基于无线传感器网络的节水灌溉管制系统

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，耗损粮食占全国因灾减产粮食的 50％50％。耐久以来，由于技术、维护水平落后，招致灌溉用水糜费十分严重，农业灌溉用水的使用率仅40％40％。假设依据监测土壤墒情信息，及时控制灌溉机遇和水量，能够有效提高用水效率。而人工定时测量墒情，不但消耗大量人力，并且做不到及时监控；采用有线测控系统，则须要较高的布线本钱，不便于扩展，并且给农田耕作带来不便。因而，设计一种基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统，该系统首要由低功耗无线传感网络节点议决ZigBee自组网方式构成，从而防止了布线的不便、灵敏性较差的缺陷，完成土壤墒情的延续在线监测，农田节水灌溉的自动化控制，既提高灌溉用水使用率，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使用在该节水灌溉控制系统中，其中心技术是ZigBee自组网技术。 ZigBee是一种低庞杂度、低功耗、低数据率、低本钱、高牢靠信度、大网络容量的双向无线通讯技术。由使用层、网络层、介质接人控制层和物理层组成。 ZigBee网络中的配备分为全功用配备(Full Function Device，FFD)和简化功用配备(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构造。本系统采用混合网，底层为多个ZigBee监测网络，担任监测数据的采集。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。监测网络采用星型构造，网关节点作为每个监测网络的基站。网关节点具有双重功用，一是充任网络协调器的角色，担任网络的自动树立和维护、数据聚集；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用，无线网关不断处于监听形态，新添加的无线传感器节点会被网络自动发觉，这时无线路由会把节点的信息送给无线网关，有无线网关举行编址并计算其路由信息，更新数据转宣布和配备关联表等。
1．2 系统体系构造
　　该系统以单片机为控制中心，由无线传感节点(RFD)、无线路由节点(FFD)、无线网关(FFD)、监控中心四大局部组成，议决ZigBee自组网，监控中心、无线网关之间议决GPRS举行墒情及控制信息的传递。每个传感节点议决温湿度传感器，自动采集墒情信息，并结合预设的湿度上下限举行剖析，判别能不能须要灌溉及什么时辰中止。每个节点议决太阳能电池供电，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，节点进入睡眠形态直到电量充足。其中无线网关衔接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中心局部，担任无线传感器节点的维护。传感器节点与路由节点自主构成一个多跳的网络。温湿度传感器散布于监测区域内，将采集到的数据发送给就近的无线路由节点，路由节点依据路由算法挑选最好路由，树立相应的路由列表，其中列表中包含本身的信息和邻居网关的信息。议决网关把数据传给远程监控中心，便于用户远程监控维护。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首要性限定要素，土壤墒情信息的精确采集是举行农田的节水灌溉、最优调控的根本和保证，关于节水技术有效的施行具相首要性的作用。本系统传感器节点硬件构造如图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、精度高的特征，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的规范电流环，在主控制器电路上先举行I／U转换，然后举行A／D转换为数字信号后议决射频天线发射出去。电流变换器采用RCV420JP芯片，该芯片集成电阻网络、运算扩大器和规范的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，能够依据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输进信号中的一个举行A／D转换。

 
　　2．2 无线通讯模块
　　基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统的通讯系统是树立在ZigBee无线通讯技术和GPRS的根本上。ZigBee是一种高牢靠的无线数传网络，有 2．4 GHz(全球)、915 MHz(美国)及868 MHz(欧洲)三种任务频带。本系统采用当前是传感器网络优先挑选的全球通用频段——2．4 GHz，传输速率为250 KB／s，该频段在大非少数国度都无需请求容许证。
　　无线传感节点(RFD)、无线路由节点(FFD)、无线网关(FFD)的通讯模块均采用CC2530芯片，在构造上也有必须的一致性，这里只细致引见无线网关的硬件构造。网关担任无线传感网络的控制和维护，完成信息的融合处置，他衔接传感器网络与GPRS网络，完成两种通讯协议的转换，同时揭晓监测终端的职务，并把搜集到的数据议决GPRS网络传到远程监控中心，构造框图如图4所示。

　　网关采用华为GPRS通讯模块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、规范SIM卡接口和UART接口，支持语音业务、短音讯业务、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，准许芯片无线下载，支持系统编程，提供了101 dB的链路质量，优秀的接纳器灵敏度和强健的抗搅扰性。此外，CC2530结合了一个完全集成的，高功用的RF收发器与一个8051微处置器，8 KB的RAM，32／64／128／256 KB闪存，以及一套普遍的外设集---包含2个USART、12位ADC和21个通用GPIO(General Purpose Input Output，通用输进输出)。远程监控中心的PC端软件用Delphi设计维护界面，树立相应的数据库，完成对土壤墒情的查询、维护、打印以及议决 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。传感节点翻开电源，原始化、树立链接后进入休眠形态。当无线网关接到中缀央求时触发中缀，经历路由节点激活传感节点，发送或接纳信息包，处置终了后继续进入休眠形态，等候有央求时再次激活。在同一个信道中只需两个节点能够通讯，议决竞争机制来获取信道。每个节点周期性睡眠和监听信道，假设信道空闲则自动抢占信道，假设信道忙碌则依据退避算法退避一段时间后重新监听信道形态。在顺序设计中首要采集中缀的办法完成信息的接纳和发送。
　　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，使用低本钱、低功耗的ZigBee无线通讯技术，防止了布线的不便，提高了节水灌溉控制系统的灵敏性。系统采用高精度土壤温湿度传感器，依据土壤墒情和作物用水次第施行精准灌溉，不但能有效处置农业灌溉用水使用率低的疑问，缓解水资源日趋紧张的矛盾，并且还为作物提供了更好的生长环境，充沛发扬现有节水配备的作用，优化调度，提高效益，使灌溉愈加迷信、简约，提高维护水平。本系统操还支持对有关参数的人工修正和远程控制，适用于多种作物，能添加农作物的产量，降低农产品的灌溉本钱，提高灌溉质量，具有很大的推行价值。此外，配置不一样的传感器，该系统能够构成不一样功用的监控网络。