基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统

摘要：为提高灌溉用水利用率，缓解水资源日趋紧张的矛盾，采用基于ZigBee技术的无线传感网络与GPRS网络相结合的体系结构，基于CC2530芯片设计无线节点，开发了此节水灌溉控制系统。该系统以单片机为控制核心，由无线传感器节点、无线路由节点、无线网关、监控中心四部分组成，能实时监测土壤温湿变化，根据土壤墒情和作物用水规律实施精准灌溉。系统实现了节水灌溉的自动化控制，有助于改善农业灌溉用水的利用率和灌溉系统自动化的水平普遍较低的现状。
关键词：ZigBee；无线传感器；节水灌溉；墒情监测

    农业灌溉是我国的用水大户，其用水量约占总用水量的70％。据统计，因干旱我国粮食每年平均受灾面积达两千万公顷，损失粮食占全国因灾减产粮食的50％50％。长期以来，由于技术、管理水平落后，导致灌溉用水浪费十分严重，农业灌溉用水的利用率仅40％40％。如果根据监测土壤墒情信息，实时控制灌溉时机和水量，可以有效提高用水效率。而人工定时测量墒情，不但耗费大量人力，而且做不到实时监控；采用有线测控系统，则需要较高的布线成本，不便于扩展，而且给农田耕作带来不便。因此，设计一种基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统，该系统主要由低功耗无线传感网络节点通过ZigBee自组网方式构成，从而避免了布线的不便、灵活性较差的缺点，实现土壤墒情的连续在线监测，农田节水灌溉的自动化控制，既提高灌溉用水利用率，缓解我国水资源日趋紧张的矛盾，也为作物生长提供良好的生长环境。

1 系统构架
1．1 无线传感器网络
    无线传感器网络技术应用在该节水灌溉控制系统中，其核心技术是ZigBee自组网技术。 ZigBee是一种低复杂度、低功耗、低数据率、低成本、高可靠信度、大网络容量的双向无线通信技术。由应用层、网络层、介质接人控制层和物理层组成。ZigBee网络中的设备分为全功能设备(Full Function Device，FFD)和简化功能设备(Reduce Function Device，RFD)两种。 ZigBee网络支持星型网、树状网和网状网三种拓扑结构。本系统采用混合网，底层为多个ZigBee监测网络，负责监测数据的采集。每个ZigBee监测网络有一个网关节点和若干的土壤温湿度数据采集节点。监测网络采用星型结构，网关节点作为每个监测网络的基站。网关节点具有双重功能，一是充当网络协调器的角色，负责网络的自动建立和维护、数据汇集；二是作为监测网络与监控中心的接口，与监控中心传递信息。此系统具有自动组网功能，无线网关一直处于监听状态，新添加的无线传感器节点会被网络自动发现，这时无线路由会把节点的信息送给无线网关，有无线网关进行编址并计算其路由信息，更新数据转发表和设备关联表等。
1．2 系统体系结构
    该系统以单片机为控制核心，由无线传感节点(RFD)、无线路由节点(FFD)、无线网关(FFD)、监控中心四大部分组成，通过ZigBee自组网，监控中心、无线网关之间通过GPRS进行墒情及控制信息的传递。每个传感节点通过温湿度传感器，自动采集墒情信息，并结合预设的湿度上下限进行分析，判断是否需要灌溉及何时停止。每个节点通过太阳能电池供电，电池电压被随时监控，一旦电压过低，节点会发出电压过低的报警信号，发送成功后，节点进入睡眠状态直到电量充足。其中无线网关连接ZigBee无线网络与GPRS网络，是基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统的核心部分，负责无线传感器节点的管理。传感器节点与路由节点自主形成一个多跳的网络。温湿度传感器分布于监测区域内，将采集到的数据发送给就近的无线路由节点，路由节点根据路由算法选择最佳路由，建立相应的路由列表，其中列表中包括自身的信息和邻居网关的信息。通过网关把数据传给远程监控中心，便于用户远程监控管理。本文设计的基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统组成框图如图1所示。

2 硬件设计
2．1 传感器节点模块
    土壤水分是作物生长的关键性限制因素，土壤墒情信息的准确采集是进行农田的节水灌溉、最优调控的基础和保证，对于节水技术有效的实施具有关键性的作用。本系统传感器节点硬件结构如图2所示。

    系统采用TDR-3A型土壤温湿度传感器，该传感器集温度和湿度测量于一体，具有密封、防水、精度高的特点，是测量土壤温湿度的理想仪器。温度的量程是-40～+80℃，精度为±0．2℃；湿度的量程是0～100％，在O～50％范围内精度为±2％。温湿度传感器输出信号是4～20 mA的标准电流环，在主控制器电路上先进行I／U转换，然后进行A／D转换为数字信号后通过射频天线发射出去。电流变换器采用RCV420JP芯片，该芯片集成电阻网络、运算放大器和标准的10 V基准电压源，能够将4～20 mA的电流环转换成0～5 V的电压输出。
    信号调理电路如图3所示。A／D转换器则采用低功耗射频集成电路CC2530内部的ADC转换器，其采样频率为12位，内部有一个8通道多路开关，可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A／D转换。

2．2 无线通信模块
    基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统的通信系统是建立在ZigBee无线通信技术和GPRS的基础上。ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，有2．4 GHz(全球)、915 MHz(美国)及868 MHz(欧洲)三种工作频带。本系统采用目前是传感器网络优先选择的全球通用频段——2．4 GHz，传输速率为250 KB／s，该频段在大多数国家都无需申请许可证。
    无线传感节点(RFD)、无线路由节点(FFD)、无线网关(FFD)的通信模块均采用CC2530芯片，在结构上也有一定的一致性，这里只详细介绍无线网关的硬件结构。网关负责无线传感网络的控制和管理，实现信息的融合处理，他连接传感器网络与GPRS网络，实现两种通信协议的转换，同时发布监测终端的任务，并把收集到的数据通过GPRS网络传到远程监控中心，结构框图如图4所示。

    网关采用华为GPRS通信模块GTM900C和TI公司的ZigBee射频芯片模块CC2530。GTM900CGPRS模块支持GSM900／1800双频，提供电源接口、模拟音频接口、标准SIM卡接口和UART接口，支持语音业务、短消息业务、GPRS数据业务和电路型数据业务。CC2530是ZigBee新一代SoC芯片，拥有多达256 B的快闪记忆体，允许芯片无线下载，支持系统编程，提供了101 dB的链路质量，优秀的接收器灵敏度和健壮的抗干扰性。此外，CC2530结合了一个完全集成的，高性能的RF收发器与一个8051微处理器，8 KB的RAM，32／64／128／256 KB闪存，以及一套广泛的外设集---包括2个USART、12位ADC和21个通用GPIO(General Purpose Input Output，通用输入输出)。远程监控中心的PC端软件用Delphi设计管理界面，建立相应的数据库，实现对土壤墒情的查询、管理、打印以及通过GPRS网络传递控制命令与土壤温湿度信息。

3 软件设计
    本节水灌溉控制系统中，监测数据与控制命令在无线传感节点、无线路由节点、无线网关和监控中心之间传送。传感节点打开电源，初始化、建立链接后进入休眠状态。当无线网关接到中断请求时触发中断，经过路由节点激活传感节点，发送或接收信息包，处理完毕后继续进入休眠状态，等待有请求时再次激活。在同一个信道中只有两个节点可以通信，通过竞争机制来获取信道。每个节点周期性睡眠和监听信道，如果信道空闲则主动抢占信道，如果信道繁忙则根据退避算法退避一段时间后重新监听信道状态。在程序设计中主要采集中断的方法完成信息的接收和发送。

4 结 语
    本文设计的基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统，应用低成本、低功耗的ZigBee无线通信技术，避免了布线的不便，提高了节水灌溉控制系统的灵活性。系统采用高精度土壤温湿度传感器，根据土壤墒情和作物用水规律实施精准灌溉，不但能有效解决农业灌溉用水利用率低的问题，缓解水资源日趋紧张的矛盾，而且还为作物提供了更好的生长环境，充分发挥现有节水设备的作用，优化调度，提高效益，使灌溉更加科学、方便，提高管理水平。本系统操还支持对有关参数的人工修改和远程控制，适用于多种作物，能增加农作物的产量，降低农产品的灌溉成本，提高灌溉质量，具有很大的推广价值。此外，配置不同的传感器，该系统可以构成不同功能的监控网络。