無線灌溉系統(tǒng)

1、1引言世界各國越來越認識到水已成為21世紀可持續(xù)發(fā)展的一個關鍵問題。中國水資源 已處于相當緊缺的程度，加上全國90%的廢、污水未經處理或處理未達標就直接排放的 水污染，11%的河流水質低于農田供水標準。水是農業(yè)的命脈,是生態(tài)環(huán)境的控制性要素， 同時又是戰(zhàn)略性的經濟資源，因此采用水泵抽取地下水灌溉農田，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，是我國目前精確農業(yè)的關鍵。采用節(jié)水和節(jié)能的灌水方法是當今世界供水技術發(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、計算機和控制技術運用到了農業(yè)供水中，大大

2、提高了用水 效率和生產力。而隨著我國經濟和科技的發(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基礎上，與國外發(fā)達國家有一定的差距。農田供水的任務是適時適量地將水自水源送至農田，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量可歸結為以下三大環(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?shù)墓嗨夹g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），經過光合作用將輻射能轉化為化學能 最后形成十物質（碳水化合物）。前兩個環(huán)節(jié)可依靠一系列工程技術和管理措施來實現(xiàn)。節(jié)水供水增產的目標應是極 大地提高上述兩個環(huán)節(jié)中水的轉化及產出效率。

3、本設計論文是針對第一個環(huán)節(jié)而研究設 計的。如果再根據(jù)作物農田實際情況結合滴灌、噴灑、施肥、除害等技術合理運用，我 國農業(yè)的前景將非常樂觀。2系統(tǒng)工作原理與硬件結構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 （風速）和空氣溫度等多種信息的采集來實現(xiàn)對農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)的硬件結構該系統(tǒng)由兩個子系統(tǒng)

4、組成，其一為控制中心：一個控制主機和無線傳感器網絡節(jié)點 組成。其二是遠程控制系統(tǒng)：GPRS通信模塊、Internet網絡傳輸與監(jiān)控中心主機。圖1 是系統(tǒng)的總體結構簡圖，圖中的無線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發(fā)平臺和無線通訊模塊組成。主機與無線傳感器網絡節(jié)點構成星型 拓撲無線網絡;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通信網絡成星型拓撲接入）后傳到遠程控制中心。舛L系統(tǒng)韁件結拘框囹2.3無線傳感器網絡硬件設計無線傳感器網絡模型（如圖1所示）是不同于傳統(tǒng)無線網絡的基礎設施網，通過在監(jiān) 測區(qū)域內隨意

5、布撤大量傳感器節(jié)點（簡稱節(jié)點）,由各節(jié)點自行協(xié)調并迅速組建通信網絡, 在能量利用率優(yōu)先考慮原則下進行工作任務劃分以獲取監(jiān)視區(qū)域信息。網絡的自組織特 性體現(xiàn)在當節(jié)點失效或新節(jié)點加入時網絡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，即網絡中的各節(jié)點除具備數(shù)據(jù)采集功能外兼有數(shù)據(jù)轉發(fā)實現(xiàn)多跳的 路由功能。無線傳感器網絡馥類節(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單片機系統(tǒng)的。被監(jiān)測物理信號的形式決定了傳感器的類 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。S 2傳感懇網壕樞圈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

7、線局域網。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，控制主機作為連接Internet網和無線傳感器網絡之間的協(xié)議轉換網 關。其硬件采用致遠電子公司MiniARM嵌入式工控模塊。MinilSA系列采集板卡采用智 能型板卡結構，即在板卡上內置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Mini

8、lSA接口主機的依賴，節(jié)省主機處理數(shù)據(jù)的時間，保 證MinilSA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。15 4 主控依St結柄昭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;它帶 有8個繼電器，可以用作開/關控制設備或小型電力開關;此外它還帶有2個可由用戶自 定義的隔離脈寬調制PWM輸出。MiniISA-GMT05001 人機界面板卡MiniISA-

9、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320X240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總線完成相應的顯示和按鍵功能。MiniISA GPRS 無線數(shù)傳設備 MiniISA-WG23MiniISA-WG23是基于GPRS網絡的智能型無線數(shù)傳設備(DTU),具有MiniISA并行接 口，能夠方便地嵌入到用戶的設備中，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)主要設計GPRS通信系統(tǒng)、GPRS與Internet網絡接入系統(tǒng)、

10、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用現(xiàn)有的移動公司與電信等互聯(lián)網資源，軟件考慮成本和專業(yè)功能可以自主開發(fā)，建議應用現(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。圖S律系總電系統(tǒng)電部（I）節(jié)點測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)軟件設計系統(tǒng)軟件包括兩大部分：傳感器網絡接點系統(tǒng)程序與主機控制系統(tǒng)程序。6.1采集系統(tǒng)程序無線傳感器網絡節(jié)點系統(tǒng)程序

11、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絡喚醒、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。設計中 對有效數(shù)據(jù)進行打包，格式為：前導碼、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。異步串口采用標準的串口格式， 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

12、。上位機與模塊間的 通信內容有兩類，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。若串口信息為命 令,DTR端應置為邏輯“0”，若串口信息為數(shù)據(jù)，則DTR端應置為邏輯“ 1”。當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，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，當模塊準備好,可以接收上位 機的信息時,此端為邏輯“0”；當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。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)命令的性質來發(fā)送相應的信令。當 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?；谵r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

14、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主控軟件程序設計ffl 7主技麻統(tǒng)軟件樞圖系統(tǒng)軟件采用分層設計，包括硬件設備驅動層、操作系統(tǒng)層、應用程序接口層和應 用軟件層。軟件系統(tǒng)結構如圖7所示。操作系統(tǒng)選擇小型的實時操作系統(tǒng)p C/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p C/OS-II實時操 作系統(tǒng)在內的豐富軟件資源，完整的軟硬件架構只需專注于編寫產品的應用程序。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雜功 能，使嵌入式系統(tǒng)設計更加簡潔方便。TCP / IP協(xié)議分為4層：鏈路層（ARP協(xié)議）、網絡 層（IP協(xié)議、ICMP協(xié)議）、傳輸層（TCP協(xié)議、UDP協(xié)議）、應用層（HTTP協(xié)議）。本系統(tǒng) 的TC