無線灌溉系統(tǒng)

1、1引言世界各國越來越認(rèn)識(shí)到水已成為21世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵問題。中國水資源 已處于相當(dāng)緊缺的程度，加上全國90%的廢、污水未經(jīng)處理或處理未達(dá)標(biāo)就直接排放的 水污染，11%的河流水質(zhì)低于農(nóng)田供水標(biāo)準(zhǔn)。水是農(nóng)業(yè)的命脈,是生態(tài)環(huán)境的控制性要素， 同時(shí)又是戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)資源，因此采用水泵抽取地下水灌溉農(nóng)田，實(shí)現(xiàn)水資源合理利用， 發(fā)展節(jié)水供水，改善生態(tài)環(huán)境，是我國目前精確農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵。采用節(jié)水和節(jié)能的灌水方法是當(dāng)今世界供水技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)。智能供水系統(tǒng)在國 外發(fā)達(dá)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(jì)算機(jī)和控制技術(shù)運(yùn)用到了農(nóng)業(yè)供水中，大大

2、提高了用水 效率和生產(chǎn)力。而隨著我國經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，節(jié)水供水系統(tǒng)發(fā)展得很快，但大多停留在 單片機(jī)控制為核心技術(shù)基礎(chǔ)上，與國外發(fā)達(dá)國家有一定的差距。農(nóng)田供水的任務(wù)是適時(shí)適量地將水自水源送至農(nóng)田，滿足作物生長的需要。供水從 天然狀態(tài)到被作物吸收最終形成產(chǎn)量可歸結(jié)為以下三大環(huán)節(jié)：（1）通過供水取、輸、配水系統(tǒng)將水引全田間；（2）然后以適當(dāng)?shù)墓嗨夹g(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(yǎng)分），經(jīng)過光合作用將輻射能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能 最后形成十物質(zhì)（碳水化合物）。前兩個(gè)環(huán)節(jié)可依靠一系列工程技術(shù)和管理措施來實(shí)現(xiàn)。節(jié)水供水增產(chǎn)的目標(biāo)應(yīng)是極 大地提高上述兩個(gè)環(huán)節(jié)中水的轉(zhuǎn)化及產(chǎn)出效率。

3、本設(shè)計(jì)論文是針對(duì)第一個(gè)環(huán)節(jié)而研究設(shè) 計(jì)的。如果再根據(jù)作物農(nóng)田實(shí)際情況結(jié)合滴灌、噴灑、施肥、除害等技術(shù)合理運(yùn)用，我 國農(nóng)業(yè)的前景將非常樂觀。2系統(tǒng)工作原理與硬件結(jié)構(gòu)2.1系統(tǒng)工作原理本文研究單片機(jī)系統(tǒng)通過多個(gè)傳感器對(duì)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實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田的精確自動(dòng)灌溉控制，輸出A的信號(hào) 信息通過無線全雙工數(shù)傳收發(fā)模塊傳送給控制中心（嵌入式系統(tǒng)）來確定是否啟動(dòng)水泵 為農(nóng)田供水，同時(shí)將此供水與否信息由GPRS通信通過Internet傳送到遠(yuǎn)方控制中心實(shí) 現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，并通過計(jì)算機(jī)中的一些模型來處理信息，作出供水計(jì)劃。2.2系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)由兩個(gè)子系統(tǒng)

4、組成，其一為控制中心：一個(gè)控制主機(jī)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn) 組成。其二是遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)：GPRS通信模塊、Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸與監(jiān)控中心主機(jī)。圖1 是系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，圖中的無線通訊模塊結(jié)構(gòu)完全相同。控制主機(jī)由基于MiniARM 嵌入式微控制器的開發(fā)平臺(tái)和無線通訊模塊組成。主機(jī)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成星型 拓?fù)錈o線網(wǎng)絡(luò);遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)由GPRS模塊Mini-WG23實(shí)現(xiàn)Internet接入（本系統(tǒng)可以擴(kuò) 展，使GPRS通信網(wǎng)絡(luò)成星型拓?fù)浣尤耄┖髠鞯竭h(yuǎn)程控制中心。舛L系統(tǒng)韁件結(jié)拘框囹2.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模型（如圖1所示）是不同于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)，通過在監(jiān) 測(cè)區(qū)域內(nèi)隨意

5、布撤大量傳感器節(jié)點(diǎn)（簡(jiǎn)稱節(jié)點(diǎn)）,由各節(jié)點(diǎn)自行協(xié)調(diào)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(jiān)視區(qū)域信息。網(wǎng)絡(luò)的自組織特 性體現(xiàn)在當(dāng)節(jié)點(diǎn)失效或新節(jié)點(diǎn)加入時(shí)網(wǎng)絡(luò)能夠自適應(yīng)重新組建，以調(diào)整全局的探測(cè)精度, 充分發(fā)揮資源優(yōu)勢(shì)，即網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)除具備數(shù)據(jù)采集功能外兼有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)多跳的 路由功能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)馥類節(jié)點(diǎn)的組成一般都由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和 電源這四部分組成。其中每一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)都是一樣。本設(shè)計(jì)的 研究設(shè)計(jì)方案是只針對(duì)一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的。被監(jiān)測(cè)物理信號(hào)的形式?jīng)Q定了傳感器的類 型。處理器通常選用嵌入式CPU,如MOTOROLA公司的68H

6、C16、C51系列單片機(jī)等。數(shù)據(jù) 傳輸單元可以選擇由低功耗、短距離的無線通信模塊組成，但考慮防盜與自然損壞，本系 統(tǒng)選擇功耗較大、傳輸距離較遠(yuǎn)的SA68D21DL,農(nóng)民可以在辦公室或家中安放主控制器。 圖2描述了節(jié)點(diǎn)的組成，其中，箭頭的方向表示數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)中的流動(dòng)方向。S 2傳感懇網(wǎng)壕樞圈2.4無線通信模塊選擇對(duì)于移動(dòng)或便攜式數(shù)據(jù)采集測(cè)控系統(tǒng)而言，采用無線數(shù)據(jù)傳輸是一種較好的選擇方 案。由北京捷麥通信器材有限公司生產(chǎn)的SA68D21DL無線數(shù)據(jù)報(bào)警收發(fā)模塊就是一款可 在微機(jī)與微機(jī)之間，或微機(jī)與單片機(jī)之間進(jìn)行全雙工遠(yuǎn)距離無線通信的收發(fā)模塊。該模 塊還可組成最多65535點(diǎn)的單發(fā)多收或多發(fā)單收形式無

7、線局域網(wǎng)。其上位機(jī)硬件接線電 路如圖3所示。2.5電源在該系統(tǒng)中，SA68D21DL為較高電壓器件，電壓要求為6 V,為了與之接口，AT89S51 也工作在6V（AT89C2051是寬電壓器件）電壓下。該系統(tǒng)用+6 V電源供電,可以通過支流 穩(wěn)壓電源得到,考慮干擾與系統(tǒng)穩(wěn)定，建議用十電池供電。3主控系統(tǒng)在該系統(tǒng)中，控制主機(jī)作為連接Internet網(wǎng)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng) 關(guān)。其硬件采用致遠(yuǎn)電子公司MiniARM嵌入式工控模塊。MinilSA系列采集板卡采用智 能型板卡結(jié)構(gòu)，即在板卡上內(nèi)置MCU。板載MCU對(duì)板卡上I / O端口進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)I/O 數(shù)據(jù)的緩存，從而降低板卡對(duì)于Mini

8、lSA接口主機(jī)的依賴，節(jié)省主機(jī)處理數(shù)據(jù)的時(shí)間，保 證MinilSA系統(tǒng)更加高效的運(yùn)行。此外板載MCU可以對(duì)采集的數(shù)據(jù)或者輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn) 一步的處理。系統(tǒng)電路圖如圖4所示。15 4 主控依St結(jié)柄昭MiniISA-8016A數(shù)字量輸入繼電器輸出板卡MinilSA- 8016A是一款用于MiniISA總線的繼電器輸出和隔離數(shù)字量輸入卡，該卡 提供8路隔離數(shù)字量輸入，在噪聲環(huán)境下為采集數(shù)字量提供1 500 VDC的隔離保護(hù);它帶 有8個(gè)繼電器，可以用作開/關(guān)控制設(shè)備或小型電力開關(guān);此外它還帶有2個(gè)可由用戶自 定義的隔離脈寬調(diào)制PWM輸出。MiniISA-GMT05001 人機(jī)界面板卡MiniISA-

9、GMT05001是一款基于MiniISA總線的人機(jī)界面板卡，適用于任何具有 MiniISA總線主控電路的底板上。采用5.7英寸、分辨率為320X240的單色屏，支持觸摸屏操作功能，提供了六個(gè)按 鍵輸入。通過操作MiniISA總線完成相應(yīng)的顯示和按鍵功能。MiniISA GPRS 無線數(shù)傳設(shè)備 MiniISA-WG23MiniISA-WG23是基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的智能型無線數(shù)傳設(shè)備(DTU),具有MiniISA并行接 口，能夠方便地嵌入到用戶的設(shè)備中，提供透明的數(shù)據(jù)傳輸功能，可以方便地實(shí)現(xiàn)無線的 數(shù)據(jù)傳輸。4遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)GPRS通信系統(tǒng)、GPRS與Internet網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)、

10、監(jiān)控中心 主機(jī)友好界面顯示控制系統(tǒng)。這一部分硬件部分可以應(yīng)用現(xiàn)有的移動(dòng)公司與電信等互聯(lián)網(wǎng)資源，軟件考慮成本和專業(yè)功能可以自主開發(fā)，建議應(yīng)用現(xiàn)有遠(yuǎn)程軟件，如波爾遠(yuǎn)程 控制軟件、湖南省遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備有限公司的RC- 2000可視化遠(yuǎn)程控制軟件系統(tǒng)。5水泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路考慮強(qiáng)電弱電隔離作用，水泵供電系統(tǒng)可以考慮與整個(gè)系統(tǒng)分開設(shè)計(jì)。利用系統(tǒng)板 上的繼電器控制電機(jī)電源即可實(shí)現(xiàn)，電路如圖5所示。圖S律系總電系統(tǒng)電部（I）節(jié)點(diǎn)測(cè)值浪葬無故瘙收中犬攻暗收中贏奇供弭摩用6 摩部集集策蛛枝肝站兩圖6系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件包括兩大部分：傳感器網(wǎng)絡(luò)接點(diǎn)系統(tǒng)程序與主機(jī)控制系統(tǒng)程序。6.1采集系統(tǒng)程序無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)程序

11、由主程序、數(shù)據(jù)采集子程序、與上位機(jī)通信的子程序 等部分組成。這里介紹主程序的設(shè)計(jì)框圖。6.2通信協(xié)議研究上位PC機(jī)作為控制中心必須具備網(wǎng)絡(luò)喚醒、數(shù)據(jù)處理、路由維護(hù)功能。C+Builder、 Delphi和微軟的Visual Basic都是可選的快速開發(fā)工具。上層軟件功能由Delphi實(shí)現(xiàn)， 考慮到點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的可靠性,數(shù)據(jù)在底層無線傳輸中需要增加必要的協(xié)議規(guī)范。設(shè)計(jì)中 對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，格式為：前導(dǎo)碼、地址、有效數(shù)據(jù)載荷、校驗(yàn)碼。6.2.1串口通信格式上位機(jī)與模塊間的通信是通過異步串口來完成的。異步串口采用標(biāo)準(zhǔn)的串口格式， 即1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位和1個(gè)停止位，傳輸速率為1 200 b / s

12、。上位機(jī)與模塊間的 通信內(nèi)容有兩類，一類是數(shù)據(jù)，一類是命令。6.2.2數(shù)據(jù)及命令的區(qū)分當(dāng)上位機(jī)向模塊傳送信息時(shí),DTR端的功能是指示串口信息的性質(zhì)。若串口信息為命 令,DTR端應(yīng)置為邏輯“0”，若串口信息為數(shù)據(jù)，則DTR端應(yīng)置為邏輯“ 1”。當(dāng)模塊向上位機(jī)傳送信息時(shí),DSR端可用來指示串口信息的性質(zhì)，若串口信息為命 令,DSR端為邏輯“0”，若串口信息為數(shù)據(jù),DSR端為邏輯“ 1”。當(dāng)模塊串口無數(shù)據(jù)發(fā)出 時(shí),DSR端的功能可指示模塊是否可以接收上位機(jī)的信息，當(dāng)模塊準(zhǔn)備好,可以接收上位 機(jī)的信息時(shí),此端為邏輯“0”；當(dāng)模塊不能接收計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)時(shí),此端為邏輯“ 1”。6.2.3命令和數(shù)據(jù)傳送格式S

13、A68D21DL的命令傳送格式為：D7H命令碼H參數(shù)H其中,D7H為命令碼的特征碼，即字頭。命令碼為一字節(jié)長度，代表命令的性質(zhì)。不同 的命令碼有不同的參數(shù)，模塊在收到命令后，將根據(jù)命令碼的不同，分析參數(shù)并執(zhí)行命 令。對(duì)于有些需要發(fā)送信令的命令,模塊將根據(jù)命令的性質(zhì)來發(fā)送相應(yīng)的信令。當(dāng) SA68D21DL在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時(shí),不論是上位機(jī)傳給模塊，還是模塊傳給上位機(jī)的數(shù)據(jù)，都 采用無格式傳送方式?；谵r(nóng)田實(shí)際工程，采用平面路由協(xié)議DD(Directed Diffusion)定向擴(kuò)散路由是 一種以數(shù)據(jù)為中心的信息傳播協(xié)議，與已有的路由算法有著截然不同的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，運(yùn)行 DD的傳感器節(jié)點(diǎn)使用基于屬性的命名

14、機(jī)制來描述數(shù)據(jù)，并通過向所有節(jié)點(diǎn)發(fā)送對(duì)某個(gè)命 名數(shù)據(jù)的INTEREST(任務(wù)描述符)來完成數(shù)據(jù)收集。在傳播INTEREST的過程中，指定范圍 內(nèi)的節(jié)點(diǎn)利用緩存機(jī)制動(dòng)態(tài)維護(hù)接收數(shù)據(jù)的屬性及指向信息源的梯度矢量等信息，同時(shí) 激活傳感器來采集與該INTEREST相匹配的信息。節(jié)點(diǎn)對(duì)采集的信息進(jìn)行簡(jiǎn)單的預(yù)處理 后，利用本地化規(guī)則和加強(qiáng)算法建立一條到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)的最佳路徑。6.3主控軟件程序設(shè)計(jì)ffl 7主技麻統(tǒng)軟件樞圖系統(tǒng)軟件采用分層設(shè)計(jì)，包括硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)層、操作系統(tǒng)層、應(yīng)用程序接口層和應(yīng) 用軟件層。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。操作系統(tǒng)選擇小型的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)p C/OS-II 是基于以下考慮：廣州致遠(yuǎn)公司MiniARM嵌入式工控模塊提供正版p C/OS-II實(shí)時(shí)操 作系統(tǒng)在內(nèi)的豐富軟件資源，完整的軟硬件架構(gòu)只需專注于編寫產(chǎn)品的應(yīng)用程序。幾行 代碼即可實(shí)現(xiàn)TCP / IP通信、CAN-BUS現(xiàn)場(chǎng)總線通信、USB通信和大容量存儲(chǔ)等復(fù)雜功 能，使嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔方便。TCP / IP協(xié)議分為4層：鏈路層（ARP協(xié)議）、網(wǎng)絡(luò) 層（IP協(xié)議、ICMP協(xié)議）、傳輸層（TCP協(xié)議、UDP協(xié)議）、應(yīng)用層（HTTP協(xié)議）。本系統(tǒng) 的TC