無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)水灌溉管制系統(tǒng)

????? 農業(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面積達兩千萬公頃，耗損糧食占全國因災減產(chǎn)糧食的 50％50％。耐久以來，由于技術、維護水平落后，招致灌溉用水糜費十分嚴重，農業(yè)灌溉用水的使用率僅40％40％。假設依據(jù)監(jiān)測土壤墑情信息，及時控制灌溉機遇和水量，能夠有效提高用水效率。而人工定時測量墑情，不但消耗大量人力，并且做不到及時監(jiān)控；采用有線測控系統(tǒng)，則須要較高的布線本錢，不便于擴展，并且給農田耕作帶來不便。因而，設計一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)首要由低功耗無線傳感網(wǎng)絡節(jié)點議決ZigBee自組網(wǎng)方式構成，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，農田節(jié)水灌溉的自動化控制，既提高灌溉用水使用率，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)構架

　　1．1 無線傳感器網(wǎng)絡

　　無線傳感器網(wǎng)絡技術使用在該節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)中，其中心技術是ZigBee自組網(wǎng)技術。 ZigBee是一種低龐雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)率、低本錢、高牢靠信度、大網(wǎng)絡容量的雙向無線通訊技術。由使用層、網(wǎng)絡層、介質接人控制層和物理層組成。 ZigBee網(wǎng)絡中的配備分為全功用配備(Full Function Device，F(xiàn)FD)和簡化功用配備(RedUCe Function Device，RFD)兩種。 ZigBee網(wǎng)絡支持星型網(wǎng)、樹狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)三種拓撲構造。本系統(tǒng)采用混合網(wǎng)，底層為多個ZigBee監(jiān)測網(wǎng)絡，擔任監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集。每個ZigBee監(jiān)測網(wǎng)絡有一個網(wǎng)關節(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)絡采用星型構造，網(wǎng)關節(jié)點作為每個監(jiān)測網(wǎng)絡的基站。網(wǎng)關節(jié)點具有雙重功用，一是充任網(wǎng)絡協(xié)調器的角色，擔任網(wǎng)絡的自動樹立和維護、數(shù)據(jù)聚集；二是作為監(jiān)測網(wǎng)絡與監(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)功用，無線網(wǎng)關不斷處于監(jiān)聽形態(tài)，新添加的無線傳感器節(jié)點會被網(wǎng)絡自動發(fā)覺，這時無線路由會把節(jié)點的信息送給無線網(wǎng)關，有無線網(wǎng)關舉行編址并計算其路由信息，更新數(shù)據(jù)轉宣布和配備關聯(lián)表等。

1．2 系統(tǒng)體系構造

　　該系統(tǒng)以單片機為控制中心，由無線傳感節(jié)點(RFD)、無線路由節(jié)點(FFD)、無線網(wǎng)關(FFD)、監(jiān)控中心四大局部組成，議決ZigBee自組網(wǎng)，監(jiān)控中心、無線網(wǎng)關之間議決GPRS舉行墑情及控制信息的傳遞。每個傳感節(jié)點議決溫濕度傳感器，自動采集墑情信息，并結合預設的濕度上下限舉行剖析，判別能不能須要灌溉及什么時辰中止。每個節(jié)點議決太陽能電池供電，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)點進入睡眠形態(tài)直到電量充足。其中無線網(wǎng)關銜接ZigBee無線網(wǎng)絡與GPRS網(wǎng)絡，是基于無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的中心局部，擔任無線傳感器節(jié)點的維護。傳感器節(jié)點與路由節(jié)點自主構成一個多跳的網(wǎng)絡。溫濕度傳感器散布于監(jiān)測區(qū)域內，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)點依據(jù)路由算法挑選最好路由，樹立相應的路由列表，其中列表中包含本身的信息和鄰居網(wǎng)關的信息。議決網(wǎng)關把數(shù)據(jù)傳給遠程監(jiān)控中心，便于用戶遠程監(jiān)控維護。本文設計的基于無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2 硬件設計

　　2．1 傳感器節(jié)點模塊

　　土壤水分是作物生長的首要性限定要素，土壤墑情信息的精確采集是舉行農田的節(jié)水灌溉、最優(yōu)調控的根本和保證，關于節(jié)水技術有效的施行具相首要性的作用。本系統(tǒng)傳感器節(jié)點硬件構造如圖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量于一體，具有密封、防水、精度高的特征，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％范圍內精度為±2％。溫濕度傳感器輸出信號是4～20 mA的規(guī)范電流環(huán)，在主控制器電路上先舉行I／U轉換，然后舉行A／D轉換為數(shù)字信號后議決射頻天線發(fā)射出去。電流變換器采用RCV420JP芯片，該芯片集成電阻網(wǎng)絡、運算擴大器和規(guī)范的10 V基準電壓源，能夠將4～20 mA的電流環(huán)轉換成0～5 V的電壓輸出。

????? 信號調理電路如圖3所示。A／D轉換器則采用低功耗射頻集成電路CC2530內部的ADC轉換器，其采樣頻率為12位，內部有一個8通道多路開關，能夠依據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸進信號中的一個舉行A／D轉換。

2．2 無線通訊模塊

　　基于無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的通訊系統(tǒng)是樹立在ZigBee無線通訊技術和GPRS的根本上。ZigBee是一種高牢靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡，有 2．4 GHz(全球)、915 MHz(美國)及868 MHz(歐洲)三種任務頻帶。本系統(tǒng)采用當前是傳感器網(wǎng)絡優(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)國度都無需請求容許證。

　　無線傳感節(jié)點(RFD)、無線路由節(jié)點(FFD)、無線網(wǎng)關(FFD)的通訊模塊均采用CC2530芯片，在構造上也有必須的一致性，這里只細致引見無線網(wǎng)關的硬件構造。網(wǎng)關擔任無線傳感網(wǎng)絡的控制和維護，完成信息的融合處置，他銜接傳感器網(wǎng)絡與GPRS網(wǎng)絡，完成兩種通訊協(xié)議的轉換，同時揭曉監(jiān)測終端的職務，并把搜集到的數(shù)據(jù)議決GPRS網(wǎng)絡傳到遠程監(jiān)控中心，構造框圖如圖4所示。

　網(wǎng)關采用華為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，支持語音業(yè)務、短音訊業(yè)務、GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務和電路型數(shù)據(jù)業(yè)務。CC2530是 ZigBee新一代SoC芯片，擁有多達256 B的快閃記憶體，準許芯片無線下載，支持系統(tǒng)編程，提供了101 dB的鏈路質量，優(yōu)秀的接納器靈敏度和強健的抗攪擾性。此外，CC2530結合了一個完全集成的，高功用的RF收發(fā)器與一個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集---包含2個USART、12位ADC和21個通用GPIO(General Purpose Input Output，通用輸進輸出)。遠程監(jiān)控中心的PC端軟件用Delphi設計維護界面，樹立相應的數(shù)據(jù)庫，完成對土壤墑情的查詢、維護、打印以及議決 GPRS網(wǎng)絡傳遞控制命令與土壤溫濕度信息。

3 軟件設計

　　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)關和監(jiān)控中心之間傳送。傳感節(jié)點翻開電源，原始化、樹立鏈接后進入休眠形態(tài)。當無線網(wǎng)關接到中綴央求時觸發(fā)中綴，經(jīng)歷路由節(jié)點激活傳感節(jié)點，發(fā)送或接納信息包，處置終了后繼續(xù)進入休眠形態(tài)，等候有央求時再次激活。在同一個信道中只需兩個節(jié)點能夠通訊，議決競爭機制來獲取信道。每個節(jié)點周期性睡眠和監(jiān)聽信道，假設信道空閑則自動搶占信道，假設信道忙碌則依據(jù)退避算法退避一段時間后重新監(jiān)聽信道形態(tài)。在順序設計中首要采集中綴的辦法完成信息的接納和發(fā)送。

4 結 語

　　本文設計的基于無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，使用低本錢、低功耗的ZigBee無線通訊技術，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灌溉，不但能有效處置農業(yè)灌溉用水使用率低的疑問，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環(huán)境，充沛發(fā)揚現(xiàn)有節(jié)水配備的作用，優(yōu)化調度，提高效益，使灌溉愈加迷信、簡約，提高維護水平。本系統(tǒng)操還支持對有關參數(shù)的人工修正和遠程控制，適用于多種作物，能添加農作物的產(chǎn)量，降低農產(chǎn)品的灌溉本錢，提高灌溉質量，具有很大的推行價值。此外，配置不一樣的傳感器，該系統(tǒng)能夠構成不一樣功用的監(jiān)控網(wǎng)絡。