基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能灌溉系統(tǒng)研究

摘 要：針對(duì)我國(guó)水資源緊缺以及農(nóng)田節(jié)水灌溉的需求，根據(jù)現(xiàn)有的農(nóng)田灌溉裝備條件，應(yīng)用領(lǐng)域作物、土壤、水源布點(diǎn)等情況，分析了目前實(shí)現(xiàn)精確農(nóng)業(yè)亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題，提出一套采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、適合大面積農(nóng)田智能灌溉控制方法。分析結(jié)果表明，該系統(tǒng)通過無線傳感技術(shù)完成智能化灌溉，可很好地實(shí)現(xiàn)節(jié)水。且該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：無線通信集成電路；傳感器網(wǎng)絡(luò)；遠(yuǎn)程監(jiān)控；智能灌溉

中圖分類號(hào)：TN915 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004373X(2008)1509404

Research for Intelligent Irrigation System Based on Wireless Sensor Network

WANG Ji，SHEN Yuli，ZHOU Wenjing

(School of Information，Guangdong Ocean University，Zhanjiang，524088，China)

Abstract：In view of fact of the scarce water resources and the saving water irrigation in our country，according to the existing irrigation equipment condition and the status of domain crops，soil，water source stationing，and so on，the paper analyzes the key techniques awaited urgently to be solved to realize the precise agriculture and proposes a new control method for the big area farmland intelligence irrigation by applying the wireless sensor technique. The designed system finished intelligent irrigation by wireless sensor mode to save the water effectively. The presented method shows stabilization and application value.

Keywords：wireless communication integrated circuit;sensor network;long-distance monitoring;intelligence irrigation

1 引 言

世界各國(guó)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(guó)水資源已處于相當(dāng)緊缺的程度，加上全國(guó)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(guó)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(shì)。智能供水系統(tǒng)在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)和加拿大等國(guó)，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(guó)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(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)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(zhǎng)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(duì)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(guó)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(duì)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(duì)農(nóng)田的精確自動(dòng)灌溉控制，輸出的信號(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(jiǎn)圖，圖中的無線通訊模塊結(jié)構(gòu)完全相同。控制主機(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(cè)區(qū)域內(nèi)隨意布撒大量傳感器節(jié)點(diǎn)(簡(jiǎn)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(cè)精度，充分發(fā)揮資源優(yōu)勢(shì)，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)每類節(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^［4］。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(duì)一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的。被監(jiān)測(cè)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

對(duì)于移動(dòng)或便攜式數(shù)據(jù)采集測(cè)控系統(tǒng)而言，采用無線數(shù)據(jù)傳輸是一種較好的選擇方案。由北京捷麥通信器材有限公司生產(chǎn)的SA68D21DL無線數(shù)據(jù)報(bào)警收發(fā)模塊就是一款可在微機(jī)與微機(jī)之間，或微機(jī)與單片機(jī)之間進(jìn)行全雙工遠(yuǎn)距離無線通信的收發(fā)模塊。該模塊還可組成最多65535點(diǎn)的單發(fā)多收或多發(fā)單收形式無線局域網(wǎng)。其上位機(jī)硬件接線電路如圖3所示。

2.5 電源

在該系統(tǒng)中，SA68D21DL為較高電壓器件，電壓要求為6 V，為了與之接口，AT89S51也工作在6 V(AT89C2051是寬電壓器件)電壓下。該系統(tǒng)用＋6 V電源供電，可以通過支流穩(wěn)壓電源得到，考慮干擾與系統(tǒng)穩(wěn)定，建議用干電池供電。

3 主控系統(tǒng)

在該系統(tǒng)中，控制主機(jī)作為連接Internet網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)。其硬件采用致遠(yuǎn)電子公司MiniARM嵌入式工控模塊。MiniISA系列采集板卡采用智能型板卡結(jié)構(gòu)，即在板卡上內(nèi)置MCU。板載MCU對(duì)板卡上I/O端口進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)I/O數(shù)據(jù)的緩存，從而降低板卡對(duì)于MiniISA接口主機(jī)的依賴，節(jié)省主機(jī)處理數(shù)據(jù)的時(shí)間，保證MiniISA系統(tǒng)更加高效的運(yùn)行。此外板載MCU可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)或者輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的處理。系統(tǒng)電路圖如圖4所示。

3.1 MiniISA-8016A數(shù)字量輸入繼電器輸出板卡

MiniISA-8016A是一款用于MiniISA總線的繼電器輸出和隔離數(shù)字量輸入卡，該卡提供8路隔離數(shù)字量輸入，在噪聲環(huán)境下為采集數(shù)字量提供1 500 VDC的隔離保護(hù)；它帶有8個(gè)繼電器，可以用作開/關(guān)控制設(shè)備或小型電力開關(guān)；此外它還帶有2個(gè)可由用戶自定義的隔離脈寬調(diào)制PWM輸出。

3.2 MiniISA-GMT05001人機(jī)界面板卡

MiniISA-GMT05001是一款基于MiniISA總線的人機(jī)界面板卡，適用于任何具有MiniISA總線主控電路的底板上。

采用5.7英寸、分辨率為320×240的單色屏，支持觸摸屏操作功能，提供了六個(gè)按鍵輸入。通過操作MiniISA總線完成相應(yīng)的顯示和按鍵功能。

3.3 MiniISA GPRS無線數(shù)傳設(shè)備MiniISA-WG23

MiniISA-WG23是基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的智能型無線數(shù)傳設(shè)備(DTU)，具有MiniISA并行接口，能夠方便地嵌入到用戶的設(shè)備中，提供透明的數(shù)據(jù)傳輸功能，可以方便地實(shí)現(xiàn)無線的數(shù)據(jù)傳輸。

4 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)GPRS通信系統(tǒng)、GPRS與Internet網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)、監(jiān)控中心主機(jī)友好界面顯示控制系統(tǒng)。這一部分硬件部分可以應(yīng)用現(xiàn)有的移動(dòng)公司與電信等互聯(lián)網(wǎng)資源，軟件考慮成本和專業(yè)功能可以自主開發(fā)，建議應(yīng)用現(xiàn)有遠(yuǎn)程軟件，如《波爾遠(yuǎn)程控制》軟件、湖南省遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備有限公司的RC-2000可視化遠(yuǎn)程控制軟件系統(tǒng)。

5 水泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

考慮強(qiáng)電弱電隔離作用，水泵供電系統(tǒng)可以考慮與整個(gè)系統(tǒng)分開設(shè)計(jì)。利用系統(tǒng)板上的繼電器控制電機(jī)電源即可實(shí)現(xiàn)，電路如圖5所示。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括兩大部分：傳感器網(wǎng)絡(luò)接點(diǎn)系統(tǒng)程序與主機(jī)控制系統(tǒng)程序。

6.1 采集系統(tǒng)程序

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)程序由主程序、數(shù)據(jù)采集子程序、與上位機(jī)通信的子程序等部分組成。這里介紹主程序的設(shè)計(jì)框圖。

6.2 通信協(xié)議研究

上位PC機(jī)作為控制中心必須具備網(wǎng)絡(luò)喚醒、數(shù)據(jù)處理、路由維護(hù)功能。C++ Builder、Delphi和微軟的Visual Basic都是可選的快速開發(fā)工具。上層軟件功能由Delphi實(shí)現(xiàn)，考慮到點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的可靠性，數(shù)據(jù)在底層無線傳輸中需要增加必要的協(xié)議規(guī)范。設(shè)計(jì)中對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，格式為： 前導(dǎo)碼、地址、有效數(shù)據(jù)載荷、校驗(yàn)碼。

6.2.1 串口通信格式

上位機(jī)與模塊間的通信是通過異步串口來完成的。異步串口采用標(biāo)準(zhǔn)的串口格式，即１個(gè)起始位、８?jìng)€(gè)數(shù)據(jù)位和１個(gè)停止位，傳輸速率為1 200 b/s。上位機(jī)與模塊間的通信內(nèi)容有兩類，一類是數(shù)據(jù)，一類是命令。

6.2.2 數(shù)據(jù)及命令的區(qū)分

當(dāng)上位機(jī)向模塊傳送信息時(shí)， ＤＴＲ端的功能是指示串口信息的性質(zhì)。若串口信息為命令，ＤＴＲ端應(yīng)置為邏輯“０”，若串口信息為數(shù)據(jù)，則ＤＴＲ端應(yīng)置為邏輯“1”。

當(dāng)模塊向上位機(jī)傳送信息時(shí)，ＤＳＲ端可用來指示串口信息的性質(zhì)，若串口信息為命令，ＤＳＲ端為邏輯“０”，若串口信息為數(shù)據(jù)，ＤＳＲ端為邏輯“１”。當(dāng)模塊串口無數(shù)據(jù)發(fā)出時(shí)，ＤＳＲ端的功能可指示模塊是否可以接收上位機(jī)的信息，當(dāng)模塊準(zhǔn)備好，可以接收上位機(jī)的信息時(shí)，此端為邏輯“０”；當(dāng)模塊不能接收計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)時(shí)，此端為邏輯“１”。

6.2.3 命令和數(shù)據(jù)傳送格式

ＳＡ６８Ｄ２１ＤＬ的命令傳送格式為：

D7H 命令碼H 參數(shù)H

其中，D7H為命令碼的特征碼，即字頭。命令碼為一字節(jié)長(zhǎng)度，代表命令的性質(zhì)。不同的命令碼有不同的參數(shù)，模塊在收到命令后，將根據(jù)命令碼的不同，分析參數(shù)并執(zhí)行命令。對(duì)于有些需要發(fā)送信令的命令，模塊將根據(jù)命令的性質(zhì)來發(fā)送相應(yīng)的信令。當(dāng)ＳＡ６８Ｄ２１ＤＬ在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí)，不論是上位機(jī)傳給模塊，還是模塊傳給上位機(jī)的數(shù)據(jù)，都采用無格式傳送方式。

基于農(nóng)田實(shí)際工程，采用平面路由協(xié)議DD(Directed Diffusion)定向擴(kuò)散路由是一種以數(shù)據(jù)為中心的信息傳播協(xié)議，與已有的路由算法有著截然不同的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，運(yùn)行DD的傳感器節(jié)點(diǎn)使用基于屬性的命名機(jī)制來描述數(shù)據(jù)，并通過向所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送對(duì)某個(gè)命名數(shù)據(jù)的INTEREST (任務(wù)描述符)來完成數(shù)據(jù)收集。在傳播INTEREST的過程中，指定范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)利用緩存機(jī)制動(dòng)態(tài)維護(hù)接收數(shù)據(jù)的屬性及指向信息源的梯度矢量等信息，同時(shí)激活傳感器來采集與該INTEREST相匹配的信息。節(jié)點(diǎn)對(duì)采集的信息進(jìn)行簡(jiǎn)單的預(yù)處理后，利用本地化規(guī)則和加強(qiáng)算法建立一條到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的最佳路徑。

6.3 主控軟件程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用分層設(shè)計(jì)，包括硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)層、應(yīng)用程序接口層和應(yīng)用軟件層。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。操作系統(tǒng)選擇小型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II是基于以下考慮：廣州致遠(yuǎn)公司MiniARM嵌入式工控模塊提供正版μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)在內(nèi)的豐富軟件資源，完整的軟硬件架構(gòu)只需專注于編寫產(chǎn)品的應(yīng)用程序。幾行代碼即可實(shí)現(xiàn)TCP/IP通信、CAN-BUS現(xiàn)場(chǎng)總線通信、USB通信和大容量存儲(chǔ)等復(fù)雜功能，使嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔方便。TCP/IP協(xié)議分為4層：鏈路層(ARP協(xié)議)、網(wǎng)絡(luò)層(IP協(xié)議、ICMP協(xié)議)、傳輸層(TCP協(xié)議、UDP協(xié)議)、應(yīng)用層(HTTP協(xié)議)。本系統(tǒng)的TCP/IP協(xié)議棧選擇UIP1.0。

7 結(jié) 語

本文研究了基于嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計(jì)出來的智能廣域農(nóng)田供水系統(tǒng)，當(dāng)檢測(cè)到農(nóng)田缺水信息時(shí)能夠通過自動(dòng)控制繼電器來啟動(dòng)供水水泵，而且實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程GPRS通信，可以通過PC機(jī)來了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀況并可對(duì)其控制，能夠自動(dòng)采集土壤信息來自行確定是否啟動(dòng)水泵為農(nóng)田供水，這正符合我國(guó)農(nóng)村的基本國(guó)情。

本系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，對(duì)系統(tǒng)改造一下，可以設(shè)計(jì)成庭院自動(dòng)供水系統(tǒng)、溫室自動(dòng)供水系統(tǒng)和花園自動(dòng)供水系統(tǒng)等，故本系統(tǒng)的可擴(kuò)展性比較好，前景比較廣闊。

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作者簡(jiǎn)介 王 驥 男，1972年出生，遼寧人，講師。研究方向?yàn)橄到y(tǒng)仿真。

沈玉利 男，1955年出生，山東人，教授，博士，研究生導(dǎo)師。研究領(lǐng)域?yàn)槟Ｊ阶R(shí)別，系統(tǒng)仿真等。