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)、無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)、無(wú)線網(wǎng)關(guān)和監(jiān)控中心之間傳送。傳感節(jié)點(diǎn)翻開(kāi)電源，原始化、樹(shù)立鏈接后進(jìn)入休眠形態(tài)。當(dāng)無(wú)線網(wǎng)關(guān)接到中綴央求時(shí)觸發(fā)中綴，經(jīng)歷路由節(jié)點(diǎn)激活傳感節(jié)點(diǎn)，發(fā)送或接納信息包，處置終了后繼續(xù)進(jìn)入休眠形態(tài)，等候有央求時(shí)再次激活。在同一個(gè)信道中只需兩個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠通訊，議決競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制來(lái)獲取信道。每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性睡眠和監(jiān)聽(tīng)信道，假設(shè)信道空閑則自動(dòng)搶占信道，假設(shè)信道忙碌則依據(jù)退避算法退避一段時(shí)間后重新監(jiān)聽(tīng)信道形態(tài)。在順序設(shè)計(jì)中首要采集中綴的辦法完成信息的接納和發(fā)送。
　　4 結(jié) 語(yǔ)
　　本文設(shè)計(jì)的基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，使用低本錢(qián)、低功耗的ZigBee無(wú)線通訊技術(shù)，防止了布線的不便，提高了節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的靈敏性。系統(tǒng)采用高精度土壤溫濕度傳感器，依據(jù)土壤墑情和作物用水次第施行精準(zhǔn)灌溉，不但能有效處置農(nóng)業(yè)灌溉用水使用率低的疑問(wèn)，緩解水資源日趨緊張的矛盾，并且還為作物提供了更好的生長(zhǎng)環(huán)境，充沛發(fā)揚(yáng)現(xiàn)有節(jié)水配備的作用，優(yōu)化調(diào)度，提高效益，使灌溉愈加迷信、簡(jiǎn)約，提高維護(hù)水平。本系統(tǒng)操還支持對(duì)有關(guān)參數(shù)的人工修正和遠(yuǎn)程控制，適用于多種作物，能添加農(nóng)作物的產(chǎn)量，降低農(nóng)產(chǎn)品的灌溉本錢(qián)，提高灌溉質(zhì)量，具有很大的推行價(jià)值。此外，配置不一樣的傳感器，該系統(tǒng)能夠構(gòu)成不一樣功用的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。