基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能灌溉系統(tǒng)研究

1 引 言

世界各國越來越認(rèn)識(shí)到水已成為21世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵問題。中國水資源已處于相當(dāng)緊缺的程度，加上全國90％的廢、污水未經(jīng)處理或處理未達(dá)標(biāo)就直接排放的水污染，11%的河流水質(zhì)低于農(nóng)田供水標(biāo)準(zhǔn)。水是農(nóng)業(yè)的命脈，是生態(tài)環(huán)境的控制性要素，同時(shí)又是戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)資源，因此采用水泵抽取地下水灌溉農(nóng)田，實(shí)現(xiàn)水資源合理利用，發(fā)展節(jié)水供水，改善生態(tài)環(huán)境，是我國目前精確農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵。

采用節(jié)水和節(jié)能的灌水方法是當(dāng)今世界供水技術(shù)發(fā)展的總趨勢。智能供水系統(tǒng)在國外發(fā)達(dá)國家推廣得比較快，技術(shù)發(fā)展也比較成熟，起步也比較早，特別是以色列、美國和加拿大等國，先進(jìn)的電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)運(yùn)用到了農(nóng)業(yè)供水中，大大提高了用水效率和生產(chǎn)力。而隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，節(jié)水供水系統(tǒng)發(fā)展得很快，但大多停留在單片機(jī)控制為核心技術(shù)基礎(chǔ)上，與國外發(fā)達(dá)國家有一定的差距。

農(nóng)田供水的任務(wù)是適時(shí)適量地將水自水源送至農(nóng)田，滿足作物生長的需要。供水從天然狀態(tài)到被作物吸收最終形成產(chǎn)量可歸結(jié)為以下三大環(huán)節(jié)：

(1)通過供水取、輸、配水系統(tǒng)將水引至田間；

(2)然后以適當(dāng)?shù)墓嗨夹g(shù)將水變成可供作物吸收的土壤水；

(3)作物根系自土壤中吸收水分(包括養(yǎng)分)，經(jīng)過光合作用將輻射能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能最后形成干物質(zhì)(碳水化合物)。

前兩個(gè)環(huán)節(jié)可依靠一系列工程技術(shù)和管理措施來實(shí)現(xiàn)。節(jié)水供水增產(chǎn)的目標(biāo)應(yīng)是極大地提高上述兩個(gè)環(huán)節(jié)中水的轉(zhuǎn)化及產(chǎn)出效率。本設(shè)計(jì)論文是針對第一個(gè)環(huán)節(jié)而研究設(shè)計(jì)的。如果再根據(jù)作物農(nóng)田實(shí)際情況結(jié)合滴灌、噴灑、施肥、除害等技術(shù)合理運(yùn)用，我國農(nóng)業(yè)的前景將非常樂觀。

2 系統(tǒng)工作原理與硬件結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)工作原理

本文研究單片機(jī)系統(tǒng)通過多個(gè)傳感器對濕度、溫度、降雨量、酸堿度、水分蒸發(fā)量(風(fēng)速)和空氣溫度等多種信息的采集來實(shí)現(xiàn)對農(nóng)田的精確自動(dòng)灌溉控制，輸出A的信號(hào)信息通過無線全雙工數(shù)傳收發(fā)模塊傳送給控制中心(嵌入式系統(tǒng))來確定是否啟動(dòng)水泵為農(nóng)田供水，同時(shí)將此供水與否信息由GPRS通信通過Internet傳送到遠(yuǎn)方控制中心實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，并通過計(jì)算機(jī)中的一些模型來處理信息，作出供水計(jì)劃。

2.2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由兩個(gè)子系統(tǒng)組成，其一為控制中心：一個(gè)控制主機(jī)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成。其二是遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)：GPRS通信模塊、Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸與監(jiān)控中心主機(jī)。圖1是系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)簡圖，圖中的無線通訊模塊結(jié)構(gòu)完全相同?？刂浦鳈C(jī)由基于MiniARM嵌入式微控制器的開發(fā)平臺(tái)和無線通訊模塊組成。主機(jī)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成星型拓?fù)錈o線網(wǎng)絡(luò)；遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)由GPRS模塊Mini-WG23實(shí)現(xiàn)Internet接入(本系統(tǒng)可以擴(kuò)展，使GPRS通信網(wǎng)絡(luò)成星型拓?fù)浣尤?后傳到遠(yuǎn)程控制中心。

2.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型(如圖1所示)是不同于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)，通過在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)隨意布撤大量傳感器節(jié)點(diǎn)(簡稱節(jié)點(diǎn))，由各節(jié)點(diǎn)自行協(xié)調(diào)并迅速組建通信網(wǎng)絡(luò)，在能量利用率優(yōu)先考慮原則下進(jìn)行工作任務(wù)劃分以獲取監(jiān)視區(qū)域信息。網(wǎng)絡(luò)的自組織特性體現(xiàn)在當(dāng)節(jié)點(diǎn)失效或新節(jié)點(diǎn)加入時(shí)網(wǎng)絡(luò)能夠自適應(yīng)重新組建，以調(diào)整全局的探測精度，充分發(fā)揮資源優(yōu)勢，即網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)除具備數(shù)據(jù)采集功能外兼有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)多跳的路由功能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)馥類節(jié)點(diǎn)的組成一般都由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和電源這四部分組成。其中每一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)都是一樣。本設(shè)計(jì)的研究設(shè)計(jì)方案是只針對一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的。被監(jiān)測物理信號(hào)的形式?jīng)Q定了傳感器的類型。處理器通常選用嵌入式CPU，如MOTOROLA公司的68HC16、C51系列單片機(jī)等。數(shù)據(jù)傳輸單元可以選擇由低功耗、短距離的無線通信模塊組成，但考慮防盜與自然損壞，本系統(tǒng)選擇功耗較大、傳輸距離較遠(yuǎn)的SA68D21DL，農(nóng)民可以在辦公室或家中安放主控制器。圖2描述了節(jié)點(diǎn)的組成，其中，箭頭的方向表示數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)中的流動(dòng)方向。

2.4 無線通信模塊選擇