基于無(wú)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(wú)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(jì)無(wú)線節(jié)點(diǎn),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(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)、無(wú)線路由節(jié)點(diǎn)、無(wú)線網(wǎng)關(guān)、監(jiān)控中心四部分組成,能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤溫濕變化,根據(jù)土壤墑情和作物用水規(guī)律實(shí)施精準(zhǔn)灌溉。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了節(jié)水灌溉的自動(dòng)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(dòng)化的水平普遍較低的現(xiàn)狀。
關(guān)鍵詞:ZigBee;無(wú)線傳感器;節(jié)水灌溉;墑情監(jiān)測(cè)
農(nóng)業(yè)灌溉是我國(guó)的用水大戶,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,損失糧食占全國(guó)因?yàn)?zāi)減產(chǎn)糧食的50%50%。長(zhǎng)期以來(lái),由于技術(shù)、管理水平落后,導(dǎo)致灌溉用水浪費(fèi)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(cè)土壤墑情信息,實(shí)時(shí)控制灌溉時(shí)機(jī)和水量,可以有效提高用水效率。而人工定時(shí)測(cè)量墑情,不但耗費(fèi)大量人力,而且做不到實(shí)時(shí)監(jiān)控;采用有線測(cè)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(lái)不便。因此,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)主要由低功耗無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)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(diǎn),實(shí)現(xiàn)土壤墑情的連續(xù)在線監(jiān)測(cè),農(nóng)田節(jié)水灌溉的自動(dòng)化控制,既提高灌溉用水利用率,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)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(wú)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(jiǎn)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(gè)ZigBee監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò),負(fù)責(zé)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)采用星型結(jié)構(gòu),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(dòng)建立和維護(hù)、數(shù)據(jù)匯集;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)功能,無(wú)線網(wǎng)關(guān)一直處于監(jiān)聽(tīng)狀態(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)現(xiàn),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)進(jìn)行編址并計(jì)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(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)控中心四大部分組成,通過(guò)ZigBee自組網(wǎng),監(jiān)控中心、無(wú)線網(wǎng)關(guān)之間通過(guò)GPRS進(jìn)行墑情及控制信息的傳遞。每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)通過(guò)溫濕度傳感器,自動(dòng)采集墑情信息,并結(jié)合預(yù)設(shè)的濕度上下限進(jìn)行分析,判斷是否需要灌溉及何時(shí)停止。每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)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)入睡眠狀態(tài)直到電量充足。其中無(wú)線網(wǎng)關(guān)連接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)的核心部分,負(fù)責(zé)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的管理。傳感器節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)自主形成一個(gè)多跳的網(wǎng)絡(luò)。溫濕度傳感器分布于監(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)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(guò)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(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(duì)于節(jié)水技術(shù)有效的實(shí)施具有關(guān)鍵性的作用。本系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)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(cè)量于一體,具有密封、防水、精度高的特點(diǎn),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(hào)后通過(guò)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。
評(píng)論