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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)三種拓撲結(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，負責(zé)網(wǎng)絡(luò)的自動建立和維護,、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*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)傳給遠程監(jiān)控中心,，便于用戶遠程監(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)確采集是進行農(nóng)田的節(jié)水灌溉,、*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*行I／U轉(zhuǎn)換,，然后進行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（）,、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，這里只詳細介紹無線網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu),。網(wǎng)關(guān)負責(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,，的接收器靈敏度和健壯的抗干擾性。此外,，CC2530結(jié)合了一個*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),。
（來源：網(wǎng)絡(luò)，版權(quán)歸原作者）
