基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng) 2011-05-16 09:08:40來源:互聯(lián)網(wǎng)

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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)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的體系結(jié)構(gòu)，基于CC2530芯片設(shè)計(jì)無線節(jié)點(diǎn)，開發(fā)了此節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，由無線傳感器節(jié)點(diǎn)、無線路由節(jié)點(diǎn)、無線網(wǎng)關(guān)、監(jiān)控中心四部分組成，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤溫濕變化，根據(jù)土壤墑情和作物用水規(guī)律實(shí)施精準(zhǔn)灌溉。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了節(jié)水灌溉的自動(dòng)化控制，有助于改善農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用率和灌溉系統(tǒng)自動(dòng)化的水平普遍較低的現(xiàn)狀。
關(guān)鍵詞：ZigBee；無線傳感器；節(jié)水灌溉；墑情監(jiān)測(cè)

農(nóng)業(yè)灌溉是我國的用水大戶，其用水量約占總用水量的70％。據(jù)統(tǒng)計(jì)，因干旱我國糧食每年平均受災(zāi)面積達(dá)兩千萬公頃，損失糧食占全國因?yàn)?zāi)減產(chǎn)糧食的50％50％。長期以來，由于技術(shù)、管理水平落后，導(dǎo)致灌溉用水浪費(fèi)十分嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用率僅40％40％。如果根據(jù)監(jiān)測(cè)土壤墑情信息，實(shí)時(shí)控制灌溉時(shí)機(jī)和水量，可以有效提高用水效率。而人工定時(shí)測(cè)量墑情，不但耗費(fèi)大量人力，而且做不到實(shí)時(shí)監(jiān)控；采用有線測(cè)控系統(tǒng)，則需要較高的布線成本，不便于擴(kuò)展，而且給農(nóng)田耕作帶來不便。因此，設(shè)計(jì)一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過ZigBee自組網(wǎng)方式構(gòu)成，從而避免了布線的不便、靈活性較差的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)土壤墑情的連續(xù)在線監(jiān)測(cè)，農(nóng)田節(jié)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，也為作物生長提供良好的生長環(huán)境。

1 系統(tǒng)構(gòu)架
1．1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用在該節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)中，其核心技術(shù)是ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)。 ZigBee是一種低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)率、低成本、高可靠信度、大網(wǎng)絡(luò)容量的雙向無線通信技術(shù)。由應(yīng)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(shè)備分為全功能設(shè)備(Full Function Device，F(xiàn)FD)和簡(jiǎn)化功能設(shè)備(Reduce Function Device，RFD)兩種。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持星型網(wǎng)、樹狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)采用混合網(wǎng)，底層為多個(gè)ZigBee監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集。每個(gè)ZigBee監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和若干的土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)采用星型結(jié)構(gòu)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)作為每個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的基站。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)具有雙重功能，一是充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的角色，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)建立和維護(hù)、數(shù)據(jù)匯集；二是作為監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心的接口，與監(jiān)控中心傳遞信息。此系統(tǒng)具有自動(dòng)組網(wǎng)功能，無線網(wǎng)關(guān)一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，新添加的無線傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)被網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)，這時(shí)無線路由會(huì)把節(jié)點(diǎn)的信息送給無線網(wǎng)關(guān)，有無線網(wǎng)關(guān)進(jìn)行編址并計(jì)算其路由信息，更新數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表和設(shè)備關(guān)聯(lián)表等。
1．2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)
該系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心，由無線傳感節(jié)點(diǎn)(RFD)、無線路由節(jié)點(diǎn)(FFD)、無線網(wǎng)關(guān)(FFD)、監(jiān)控中心四大部分組成，通過ZigBee自組網(wǎng)，監(jiān)控中心、無線網(wǎng)關(guān)之間通過GPRS進(jìn)行墑情及控制信息的傳遞。每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)通過溫濕度傳感器，自動(dòng)采集墑情信息，并結(jié)合預(yù)設(shè)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(jié)點(diǎn)通過太陽能電池供電，電池電壓被隨時(shí)監(jiān)控，一旦電壓過低，節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)出電壓過低的報(bào)警信號(hào)，發(fā)送成功后，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠狀態(tài)直到電量充足。其中無線網(wǎng)關(guān)連接ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)，是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)無線傳感器節(jié)點(diǎn)的管理。傳感器節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)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(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給就近的無線路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)根據(jù)路由算法選擇最佳路由，建立相應(yīng)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。通過網(wǎng)關(guān)把數(shù)據(jù)傳給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，便于用戶遠(yuǎn)程監(jiān)控管理。本文設(shè)計(jì)的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)
2．1 傳感器節(jié)點(diǎn)模塊
土壤水分是作物生長的關(guān)鍵性限制因素，土壤墑情信息的準(zhǔn)確采集是進(jìn)行農(nóng)田的節(jié)水灌溉、最優(yōu)調(diào)控的基礎(chǔ)和保證，對(duì)于節(jié)水技術(shù)有效的實(shí)施具有關(guān)鍵性的作用。本系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。