基于物聯網技術的水稻自動灌溉系統應用研究

趙榮陽，王　斌，姜重然

(1．欽州學院 電子與信息工程學院， 廣西 欽州　535000；2．佳木斯大學 信息電子技術學院，黑龍江 佳木斯　154007)

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基于物聯網技術的水稻自動灌溉系統應用研究

趙榮陽1，王斌2，姜重然2

(1．欽州學院 電子與信息工程學院， 廣西 欽州535000；2．佳木斯大學 信息電子技術學院，黑龍江 佳木斯154007)

摘要：介紹了一種基于物聯網技術的水稻自動灌溉系統，用戶可以在水稻生長的不同時期，通過GPRS模塊，利用控制器網關、ZigBee協調器，發送短信控制命令，設置ZigBee終端節點水位的上、下限閾值。節點依據水位傳感器檢測隔田水位與設定閾值的比較結果，控制節點電磁閥的通斷，選擇開/關隔田引水口水槽閘門，實現自動灌溉。此外，系統用戶能夠通過短信遠程控制電井的電機啟/停，實現水井的自動提水。該系統具有實施簡單、功耗低、功能完善、可靠性高等優點，具有較好的推廣前景。

關鍵詞：水稻；自動灌溉；物聯網；GPRS；ZigBee

0引言

農業生產中以滴灌、澆灌、噴灌等灌溉方式為主，隨著農業現代化水平的提高，灌溉自動化水平也有了顯著的改善。例如，新疆地區的自動化節水灌溉系統取得了較為廣泛的應用；但國內主要糧食產區的自動化灌溉廣度與深度還有待提高。近年來，受環境惡化、水資源短缺、人力成本逐年上升等因素的影響，自動化節水灌溉系統的應用需求更加迫切。

1系統總體結構

自動灌溉系統通常包括控制終端節點、網絡傳輸模塊、網關控制器及人機通信模塊等幾部分。其中，有線網絡受到距離、環境、布線等因素的影響較為嚴重，因而在自動灌溉系統中使用無線網絡通信技術將是一種良好的解決途徑。基于物聯網技術的水稻田自動灌溉系統包括引水口的終端控制節點、網絡協調節點、網關控制器及電井遠程控制單元等功能模塊，如圖1所示。

2ZigBee灌溉系統

本文基于Zigbee無線網絡技術、GPRS通信技術，將ZigBee終端節點嵌入水稻隔田引水口水槽，從而實現降低水渠建設的成本，提高終端節點在水渠建設不完善、隔田分布不規則環境下的實施靈活性。用戶可以通過控制器網關，發送控制命令設置引水口水槽節點灌溉水位的上、下限閾值；當節點水位傳感器檢測隔田水位達到設定閾值時，通過通/斷電磁閥,控制引水口水槽閘門打開、關閉,完成隔田的自動引水灌溉工作[1]。隔田引水口水槽裝置包括引水槽、閘門及ZigBee節點控制電路單元等。引水口水槽裝置外觀圖如圖2所示。

2.1ZigBee節點設計

ZigBee無線通訊技術具有應用、網絡、MAC、物理等4層結構，能夠工作在通用的2.4G頻段及915、868MHz等多個頻段，支持星型、樹型、網狀網絡拓撲結構；組網接入簡單、網絡節點容量大，非常適用于成本低、功耗小、數據通信不頻繁的自動遠程控制系統[2-4]。

ZigBee網絡節點設計簡單，不同類型節點之間的結構差異小。本文采用CC2530作為節點核心，它是TI公司的二代SOC解決方案，支持ZigBee2006、ZigBee 2007等多種類型協議棧，內部集成了8051處理器、RF射頻器，具有多種電源管理模式、傳輸距離遠、可靠性較高等諸多優點[5]。ZigBee灌溉系統啟動、組網完成后，終端節點向用戶發送隔田水位的當前值，等待接收用戶的門限值設置、確認啟動等控制命令。此外，為確保電磁閥正常工作、減少電磁干擾、提高可靠性，本文使用ADUM140完成CC2530與電磁閥驅動電路之間的電平轉換，隔離輸入輸出，降低驅動電路對電磁閥的影響[6]。ZigBee節點電路原理圖如圖3所示。

圖1　自動灌溉系統框圖

1.電磁閥接線槽　2.傳感器接線槽　3.天線引槽

圖3　ZigBee節點電路原理圖

2.2GPRS網絡通信模塊設計

GPRS模塊與ZigBee灌溉系統主控制網關通過串口連接，ZigBee節點與用戶之間能夠通過GPRS網絡實現雙向通信。當ZigBee節點反饋水位信息時，首先通過Zigbee網絡將信號發送給主控制網關，然后由控制器網關將信號編輯為短信，通過GPRS模塊發送到用戶手機；當用戶管理終端節點時，可以通過編寫短信命令，設定終端節點水位上、下限閾值，控制終端節點電磁閥的導通與斷開，實現自動灌溉[7]。

GPRS技術普遍被認為是2.5G無線通信網絡,通過支持節點、業務節點，GPRS通信網絡兼容幾乎所有GSM網絡軟、硬件平臺。與GSM相比，GPRS用戶的接入時間更短、通信速度更快、可靠性也更高，并能夠支持TCP/IP 協議，可以與分組數據網直接互通[8-9]。本系統中，ZigBee灌溉系統的GPRS模塊設計選用了Siemens推出的MC35i，工作電壓為3.3～4.8V，具有較低的功耗，能夠支持電話薄功能、AT命令集,接線簡單，通過ZIF連接電源、SIM卡實現數據的控制傳輸[10]。GPRS接口電路原理圖如圖4所示。

圖4　GPRS接口電路原理圖

3電井遠程控制單元設計

在水稻灌溉過程中，通過江河、水庫等地上水源的引水灌溉受到地理位置、施工等因素的影響較大，所以通過深水電井引地下水灌溉的方式在農業生產中也具有較為廣泛的應用。本文在水稻自動灌溉系統中引入電井遠程控制單元，用戶能夠通過手機發送短信，控制繼電器通/斷，啟動/停止電井潛水泵電機，實現電井提水灌溉的遠程控制，并能夠及時反饋電井控制系統的工作狀態。電井遠程灌溉單元采用STM32F103VC系列處理器作為主控制器，結合通信芯片SIM900A，實現電井的遠程控制,具有高性能、低功耗等優良特性，且性價比較高，利于今后的產品升級[11]。

3.1電源模塊設計

電井采用380V供電電壓，啟動潛水泵，實現電井的提水灌溉。本文在電源模塊設計中，采用工頻變壓器將380V電壓降壓到6V再整流得到直流電壓；經SPX29302T5穩壓后，為SIM900A供電。單元的控制核心STM32最高工作電壓為3.6V，最低工作電壓為2V,所以單獨為其配備了具有0.34V低壓差的SPX3819M5-3.3穩壓芯片，保證其工作穩定、可靠，確保輸出電壓不受鋰電池電壓跌落影響。此外，模塊降壓設計中采用的SS34二極管，常溫下流過2A峰值電流時，正向壓降為0.4V。SS34正向特性分析圖如5圖所示。

圖5　SS34正向特性分析圖

電井遠程控制系統采用的通信芯片SIM900A最低工作電壓為3.1V，當鋰電池電壓降至3.5V時，將可能導致SIM900A無法穩定工作。為提高穩定性，控制單元外部由1節鋰離子電池作為后備電源，充電芯片采用MCP73831T，其PROG引腳通過一個2k電阻連接至STM32引腳；當設置IO口為低電平時，鋰電池充電；當設置IO為高阻態時，鋰電池停止充電。結合控制器ADC獲得電池電壓信息，可實現程序控制充電范圍，使鋰電池保持在淺充淺放工作狀態，最大限度延長電池使用壽命。系統工作時，通過比較器比較外接電源電壓與控制器核心供電電壓；當外接電源失效時，觸發控制器中斷，向用戶發送掉電提醒短信，并轉入關機狀態斷開鋰電池供電，進入休眠模式。系統模塊功耗如表1所示。

表1　系統功耗分析表

3.2電井控制單元可靠性設計

考慮工作環境的復雜性，電井控制單元的外殼采用密閉防水外殼，無風扇設計，內部做好對流設計，利用有限的體積為高溫器件降溫。例如，控制單元安裝方向有固定要求：將最易升溫的器件放于底部，熱空氣會上升，由外殼將熱量散發出去，冷空氣回流到底部，循環帶走器件熱量，均勻密閉外殼內部的溫度。SMA天線端子、電源接線端子、SIM卡座、繼電器端子及串口都集中排布在正下方。面板上方設置若干工作狀態指示燈。

380V電源端子是電源的輸入端，為系統供電；繼電器端子用來控制接觸器等電器設備，啟/停潛水泵電機，實現電井的遠程提水操作；232/485接口用于與計算機、傳感器模塊通信的接口；SIM卡座放置SIM卡；GSM天線端子需連接延長天線到空曠位置，以利于達到最佳信號質量。各接口采用磁珠+TVS瞬態抑制二極管做浪涌防護，以避免人體靜電對設備造成損壞。電井控制單元外部接口結構如圖6所示。

圖6　電井控制單元外部接口結構圖

為確保電井控制單元的可靠性，可以通過開啟看門狗硬件電路：當軟件系統出現故障時，由看門狗將系統復位；當外部供電出現故障掉電時，自動轉由備用鋰電池供電，向用戶發送掉電提示并自主關機，重新上電后，自動開機恢復工作。電井控制單元的現場環境有電機等強電磁干擾，為加強屏蔽效果，可將鋁箔粘附在外殼內壁并接地，以降低電磁干擾。考慮環境濕度較大，需采用密閉外殼封裝。

4軟件設計方案

本文采用開源、免費的嵌入式Linux內核，經過交叉編譯由Bootloader引導，構建軟件系統平臺，能夠支持ZigBee、TCP/IP協議棧等多種通訊協議[12]。系統主程序在系統上電后，首先完成GPRS網絡的初始化，ZigBee灌溉系統的啟動、自動組網，終端節點數據信息的反饋等工作[13]；電水井遠程控制單元，向用戶發送電井工作狀態信息，進入待機模式，等待用戶命令。其主程序流程如圖7所示。

圖7　主程序流程圖

4.1ZigBee灌溉單元軟件設計

本文選用了CC2530支持的免費ZigBee協議棧, 支持IEEE 802.15.4、ZigBee聯盟標準，協議棧層次結構的功能定義完整，節點設計簡單。ZigBee灌溉單元的軟件設計，主要完成ZigBee節點類型注冊、設備定義等應用層開發[14]。ZigBee節點軟件流程圖如圖8所示。

ZigBee網絡建立之后，用戶通過GPRS通信網絡、ZigBee協調節點，管理ZigBee終端節點，設定隔田灌溉水位的上下限值。當終端節點檢測到隔田水位，低于用戶設定下限值時，導通電磁閥，打開引水槽閘門，實現農田的自動灌溉，否則發送隔田水位當前值到用戶端；當隔田水位高于設定水位上限值時，系統斷開電磁閥，關閉注水槽閘門，停止灌溉[15]。

圖8　ZigBee節點軟件流程圖

4.2電井遠程控制單元軟件設計

電井遠程控制單元上電后自動聯網并待機，接收用戶手機發送的控制信息啟/停電機，并及時回復；當外部供電失效后，立即切換到鋰電池供電，發送報警信息。電井灌溉模塊主要功能包括如下：

1)接收用戶發送的start命令，啟動電機，回復start ok；

2)接收用戶發送的stop命令， 電機停轉，回復stop ok；

3)當380V電源無效時，發送power off到用戶，電機停轉、關機；

4)當重新上電時，回復短信power on，保證電機停轉；

5)設有復位按鍵，按下2s后能夠清空電話本和所有設置；

6)接收用戶發送的admin命令，自動記錄發送人的電話號碼，此號碼將被賦予管理員權限。

電井遠程控制單元軟件流程圖如圖9所示。

圖9　電井遠程控制軟件流程圖

5結束語

本文采用了獨立的ZigBee終端節點設計，將控制節點嵌入引水口水槽裝置中，提高了系統的網絡實施靈活性。作為節點核心的CC2530芯片，支持ZigBee協議棧，提供了ZigBee無線網絡技術的解決方案，簡化了系統各類型節點的設計。此外，用戶能夠通過系統的電井遠程控制單元，發送短信命令遠程控制電井的自動提水灌溉，進一步完善了水稻自動灌溉系統的功能，增強了系統的實用性。

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Application Research of Automatic Irrigation System of Rice Based on IoT

Zhao Rongyang1，Wang Bin2， Jiang Zhongran2

(1.School of Electronic and Information Engineering，Qinzhou University，Qinzhou 535000，China; 2．School of Information and Electronic Technology, Jiamusi University, Jiamusi 154007,China )

Abstract：The paper introduces an automatic irrigation system of rice based on IoT.User could set values of the water level about terminals of ZigBee through GPRS module, gateway and coordinator with sending control command in different rice growing periods.It controls electromagnetic valve to irrigate automatically basis of results about values from water level sensor compare with the user’s setting. In addition,users could control motor to start or stop for water pumping from well remotely by short message service. The system implement simply with low power dissipation, perfect function,high reliability and so on.It has good prospects for popularization.

Key words：rice; automa ticirrigation; IoT; GPRS； ZigBee

文章編號：1003-188X(2016)04-0226-05

中圖分類號：S275;TP273

文獻標識碼：A

作者簡介：趙榮陽(1982-)，男，哈爾濱人，講師。通訊作者：王斌(1979-)，男，黑龍江佳木斯人，副教授，(E-mail)jmsuwang@163.com。

基金項目：廣西高校科學技術項目(KY2015LX516，YB2014410，2013YB259)；佳木斯大學基礎研究類重點項目(Lz2014-005)

收稿日期：2015-06-03