基于ZigBee和GPRS的遠程果園智能灌溉系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

張觀山，束懷瑞，高東升，侯加林，3*

(1.農(nóng)業(yè)大學機械與電子工程學院，山東泰安 271018;2.國家蘋果工程技術(shù)研究中心，山東泰安 271018 3.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東泰安 271018)

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設計

系統(tǒng)分四個子系統(tǒng):ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡、GPRS遠程數(shù)據(jù)傳輸、Internet數(shù)據(jù)服務器、客戶端，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡由多個ZigBee無線節(jié)點匯集而成，無線節(jié)點定時通過土壤水分傳感器采集土壤中水分含量，與設定的閥值進行比較得出相應的控制指令，開啟或關(guān)閉電磁閥實現(xiàn)自動澆灌。同時單片機把采集的數(shù)據(jù)通過CC2430實現(xiàn)ZigBee無線網(wǎng)絡傳送到GPRS數(shù)據(jù)終端。

GPRS遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由內(nèi)置工業(yè)級GPRS無線模塊并帶有標準RS232/485數(shù)據(jù)接口的GPRS DTU組成。GPRS無線模塊負責把數(shù)據(jù)打包上傳給服務器，在服務器端運行的mServer控制臺應用程序負責把GPRS數(shù)據(jù)進行解析并把數(shù)據(jù)影射到服務器的虛擬串口。服務器運行的應用程序獲取到虛擬串口的數(shù)據(jù)，儲存到SQL數(shù)據(jù)庫中。

Internet服務器網(wǎng)絡架構(gòu)在Widows Server 2003操作系統(tǒng)上，Internet數(shù)據(jù)服務器動態(tài)網(wǎng)頁由VS2003和Microsoft.Net3.0編寫，并有SQL Server2000數(shù)據(jù)庫支持，進程之間的通信運用了Stock套接字，實現(xiàn)客戶端與服務器的數(shù)據(jù)交互。用戶可以方便的通過IE瀏覽GPRS傳輸?shù)倪h程數(shù)據(jù)，并且也能通過瀏覽器發(fā)送控制命令到服務器，實現(xiàn)對果園土壤水分含量的遠程監(jiān)控與管理。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 The System structure

圖2 無線傳感器子節(jié)點設計硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Sub－structure of wireless sensor node hardwar

2 無線傳感器網(wǎng)絡設計

2.1 ZigBee技術(shù)及特點

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復雜度、低功耗、低成本的雙向無線通信技術(shù)，工作在國際授權(quán)的2.4G、歐洲868MHz和美國915MHz三個免費頻段［3］。ZigBee以一個個獨立的工作節(jié)點為依托，通過無線通信組成星狀、串狀或網(wǎng)狀網(wǎng)絡，因此每個節(jié)點的功能并非都相同。系統(tǒng)采用內(nèi)置ZigBee協(xié)議的CC2430 Zig-Bee模塊，實現(xiàn)自動組網(wǎng)和信息的無線路由，通過SPI總線與CC2430進行數(shù)據(jù)交換［4］。

2.2 無線傳感器子節(jié)點設計

每個ZigBee無線節(jié)點由單片機、土壤水分傳感器、零壓啟動電磁閥、CC2430組成，結(jié)構(gòu)如圖2。

單片機采用美國ATMEL公司生產(chǎn)的ATmega128產(chǎn)品作為主控芯片。ATmega128是基于AVR RISC結(jié)構(gòu)的8位低功耗CMOS微處理器，具有快速、靈活、集成度高，加密性強和易實現(xiàn)等諸多優(yōu)點。它是連接傳感器與無線網(wǎng)絡的紐帶，它定時采集土壤水分數(shù)據(jù)并與設定閥值進行比較，判斷出該地的干旱情況，通過控制零壓啟動電磁閥實現(xiàn)相應的灌溉控制。同時它通過SIP總線向CC2430發(fā)送采集數(shù)據(jù)。

土壤水分傳感器選用北京智海電子儀器廠生產(chǎn)的SWR－3型，具有測量精度高、響應速度快、互換性好、價格低廉等特點。其工作電壓為10～30 V，響應時間小于1秒，在0～50%(m3/m3)范圍內(nèi)的精度為±2%(m3/m3)［6］，輸出信號電壓0～2.5 V，通過單片機AD口讀出當前土壤水分含量。灌溉系統(tǒng)通過零壓啟動電磁閥實現(xiàn)，當電磁閥接通時啟動水泵實現(xiàn)滴灌。

2.3 無線傳感器節(jié)點信息采集流程

無線傳感器節(jié)點信息采集流程如圖3所示，系統(tǒng)上電后先進行ZigBee模塊和系統(tǒng)的初始化，讀出當前系統(tǒng)的運行模式、采集時間和上下限，啟動定時器。采集當前土壤中水分信息，與設定值進行比較結(jié)合現(xiàn)在系統(tǒng)所處的工作模式執(zhí)行相應的操作命令。同時這些數(shù)據(jù)通過SPI總線傳送到CC2430模塊，該模塊經(jīng)過ZigBee無線網(wǎng)絡層層路由到GPRS數(shù)據(jù)終端。

圖3 無線傳感器節(jié)點采集信息流程圖 Fig.3 The flow chart of wireless sensor nodes Collectioned of information

圖4 GPRS數(shù)據(jù)通信組成結(jié)構(gòu)Fig.4 GPRS data communication composition

2.4 GPRS 數(shù)據(jù)終端

GPRS數(shù)據(jù)終端包括:CC2430模塊和GPRS DTU。GPRS DTU模塊采用北科驛唐公司生產(chǎn)的609G高性能GPRS DTU。MD－609G基于ARM平臺、嵌入式操作系統(tǒng)，內(nèi)置工業(yè)級GPRS無線模塊;提供標準RS232/485數(shù)據(jù)接口;支持多點到多中心應用。它具有高穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)無線數(shù)據(jù)實時傳輸，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，具有高傳輸速率、永遠在線的特點［5］。

CC2430模塊接收無線傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，通過串口與GPRS DTU進行數(shù)據(jù)交互。當GPRS DTU接收到數(shù)據(jù)信息后，按照GPRS數(shù)據(jù)格式進行信息打包，上傳到Internet數(shù)據(jù)服務器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。同時接收來自數(shù)據(jù)服務器的控制指令，由CC2430模塊發(fā)送給各個無線傳感器節(jié)點。圖4為GPRS數(shù)據(jù)通信組成結(jié)構(gòu)。

3 服務器GPRS數(shù)據(jù)接收與Internet動態(tài)網(wǎng)頁開發(fā)

3.1 無線數(shù)據(jù)傳輸與服務器軟件設計

服務器軟件分兩部分:mSever控制臺和數(shù)據(jù)存儲后臺。mSever控制臺即無線通信服務軟件，是無線數(shù)據(jù)終端與用戶控制端進行連接的樞紐，也是它們之間相互通信的橋梁。無線數(shù)據(jù)終端通過GPRS網(wǎng)絡和互連網(wǎng)連接到mSever控制臺。

數(shù)據(jù)后臺程序首先完成系統(tǒng)的初始化然后開始監(jiān)聽虛擬串口中的數(shù)據(jù)和檢測SQL儲存的命令數(shù)據(jù)。當接收完一個完整的數(shù)據(jù)包，程序首先進行數(shù)據(jù)校驗，校驗通過將其存入SQL數(shù)據(jù)庫中，如果數(shù)據(jù)有異常就回復數(shù)據(jù)重發(fā)命令。命令數(shù)據(jù)通過SQL數(shù)據(jù)庫進行傳遞，數(shù)據(jù)后臺程序定時檢測SQL狀態(tài)數(shù)據(jù)的變化，如有新的數(shù)據(jù)就把數(shù)據(jù)進行詮釋，傳遞給mSever控制臺并發(fā)送給GPRS數(shù)據(jù)終端，如圖5所示。

3.2 Internet動態(tài)網(wǎng)頁開發(fā)

Internet動態(tài)網(wǎng)頁開發(fā)包括:WEB數(shù)據(jù)管理和Internet網(wǎng)絡應用兩個部分。WEB數(shù)據(jù)管理是基于SQL Server2000設計實現(xiàn)的，SQL Server2000對數(shù)據(jù)的管理提供了完美的接口，使得開發(fā)周期大大縮短。并且對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有良好的保障。動態(tài)網(wǎng)頁的數(shù)據(jù)瀏覽通過ZedGraph控件實現(xiàn)，可以根據(jù)任意數(shù)據(jù)集創(chuàng)建2D曲線、bar、和pie圖。ZedGraph具有高度的靈活性，可以定制圖形的每個方面。通過它來實現(xiàn)每一塊果園中的土壤水分數(shù)據(jù)曲線的繪制。

圖5 服務器GPRS數(shù)據(jù)接收流程圖Fig.5 Servers Receive GPRS data flow chart

表1 2010年04月25日上傳的土壤水分數(shù)據(jù)(m3/m3)Table 1 Thesoil moisture data in April 25，2010(m3/m3)

5 實驗分析

首先在實驗室對軟硬件進行測試，達到設計要求后，安裝到實際果園中進行綜合測試。目前本系統(tǒng)安裝在山東省肥城市邊院鎮(zhèn)的蘋果園內(nèi)，總體性能達到了預期的設計目標。根據(jù)設計要求，每個節(jié)點安裝了四個土壤水分傳感器，分別埋在地表下10 cm、20 cm、40 cm和60 cm處［7］。用戶通過網(wǎng)絡瀏覽器，就能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的瀏覽和分析。管理者可將數(shù)據(jù)下載到本地機器中，對數(shù)據(jù)進行分析，通過發(fā)現(xiàn)問題、總結(jié)經(jīng)驗，幫助用戶建立科學的管理模式，建立數(shù)字化的灌溉理念，對指導果樹灌溉具有重要意義，表1是2010年04月25日上傳的一段數(shù)據(jù)。

6 結(jié)論和分析

本文設計了基于ZigBee和GPRS網(wǎng)絡、WEB數(shù)據(jù)管理的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)使用了GPRS無線方案，大幅度提高了系統(tǒng)的移動性、便攜性、組網(wǎng)靈活性，在農(nóng)業(yè)應用領域有很好的發(fā)展前景。系統(tǒng)完成了以下幾個功能。(1)無人遠程監(jiān)控;(2)數(shù)據(jù)定時離散采集;(3)全年長期對果園土壤含水量監(jiān)控;(4)實現(xiàn)對果園土壤含水量的自動分析與處理。(5)實現(xiàn)了大面積果園灌溉遠程控制的自動化。

［1］于海斌，曾 鵬，梁韋華.智能無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)［J］.北京:科學出版社，2006

［2］王艷玲，李正明.基于GPRS技術(shù)的農(nóng)田信息遠程檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)［J］.農(nóng)機化研究，2007:65－67

［3］王慶華，屈玉貴，趙保華，等.無線傳感器開發(fā)系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)［J］.計算機技術(shù)，2009，34(6):37－40

［4］吳 鍵，袁慎芳.無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的設計和實現(xiàn)［J］.儀器儀表學報，2006.9，27(9):1120－1124

［5］顧 群，陸春華.計算機遠程監(jiān)控系統(tǒng)在水產(chǎn)養(yǎng)殖中的應用［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2004(10):38－40

［6］趙燕東，王一鳴.智能化土壤水分分布速測系統(tǒng)［J］.農(nóng)業(yè)機械學報，2005，36(2):76－78

［7］孫 凱，王一鳴，楊紹輝.墑情監(jiān)測取樣方法的研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學報，2004，20(4):74－78