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

1、基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)摘要:為進(jìn)步灌溉用水利用率,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)合的體系構(gòu)造,基于2530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)律施行精準(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)自動化的程度普遍較低的現(xiàn)狀。關(guān)鍵詞:zigbee;無線傳感器;節(jié)水灌溉;墑情監(jiān)測中圖分類號:tp212文獻(xiàn)標(biāo)識碼:a文章編號:1004-373x(2021)01

2、-204-03ater-savingirrigatinntrlsystebasednirelesssensrnetrkgajun,fengguangyin,huangaiei(qinhuangdabranh,nrtheasternuniversity,qinhuangda,066004,hina)abstrat:inrdertiprvetheutilizatinfirrigatinater,andeasethegringtensinfaternflits,aater-savingirrigatinntrlsysteisintrdued,hihintegratesthezigbeeireless

3、sensrnetrktehnlgyandgprsnetrk,designsirelessndesbasedn2530.thesyste,hihisntrlledbysinglehipirputerhasfurajrpnents:irelesssensrndes,irelessrutingndes,irelessgateaysandntrlenters.itanbereal-tieni-tringfsilteperatureandhuidityhanges,anditisbasednsilistureandrpaterlafrpreisinirrigatin.thesysteautatially

4、ntrlsaterbasednrpirrigatinater,hihanhelptiprvetheutilizatinratefagriulturalirrigatinaterandthellevelfautatinfirrigatinsystes.keyrds:zigbee;irelesssensr;ater-savingirrigatin;silisturenitring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%1。長期以來,由于技術(shù)、管理程度落后,導(dǎo)致灌溉用水浪費非常嚴(yán)重,農(nóng)業(yè)灌溉用水的利

5、用率僅40%2,3。假如根據(jù)監(jiān)測土壤墑情信息,實時控制灌溉時機(jī)和水量,可以有效進(jìn)步用水效率4,5。而人工定時測量墑情,不但消耗大量人力,而且做不到實時監(jiān)控;采用有線測控系統(tǒng),那么需要較高的布線本錢,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6,從而防止了布線的不便、靈敏性較差的缺點,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,既進(jìn)步灌溉用水利用率,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

6、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、低本錢、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)接入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(fullfuntindevie,ffd)和簡化功能設(shè)備(reduefuntindevie,rfd)兩種7。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)錁?gòu)造8。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)點和假設(shè)干的土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點。監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)采用星型構(gòu)造,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

7、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)聚集;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)展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)體系構(gòu)造該系統(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)展墑情及控制信息的傳遞9。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)

8、的濕度上下限進(jìn)展分析,判斷是否需要灌溉及何時停頓。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)10。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)路由算法選擇最正確路由,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6。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

9、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)展農(nóng)田的節(jié)水灌溉、最優(yōu)調(diào)控的根底和保證,對于節(jié)水技術(shù)有效的施行具有關(guān)鍵性的作用11。本系統(tǒng)傳感器節(jié)點硬件構(gòu)造如圖2所示。圖2傳感器節(jié)點硬件構(gòu)造圖系統(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0100%,在050%范圍內(nèi)精度為2%。溫濕度傳感器輸出信號是420a的標(biāo)準(zhǔn)電流環(huán),在主控制器電路上先進(jìn)展i/u轉(zhuǎn)換,然后進(jìn)展a/d

10、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rv420jp芯片,該芯片集成電阻網(wǎng)絡(luò)、運算放大器和標(biāo)準(zhǔn)的10v基準(zhǔn)電壓源,可以將420a的電流環(huán)轉(zhuǎn)換成05v的電壓輸出。信號調(diào)理電路如圖3所示。a/d轉(zhuǎn)換器那么采用低功耗射頻集成電路2530內(nèi)部的ad轉(zhuǎn)換器12,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)展a/d轉(zhuǎn)換。圖3信號調(diào)理電路圖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的根底上。zigbee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò),有2.4ghz(全球)、915hz(

11、美國)及868hz(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2.4ghz,傳輸速率為250kb/s,該頻段在大多數(shù)國家都無需申請答應(yīng)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2530芯片,在構(gòu)造上也有一定的一致性,這里只詳細(xì)介紹無線網(wǎng)關(guān)的硬件構(gòu)造。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)信息的交融處理,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),并把搜集到的數(shù)據(jù)通過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。圖4無線網(wǎng)關(guān)硬件構(gòu)造圖網(wǎng)關(guān)采用華為gprs通信模塊gt900和ti公司的zi

12、gbee射頻芯片模塊2530。gt900gprs模塊支持gs900/1800雙頻,提供電源接口、模擬音頻接口、標(biāo)準(zhǔn)si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)。2530是zigbee新一代s芯片,擁有多達(dá)256b的快閃記憶體,允許芯片無線下載,支持系統(tǒng)編程,提供了101db的鏈路質(zhì)量,優(yōu)秀的接收器靈敏度和強(qiáng)健的抗干擾性。此外,2530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,8kb的ra,32/64/128/256kb閃存,以及一套廣泛的外設(shè)集包括2個usart、12位ad和21個通用gpi(generalpurpseinputut

13、put,通用輸入輸出)。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)點翻開電源,初始化、建立鏈接后進(jìn)入休眠狀態(tài)。當(dāng)無線網(wǎng)關(guān)接到中斷懇求時觸發(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),等待有懇求時再次激活。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,假如信道空閑那么主動搶占信道,假如信道繁忙那么根據(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。傳感器節(jié)點程序流程圖如圖5所示。圖5傳感器節(jié)點程序流程圖遠(yuǎn)

14、程監(jiān)控中心的p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。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)用低本錢、低功耗的zigbee無線通信技術(shù),防止了布線的不便,進(jìn)步了節(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,根據(jù)土壤墑情和作物用水規(guī)律施行精準(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,進(jìn)步效益,使灌溉更加科學(xué)、方便,進(jìn)步管理程度。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

15、,適用于多種作物,能增加農(nóng)作物的產(chǎn)量,降低農(nóng)產(chǎn)品的灌溉本錢,進(jìn)步灌溉質(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)。編輯整理參考文獻(xiàn)1徐澤珍.我國水資源現(xiàn)狀與節(jié)水技術(shù)j.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2021(16):337.2sareyunghanj.ahadkhalilian,etal.in-struentatinfrvariable-ratelateralirrigatinsystea.2022asaeannualinternatinaleeting.flrida,2022,7:17-20.3鄭懷文,俞國勝,劉靜,等.節(jié)水灌溉技術(shù)研究現(xiàn)狀j.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,202

16、2(34):7-10.4蔡甲冰,劉鈺,雷廷武,等.精量灌溉決策定量指標(biāo)研究現(xiàn)狀與進(jìn)展j.水科學(xué)進(jìn)展,2022,15(4):531-535.5孟將來,楊大全.zigbee網(wǎng)絡(luò)在我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用展望j.遼寧農(nóng)業(yè)科學(xué),2022(3):67-68.6管金鳳,陸鵬,劉賀,等.基于zigbee的傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的研究j.科技資訊,2021(25):3-4.7武風(fēng)波,強(qiáng)云霄.基于zigbee技術(shù)的遠(yuǎn)程無線溫濕度測控系統(tǒng)的設(shè)計j.西北大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2021,38(5):731-734.8劉瑞強(qiáng),馮長安.基于zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)j.遙測遙控,2022(9):12-13.9lan-anstandardsitteeftheieeeputersiety.irelessediuaessntrl(