農業節水灌溉遠程監控系統的設計與實現

趙 焱

(渤海大學 大學基礎教研部，遼寧 錦州 121003)

農業節水灌溉遠程監控系統的設計與實現

趙 焱

(渤海大學 大學基礎教研部，遼寧 錦州 121003)

為了提高農業灌溉的效率，節省灌溉成本，進行農業節水灌溉智能監控系統設計，提出一種基于ZigBee多傳感器分布式數據采集的監控系統設計方法，系統設計分為硬件和軟件兩部分;首先進行農業節水灌溉遠程監控系統的總體設計構架，灌溉遠程監控系統的硬件模塊化設計包括農業節水灌溉傳感信息采集模塊、AD模塊、集成控制模塊和接口電路;基于FPGA嵌入式設計方法，構建ZigBee多傳感器分布式陣列，進行遠程多點灌溉控制和監控；軟件開發建立在LabWindows/CVI工程開發環境中，通過程序加載控制，實現遠程監控系統改進設計;測試結果表明，該系統進行農業節水灌溉遠程監控具有較好的人機友好性，監控的覆蓋度較高，性能較好。

農業節水灌溉；遠程監控；傳感器；FPGA嵌入式設計

0 引言

在進行大棚種植和大規模的農田種植中，需要進行人工灌溉，保障農業種植的產量，農業灌溉系統采用多個傳感器分布節點進行水量調節，進行多點灌溉，為了節省灌溉的用水量，實現節水灌溉，需要進行智能灌溉的遠程監控系統設計，通過監控系統監測灌溉點的出水量，并進行智能調節，保障灌溉效率，因此，研究農業節水灌溉遠程監控系統在節省灌溉成本，提高農業產量方面具有重要意義[1]。

農業節水灌溉遠程智能監控系統的影響因素多元，控制參數復雜，對農業節水灌溉精確控制和監控的難度較大，傳統的農業節水灌溉遠程智能監控系統設計方法中，主要有基于PLC可編程邏輯的控系統設計方法[2]、基于RFID技術的農業節水灌溉遠程智能監控設計方法等[3]，采用分散DSC控制技術，進行集成智能監控，實現農業節水灌溉遠程智能監控系統的可靠性設計[4]，但是目前的監控系統更多的是采用高功耗芯片設計，存在精度不高和監控的定點性不好的問題[5]。對此，本文提出一種基于ZigBee多傳感器分布式數據采集的監控系統設計方法，系統設計分為硬件和軟件兩部分，首先進行監控系統的總體設計和功能技術指標分析，然后進行硬件模塊化設計和軟件開發，在LabWindows/CVI環境下實現系統的開發和調試，得出有效性結論。

1 系統總體設計構架和功能指標分析

1.1 農業節水灌溉遠程監控系統總體設計

為了實現對農業節水灌溉遠程監控系統設計，采用多傳感器信息采集方法對農業節水灌溉區的出水量、濕度等信息進行實時采集和分析，采用VXI總線數據采集技術，進行農業節水灌溉區域的原始數據信息采集和數據處理。首先啟動ZigBee多傳感器分布式數據采集系統，在Linux環境中進行監控程序加載，構建用戶界面模塊、數據處理模塊和遠程可視化監控模塊，實現對農業節水灌溉的遠程監控，在嵌入式Linux環境下進行遠程監控系統的模塊化設計，將采集的數據輸入到Linux操作系統中進行節水灌溉的程序加載，實現灌溉信息存儲、信號發射、數據采集和波形顯示等功能[6]，根據上述分析，得到本文設計的農業節水灌溉遠程監控系統總體構架模型如圖1所示。

圖1 農業節水灌溉遠程監控系統總體構架

根據圖1所示的農業節水灌溉遠程監控系統總體構架模型，進行系統設計。監控信號加載到Linux內核中，Linux是一個類似于Unix的操作系統，系統在用戶界面模塊進行監控信息參數的設置和初始化操作，采用交叉編譯方式進行監控視頻信息采集和數據加載，在VisualDSP++集成GCC編譯環境中，構建農業節水灌溉遠程監控系統應用程序開發環境[7]。監控系統的工程管理應用程序輸入到Linux操作系統中，將linuxrc文件拷貝到filesystem進行控制信息的集成開發和控制指令實時傳遞。為了準確地采集動態環境下農業節水灌溉的視頻數據，設置農業灌溉監控的模擬預處理機動態范圍：-40～+40 dB，在動態環境下配置自動捕獲的增益控制串口，設計 PCI 控制接口，配置空間寄存器，采用M、C、J 3種模式實現遠程監控系統高速率數據傳輸，設計本地總線時鐘和 PCI 時鐘進行突發狀態下的灌溉程序自適應控制，構建PCI 總線操作和LOCAL總線操作的DMA數據通道，在C 模式下將農業節水灌溉遠程監控系統的Local-to-PCI指針裝入 PCI 配置寄存器，在PCI總線主控單元中實現遠程監控。根據上述總體設計構架，進行農業節水灌溉遠程監控系統的模塊化設計，設計過程包括了系統的硬件設計和軟件設計。

1.2 開發環境描述及功能指標分析

根據上述對農業節水灌溉遠程監控系統的總體設計構架，進行監控系統的模塊化設計和功能技術指標分析，農業節水灌溉遠程監控系統的輸入電壓為±220 V，可配置為4路ZigBee多傳感器分布式的聯合Cache進行數據采集，系統的穩壓狀態下的功耗為：140 mW(250 kHz，5 V電源)，系統設計采用16 位微控制器進行嵌入式系統開發設計，從外部程序存儲器0FF80H執行程序加載，從片內ROM引入232串口，構建農業節水灌溉遠程監控系統的傳感器模塊，它是半雙工形式，實現對灌溉區域的視頻信息和地面濕度信息的采集。由此，設計農業節水灌溉遠程監控系統的技術指標描述如下：

1)ZigBee多傳感器分布式數據采集的幅度范圍：-40～+40 dB，遠程監控的動態增益放大量為80 dB，傳感器模塊的輸出信號幅度±10 V；

2)農業節水灌溉遠程監控系統的采樣通道：8通道同步、異步輸入；

3)采用并行外設接口(PPI)構建農業節水灌溉遠程監控系統的微處理器模塊，處理器的采樣率：>200 kHz；

4)時鐘信號輸入引腳的D/A轉換的A/D分辨率：12位(至少)；

5)采用bootloader加載方式，JTAG 口連接A/D轉換器的分辨率：12位(至少)；

6)采用雙緩存的發送寄存器進行數據存儲，DMA 控制器的傳輸速率：>200 kHz；

7)通過6 個引腳連接執行輸出控制，輸出控制的信號模型包括CW、LFM、HFM等多種形式。

2 系統硬件設計

根據上述功能指標分析，進行系統設計，設計包括了硬件設計和軟件設計等部分，灌溉遠程監控系統的硬件模塊化設計包括農業節水灌溉傳感信息采集模塊、AD模塊、集成控制模塊和接口電路，具體設計描述如下：

1)傳感信息采集模塊電路。傳感信息采集模塊采用ZigBee多傳感器分布式數據采集方法，由于系統對環境信息的采樣率至少為200 kHz，由Mux101多路開關選擇輸出信號，達到程序控制第一級放大倍數的要求，采用ST 超低功耗 的AD8021作為ZigBee多傳感器分布式數據的主控芯片[8]，由DSP控制VCA810的電壓，選用合適的晶振濾掉高頻干擾，選用不同的穩壓塊來調節反饋動態增益控制碼，通過(R/X)DATDLY設置接收和發送數據的時鐘中斷字，采用±10 V的雙極性輸入MSB接+5 V高電平，得到傳感信息采集模塊設計的結構如圖2所示。

圖2 傳感信息采集模塊設計的結構框圖

在圖2所示的傳感信息采集模塊中，McBSP 提供了全雙工的通信機制，農業節水灌溉遠程監控數據經DMA 控制器直接進入內存，在CLKP 和CLKX上檢測農業節水灌溉遠程監控的視覺信息，于CPU 與DAM 控制器讀取/寫入 DRR，按照DSP串口0的引腳執行ZigBee多傳感器分布式數據采集，得到ZigBee多傳感器分布式數據采集的接口設計。

2)AD模塊。AD模塊執行農業節水灌溉遠程監控系統采樣數據的數模轉換，采用低功耗設計方法進行AD模塊設計，農業節水灌溉遠程智能監控系統功耗主要來自靜態功耗Pspc和動態功耗Pdpc，即：

Pspc=VddIdd

(1)

(2)

其中:Vdd表示ZigBee射頻識別的額定電壓，單位為V；Idd表示農業節水灌溉遠程智能監控系統輸出漏電流值，單位為A；ITC表示同步串行觸發電流，CT表示負載電容；fp表示監控系統對監控區域信息采集的頻率，由式(1)可知，系統的Vdd越低，其輸出的動態功耗Pspc就越低，根據上述原理，設計監控系統的AD模塊，監控系統的傳輸基陣通過AD采樣，將農業節水灌溉的脈沖信號轉化為電信號，產生的導納B=jωC，農業節水灌溉遠程監控系統的外部I/O設備包括A/D轉換器AD7864兩片，通過信號輸入設置，將12位A/D結果轉換成16位，得到系統的AD模塊硬件設計框圖如圖3所示。

圖3 系統的AD模塊硬件設計

3)集成控制模塊。集成控制模塊是整個農業節水灌溉遠程監控系統的核心模塊，通過7864/CS和/WR寫入控制信息指令，采用4片AD8582進行主控模塊的控制系統設計，根據AD8582數據手冊，得到農業節水灌溉遠程智能監控系統集成控制執行的輸入輸出碼字，描述見表1 。

表1 智能監控系統集成控制執行的輸入輸出碼字

由于5409A的外部接口具有強耦合性，采用TI公司的DC-DC芯片進行AD設計，其中，A4～A0和/IOSTRB譯碼→/CS，通過DAC變換，轉化成模擬信號，得到集成控制模塊電路設計如圖4所示。

圖4 集成控制模塊電路設計

4)接口電路。本系統對接口電路的轉換頻率精度要求很高，因此在接口電路設計中，需要采用波形存儲器ROM轉化成數字化輸出的COS，采用50MHz的參考時鐘輸入作為控制時鐘，采用高性能的MAX7000AE系列器件作為時鐘輸出信號，EPM7128AETI100與其余芯片的硬件連線通過外部雙端口RAM和FLASH設計[9]，邏輯門建立DSP中斷控制，單獨輸出+3.3V和+1.6V的電壓，使得收發轉換電路按照地址線A0控制，MSB接+5V高電平，DSP的數據線與7864的數據線均連至CPLD，由CPLD實現接口電路設計，得到農業節水灌溉遠程智能監控系統接口的電路設計如圖5所示。

圖5 系統的接口的電路設計

在上述進行系統模塊化設計的基礎上，系統用DDS(直接數字合成)技術芯片進行硬件集成設計，基于FPGA嵌入式設計方法，構建ZigBee多傳感器分布式陣列，進行遠程多點灌溉控制和監控設計。

3 系統軟件開發實現

在上述進行監控系統硬件設計的基礎上，進行軟件開發和調試，軟件開發建立在LabWindows/CVI工程開發環境中，采用外部程序存儲器PCR引入控制指令，進行遠程監控的程序執行，由此實現系統的軟件開發設計，實現農業節水灌溉遠程智能監控的程序加載和監控信息的寫入，借助LabWindows/CVI進行程序加載，執行加載代碼：

voidrgre(keyggfregd,vgegeDvfegBgid)

{

G-Lisgegeg();

nogegervp=G-LgegeetGrfegGid(ehr);

Loht5e=nh4FPcehed(Null);

Fgry54chTingeggid

{

HggeHP=necggeecece();

LogPGcgege(Lvceujnte.rvfevet,ite,HP);

fvevachpaceninHP

Ojntrvdswet();

}

獲得監控系統軟件的實現流程如圖6所示。

圖6 軟件實現流程圖

4 試驗結果與分析

為了測試系統的性能，采用不同方法進行農業節水灌溉監控性能測試，在LabWindows/CVI工程開發環境中，Bootloader 程序位于片內ROM，設置FSXM=1，通過程序加載控制，實現遠程監控系統改進設計，構建程序加載模塊，以監控的覆蓋度為測試指標，得到對比結果如圖7所示。

圖7 性能對比

分析圖7可知，采用本文方法進行農業節水灌溉設計，能以較小的節點數實現大范圍的灌溉覆蓋，性能較好。

5 結束語

本文研究了農業節水灌溉智能監控系統設計優化問題，提出基于ZigBee多傳感器分布式數據采集的監控系統設計方法，系統設計分為硬件和軟件兩部分，灌溉遠程監控系統的硬件模塊化設計包括農業節水灌溉傳感信息采集模塊、AD模塊、集成控制模塊和接口電路，基于FPGA嵌入式設計方法，構建ZigBee多傳感器分布式陣列，進行遠程多點灌溉控制和監控。軟件開發建立在LabWindows/CVI工程開發環境中，通過程序加載控制，實現遠程監控系統改進設計。測試結果得出，本文設計的監控系統進行農業節水灌溉遠程控制和監測，監控的覆蓋度較高，性能較好，具有較高的實際應用價值。

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Design and Implementation of Remote Monitoring System for Agricultural Water Saving Irrigation

Zhao Yan

(Department of Foundation Education,Bohai University,Jinzhou 121013,China)

In order to improve the efficiency of agricultural irrigation,saving irrigation cost,the design of intelligent monitoring system of agricultural water-saving irrigation,puts forward a design method of distributed ZigBee monitoring system based on data acquisition system,the design is divided into hardware and software,the first overall design framework of agricultural water-saving irrigation remote monitoring system,hardware module design of remote monitoring system of irrigation including agricultural water-saving irrigation sensor information acquisition module,AD module,integrated control module and interface circuit,FPGA embedded design method to construct distributed ZigBee array based on remote multi-point monitoring and control irrigation.Software development is based on the LabWindows/CVI project development environment,through the program loading control,to achieve remote monitoring system design.The test results show that the system has good performance in the remote monitoring and control of agricultural water-saving irrigation.

agricultural water-saving irrigation;remote monitoring;sensor;FPGA embedded design

2016-11-18；

2016-12-01。

趙 焱(1977-)，男，遼寧錦州人，在職研究生，講師，主要從事計算機軟件與信息系統方向的研究。

1671-4598(2017)04-0080-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.04.023

TN911

A