基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的智能灌溉系統研究

1 引 言

世界各國越來(lái)越認識到水已成為21世紀可持續發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。中國水資源已處于相當緊缺的程度，加上全國90％的廢、污水未經(jīng)處理或處理未達標就直接排放的水污染，11%的河流水質(zhì)低于農田供水標準。水是農業(yè)的命脈，是生態(tài)環(huán)境的控制性要素，同時(shí)又是戰略性的經(jīng)濟資源，因此采用水泵抽取地下水灌溉農田，實(shí)現水資源合理利用，發(fā)展節水供水，改善生態(tài)環(huán)境，是我國目前精確農業(yè)的關(guān)鍵。

采用節水和節能的灌水方法是當今世界供水技術(shù)發(fā)展的總趨勢。智能供水系統在國外發(fā)達國家推廣得比較快，技術(shù)發(fā)展也比較成熟，起步也比較早，特別是以色列、美國和加拿大等國，先進(jìn)的電子技術(shù)、計算機和控制技術(shù)運用到了農業(yè)供水中，大大提高了用水效率和生產(chǎn)力。而隨著(zhù)我國經(jīng)濟和科技的發(fā)展，節水供水系統發(fā)展得很快，但大多停留在單片機控制為核心技術(shù)基礎上，與國外發(fā)達國家有一定的差距。

農田供水的任務(wù)是適時(shí)適量地將水自水源送至農田，滿(mǎn)足作物生長(cháng)的需要。供水從天然狀態(tài)到被作物吸收最終形成產(chǎn)量可歸結為以下三大環(huán)節：

(1)通過(guò)供水取、輸、配水系統將水引至田間；

(2)然后以適當的灌水技術(shù)將水變成可供作物吸收的土壤水；

(3)作物根系自土壤中吸收水分(包括養分)，經(jīng)過(guò)光合作用將輻射能轉化為化學(xué)能最后形成干物質(zhì)(碳水化合物)。

前兩個(gè)環(huán)節可依靠一系列工程技術(shù)和管理措施來(lái)實(shí)現。節水供水增產(chǎn)的目標應是極大地提高上述兩個(gè)環(huán)節中水的轉化及產(chǎn)出效率。本設計論文是針對第一個(gè)環(huán)節而研究設計的。如果再根據作物農田實(shí)際情況結合滴灌、噴灑、施肥、除害等技術(shù)合理運用，我國農業(yè)的前景將非常樂(lè )觀(guān)。

2 系統工作原理與硬件結構

2.1 系統工作原理

本文研究單片機系統通過(guò)多個(gè)傳感器對濕度、溫度、降雨量、酸堿度、水分蒸發(fā)量(風(fēng)速)和空氣溫度等多種信息的采集來(lái)實(shí)現對農田的精確自動(dòng)灌溉控制，輸出A的信號信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)全雙工數傳收發(fā)模塊傳送給控制中心(嵌入式系統)來(lái)確定是否啟動(dòng)水泵為農田供水，同時(shí)將此供水與否信息由GPRS通信通過(guò)Internet傳送到遠方控制中心實(shí)現遠程監控，并通過(guò)計算機中的一些模型來(lái)處理信息，作出供水計劃。

2.2 系統的硬件結構

該系統由兩個(gè)子系統組成，其一為控制中心：一個(gè)控制主機和無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)組成。其二是遠程控制系統：GPRS通信模塊、Internet網(wǎng)絡(luò )傳輸與監控中心主機。圖1是系統的總體結構簡(jiǎn)圖，圖中的無(wú)線(xiàn)通訊模塊結構完全相同?？刂浦鳈C由基于MiniARM嵌入式微控制器的開(kāi)發(fā)平臺和無(wú)線(xiàn)通訊模塊組成。主機與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)構成星型拓撲無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )；遠程控制系統由GPRS模塊Mini-WG23實(shí)現Internet接入(本系統可以擴展，使GPRS通信網(wǎng)絡(luò )成星型拓撲接入)后傳到遠程控制中心。

2.3 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )硬件設計

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )模型(如圖1所示)是不同于傳統無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的基礎設施網(wǎng)，通過(guò)在監測區域內隨意布撤大量傳感器節點(diǎn)(簡(jiǎn)稱(chēng)節點(diǎn))，由各節點(diǎn)自行協(xié)調并迅速組建通信網(wǎng)絡(luò )，在能量利用率優(yōu)先考慮原則下進(jìn)行工作任務(wù)劃分以獲取監視區域信息。網(wǎng)絡(luò )的自組織特性體現在當節點(diǎn)失效或新節點(diǎn)加入時(shí)網(wǎng)絡(luò )能夠自適應重新組建，以調整全局的探測精度，充分發(fā)揮資源優(yōu)勢，即網(wǎng)絡(luò )中的各節點(diǎn)除具備數據采集功能外兼有數據轉發(fā)實(shí)現多跳的路由功能。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )馥類(lèi)節點(diǎn)的組成一般都由數據采集、數據處理、數據傳輸和電源這四部分組成。其中每一個(gè)單片機系統的硬件設計和軟件設計都是一樣。本設計的研究設計方案是只針對一個(gè)單片機系統的。被監測物理信號的形式?jīng)Q定了傳感器的類(lèi)型。處理器通常選用嵌入式CPU，如MOTOROLA公司的68HC16、C51系列單片機等。數據傳輸單元可以選擇由低功耗、短距離的無(wú)線(xiàn)通信模塊組成，但考慮防盜與自然損壞，本系統選擇功耗較大、傳輸距離較遠的SA68D21DL，農民可以在辦公室或家中安放主控制器。圖2描述了節點(diǎn)的組成，其中，箭頭的方向表示數據在節點(diǎn)中的流動(dòng)方向。

2.4 無(wú)線(xiàn)通信模塊選擇