基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的節水灌溉控制系統

摘要：為提高灌溉用水利用率，緩解水資源日趨緊張的矛盾，采用基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )與GPRS網(wǎng)絡(luò )相結合的體系結構，基于CC2530芯片設計無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了此節水灌溉控制系統。該系統以單片機為控制核心，由無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)路由節點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)、監控中心四部分組成，能實(shí)時(shí)監測土壤溫濕變化，根據土壤墑情和作物用水規律實(shí)施精準灌溉。系統實(shí)現了節水灌溉的自動(dòng)化控制，有助于改善農業(yè)灌溉用水的利用率和灌溉系統自動(dòng)化的水平普遍較低的現狀。
關(guān)鍵詞：ZigBee；無(wú)線(xiàn)傳感器；節水灌溉；墑情監測

農業(yè)灌溉是我國的用水大戶(hù)，其用水量約占總用水量的70％。據統計，因干旱我國糧食每年平均受災面積達兩千萬(wàn)公頃，損失糧食占全國因災減產(chǎn)糧食的50％50％。長(cháng)期以來(lái)，由于技術(shù)、管理水平落后，導致灌溉用水浪費十分嚴重，農業(yè)灌溉用水的利用率僅40％40％。如果根據監測土壤墑情信息，實(shí)時(shí)控制灌溉時(shí)機和水量，可以有效提高用水效率。而人工定時(shí)測量墑情，不但耗費大量人力，而且做不到實(shí)時(shí)監控；采用有線(xiàn)測控系統，則需要較高的布線(xiàn)成本，不便于擴展，而且給農田耕作帶來(lái)不便。因此，設計一種基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的節水灌溉控制系統，該系統主要由低功耗無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)通過(guò)ZigBee自組網(wǎng)方式構成，從而避免了布線(xiàn)的不便、靈活性較差的缺點(diǎn)，實(shí)現土壤墑情的連續在線(xiàn)監測，農田節水灌溉的自動(dòng)化控制，既提高灌溉用水利用率，緩解我國水資源日趨緊張的矛盾，也為作物生長(cháng)提供良好的生長(cháng)環(huán)境。

1 系統構架
1．1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )
無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應用在該節水灌溉控制系統中，其核心技術(shù)是ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)。 ZigBee是一種低復雜度、低功耗、低數據率、低成本、高可靠信度、大網(wǎng)絡(luò )容量的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。由應用層、網(wǎng)絡(luò )層、介質(zhì)接人控制層和物理層組成。ZigBee網(wǎng)絡(luò )中的設備分為全功能設備(Full Function Device，FFD)和簡(jiǎn)化功能設備(Reduce Function Device，RFD)兩種。 ZigBee網(wǎng)絡(luò )支持星型網(wǎng)、樹(shù)狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)三種拓撲結構。本系統采用混合網(wǎng)，底層為多個(gè)ZigBee監測網(wǎng)絡(luò )，負責監測數據的采集。每個(gè)ZigBee監測網(wǎng)絡(luò )有一個(gè)網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)和若干的土壤溫濕度數據采集節點(diǎn)。監測網(wǎng)絡(luò )采用星型結構，網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)作為每個(gè)監測網(wǎng)絡(luò )的基站。網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)具有雙重功能，一是充當網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器的角色，負責網(wǎng)絡(luò )的自動(dòng)建立和維護、數據匯集；二是作為監測網(wǎng)絡(luò )與監控中心的接口，與監控中心傳遞信息。此系統具有自動(dòng)組網(wǎng)功能，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)一直處于監聽(tīng)狀態(tài)，新添加的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)會(huì )被網(wǎng)絡(luò )自動(dòng)發(fā)現，這時(shí)無(wú)線(xiàn)路由會(huì )把節點(diǎn)的信息送給無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)，有無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行編址并計算其路由信息，更新數據轉發(fā)表和設備關(guān)聯(lián)表等。
1．2 系統體系結構
該系統以單片機為控制核心，由無(wú)線(xiàn)傳感節點(diǎn)(RFD)、無(wú)線(xiàn)路由節點(diǎn)(FFD)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)(FFD)、監控中心四大部分組成，通過(guò)ZigBee自組網(wǎng)，監控中心、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)之間通過(guò)GPRS進(jìn)行墑情及控制信息的傳遞。每個(gè)傳感節點(diǎn)通過(guò)溫濕度傳感器，自動(dòng)采集墑情信息，并結合預設的濕度上下限進(jìn)行分析，判斷是否需要灌溉及何時(shí)停止。每個(gè)節點(diǎn)通過(guò)太陽(yáng)能電池供電，電池電壓被隨時(shí)監控，一旦電壓過(guò)低，節點(diǎn)會(huì )發(fā)出電壓過(guò)低的報警信號，發(fā)送成功后，節點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)直到電量充足。其中無(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān)連接ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與GPRS網(wǎng)絡(luò )，是基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的節水灌溉控制系統的核心部分，負責無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)的管理。傳感器節點(diǎn)與路由節點(diǎn)自主形成一個(gè)多跳的網(wǎng)絡(luò )。溫濕度傳感器分布于監測區域內，將采集到的數據發(fā)送給就近的無(wú)線(xiàn)路由節點(diǎn)，路由節點(diǎn)根據路由算法選擇最佳路由，建立相應的路由列表，其中列表中包括自身的信息和鄰居網(wǎng)關(guān)的信息。通過(guò)網(wǎng)關(guān)把數據傳給遠程監控中心，便于用戶(hù)遠程監控管理。本文設計的基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的節水灌溉控制系統組成框圖如圖1所示。

2 硬件設計
2．1 傳感器節點(diǎn)模塊
土壤水分是作物生長(cháng)的關(guān)鍵性限制因素，土壤墑情信息的準確采集是進(jìn)行農田的節水灌溉、最優(yōu)調控的基礎和保證，對于節水技術(shù)有效的實(shí)施具有關(guān)鍵性的作用。本系統傳感器節點(diǎn)硬件結構如圖2所示。

系統采用TDR-3A型土壤溫濕度傳感器，該傳感器集溫度和濕度測量于一體，具有密封、防水、精度高的特點(diǎn)，是測量土壤溫濕度的理想儀器。溫度的量程是-40～+80℃，精度為±0．2℃；濕度的量程是0～100％，在O～50％范圍內精度為±2％。溫濕度傳感器輸出信號是4～20 mA的標準電流環(huán)，在主控制器電路上先進(jìn)行I／U轉換，然后進(jìn)行A／D轉換為數字信號后通過(guò)射頻天線(xiàn)發(fā)射出去。電流變換器采用RCV420JP芯片，該芯片集成電阻網(wǎng)絡(luò )、運算放大器和標準的10 V基準電壓源，能夠將4～20 mA的電流環(huán)轉換成0～5 V的電壓輸出。