基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能灌溉系統(tǒng)研究

1 引 言

世界各國越來越認識到水已成為21世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展的一個關(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，同時又是戰(zhàn)略性的經(jīng)濟資源，因此采用水泵抽取地下水灌溉農(nóng)田，實現(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。智能供水系統(tǒng)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，先進的電子技術(shù)、計算機和控制技術(shù)運用到了農(nóng)業(yè)供水中，大大提高了用水效率和生產(chǎn)力。而隨著我國經(jīng)濟和科技的發(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控制為核心技術(shù)基礎(chǔ)上，與國外發(fā)達國家有一定的差距。

農(nóng)田供水的任務(wù)是適時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)將水引至田間；

(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)能最后形成干物質(zhì)(碳水化合物)。

前兩個環(huán)節(jié)可依靠一系列工程技術(shù)和管理措施來實現(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環(huán)節(jié)中水的轉(zhuǎn)化及產(chǎn)出效率。本設(shè)計論文是針對第一個環(huán)節(jié)而研究設(shè)計的。如果再根據(jù)作物農(nóng)田實際情況結(jié)合滴灌、噴灑、施肥、除害等技術(shù)合理運用，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

本文研究單片機系統(tǒng)通過多個傳感器對濕度、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實現(xiàn)對農(nóng)田的精確自動灌溉控制，輸出A的信號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))來確定是否啟動水泵為農(nóng)田供水，同時將此供水與否信息由GPRS通信通過Internet傳送到遠方控制中心實現(xiàn)遠程監(jiān)控，并通過計算機中的一些模型來處理信息，作出供水計劃。

2.2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)由兩個子系統(tǒng)組成，其一為控制中心：一個控制主機和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成。其二是遠程控制系統(tǒng)：GPRS通信模塊、Internet網(wǎng)絡(luò)傳輸與監(jiān)控中心主機。圖1是系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)簡圖，圖中的無線通訊模塊結(jié)構(gòu)完全相同?？刂浦鳈C由基于MiniARM嵌入式微控制器的開發(fā)平臺和無線通訊模塊組成。主機與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點構(gòu)成星型拓撲無線網(wǎng)絡(luò)；遠程控制系統(tǒng)由GPRS模塊Mini-WG23實現(xiàn)Internet接入(本系統(tǒng)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 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計

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)測區(qū)域內(nèi)隨意布撤大量傳感器節(jié)點(簡稱節(jié)點)，由各節(jié)點自行協(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)點失效或新節(jié)點加入時網(wǎng)絡(luò)能夠自適應(yīng)重新組建，以調(diào)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(jié)點除具備數(shù)據(jù)采集功能外兼有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)多跳的路由功能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)馥類節(jié)點的組成一般都由數(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。其中每一個單片機系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計都是一樣。本設(shè)計的研究設(shè)計方案是只針對一個單片機系統(tǒng)的。被監(jiān)測物理信號的形式?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68HC16、C51系列單片機等。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)點的組成，其中，箭頭的方向表示數(shù)據(jù)在節(jié)點中的流動方向。

2.4 無線通信模塊選擇

對于移動或便攜式數(shù)據(jù)采集測控系統(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)報警收發(fā)模塊就是一款可在微機與微機之間，或微機與單片機之間進行全雙工遠距離無線通信的收發(fā)模塊。該模塊還可組成最多65535點的單發(fā)多收或多發(fā)單收形式無線局域網(wǎng)。其上位機硬件接線電路如圖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6 V(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，建議用干電池供電。

3 主控系統(tǒng)

在該系統(tǒng)中，控制主機作為連接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)。其硬件采用致遠電子公司MiniARM嵌入式工控模塊。MiniISA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對板卡上I／O端口進行控制，實現(xiàn)I／O數(shù)據(jù)的緩存，從而降低板卡對于MiniISA接口主機的依賴，節(jié)省主機處理數(shù)據(jù)的時間，保證MiniISA系統(tǒng)更加高效的運行。此外板載MCU可以對采集的數(shù)據(jù)或者輸出數(shù)據(jù)進行進一步的處理。系統(tǒng)電路圖如圖4所示。

3.1 MiniISA-8016A數(shù)字量輸入繼電器輸出板卡

MiniISA-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；它帶有8個繼電器，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個可由用戶自定義的隔離脈寬調(diào)制PWM輸出。

3.2 MiniISA-GMT05001人機界面板卡

MiniISA-GMT05001是一款基于MiniISA總線的人機界面板卡，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320×240的單色屏，支持觸摸屏操作功能，提供了六個按鍵輸入。通過操作MiniISA總線完成相應(yīng)的顯示和按鍵功能。

3.3 MiniISA GPRS無線數(shù)傳設(shè)備MiniISA-WG23

MiniISA-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，可以方便地實現(xiàn)無線的數(shù)據(jù)傳輸。

4 遠程控制系統(tǒng)

遠程控制系統(tǒng)主要設(shè)計GPRS通信系統(tǒng)、GPRS與Internet網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)、監(jiān)控中心主機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)有遠程軟件，如《波爾遠程控制》軟件、湖南省遠程監(jiān)控設(shè)備有限公司的RC-2000可視化遠程控制軟件系統(tǒng)。

5 水泵電機驅(qū)動電路

考慮強電弱電隔離作用，水泵供電系統(tǒng)可以考慮與整個系統(tǒng)分開設(shè)計。利用系統(tǒng)板上的繼電器控制電機電源即可實現(xiàn)，電路如圖5所示。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包括兩大部分：傳感器網(wǎng)絡(luò)接點系統(tǒng)程序與主機控制系統(tǒng)程序。

6.1 采集系統(tǒng)程序

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點系統(tǒng)程序由主程序、數(shù)據(jù)采集子程序、與上位機通信的子程序等部分組成。這里介紹主程序的設(shè)計框圖。

6.2 通信協(xié)議研究

上位PC機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實現(xiàn)，考慮到點對點通信的可靠性，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)計中對有效數(shù)據(jù)進行打包，格式為：前導(dǎo)碼、地址、有效數(shù)據(jù)載荷、校驗碼。

6.2.1 串口通信格式

上位機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個起始位、8個數(shù)據(jù)位和1個停止位，傳輸速率為1 200 b／s。上位機與模塊間的通信內(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)上位機向模塊傳送信息時，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)模塊向上位機傳送信息時，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，DSR端的功能可指示模塊是否可以接收上位機的信息，當(dāng)模塊準(zhǔn)備好，可以接收上位機的信息時，此端為邏輯“0”；當(dāng)模塊不能接收計算機的數(shù)據(jù)時，此端為邏輯“1”。

6.2.3 命令和數(shù)據(jù)傳送格式

SA68D21DL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在進行數(shù)據(jù)傳送時，不論是上位機傳給模塊，還是模塊傳給上位機的數(shù)據(jù)，都采用無格式傳送方式。

基于農(nóng)田實際工程，采用平面路由協(xié)議DD(Directed Diffusion)定向擴散路由是一種以數(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現(xiàn)機制，運行DD的傳感器節(jié)點使用基于屬性的命名機制來描述數(shù)據(jù)，并通過向所有節(jié)點發(fā)送對某個命名數(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)點利用緩存機制動態(tài)維護接收數(shù)據(jù)的屬性及指向信息源的梯度矢量等信息，同時激活傳感器來采集與該INTEREST相匹配的信息。節(jié)點對采集的信息進行簡單的預(yù)處理后，利用本地化規(guī)則和加強算法建立一條到達目的節(jié)點的最佳路徑。

6.3 主控軟件程序設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用分層設(shè)計，包括硬件設(shè)備驅(qū)動層、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)選擇小型的實時操作系統(tǒng)μC／OS-II是基于以下考慮：廣州致遠公司MiniARM嵌入式工控模塊提供正版μC／OS-II實時操作系統(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。幾行代碼即可實現(xiàn)TCP／IP通信、CAN-BUS現(xiàn)場總線通信、USB通信和大容量存儲等復(fù)雜功能，使嵌入式系統(tǒng)設(shè)計更加簡潔方便。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TCP／IP協(xié)議棧選擇UIP1.0。

7 結(jié)語

本文研究了基于嵌入式系統(tǒng)而設(shè)計出來的智能廣域農(nóng)田供水系統(tǒng)，當(dāng)檢測到農(nóng)田缺水信息時能夠通過自動控制繼電器來啟動供水水泵，而且實現(xiàn)了遠程GPRS通信，可以通過PC機來了解系統(tǒng)的運行狀況并可對其控制，能夠自動采集土壤信息來自行確定是否啟動水泵為農(nóng)田供水，這正符合我國農(nóng)村的基本國情。

本系統(tǒng)操作簡單，對系統(tǒng)改造一下，可以設(shè)計成庭院自動供水系統(tǒng)、溫室自動供水系統(tǒng)和花園自動供水系統(tǒng)等，故本系統(tǒng)的可擴展性比較好，前景比較廣闊。