基于无线传感器网络的智能灌溉系统研究

1 引 言

世界各国越来越认识到水已成为21世纪可持续发展的一个关键问题。中国水资源已处于相当紧缺的程度，加上全国90％的废、污水未经处理或处理未达标就直接排放的水污染，11%的河流水质低于农田供水标准。水是农业的命脉，是生态环境的控制性要素，同时又是战略性的经济资源，因此采用水泵抽取地下水灌溉农田，实现水资源合理利用，发展节水供水，改善生态环境，是我国目前精确农业的关键。

采用节水和节能的灌水方法是当今世界供水技术发展的总趋势。智能供水系统在国外发达国家推广得比较快，技术发展也比较成熟，起步也比较早，特别是以色列、美国和加拿大等国，先进的电子技术、计算机和控制技术运用到了农业供水中，大大提高了用水效率和生产力。而随着我国经济和科技的发展，节水供水系统发展得很快，但大多停留在单片机控制为核心技术基础上，与国外发达国家有一定的差距。

农田供水的任务是适时适量地将水自水源送至农田，满足作物生长的需要。供水从天然状态到被作物吸收最终形成产量可归结为以下三大环节：

(1)通过供水取、输、配水系统将水引至田间；

(2)然后以适当的灌水技术将水变成可供作物吸收的土壤水；

(3)作物根系自土壤中吸收水分(包括养分)，经过光合作用将辐射能转化为化学能最后形成干物质(碳水化合物)。

前两个环节可依靠一系列工程技术和管理措施来实现。节水供水增产的目标应是极大地提高上述两个环节中水的转化及产出效率。本设计论文是针对第一个环节而研究设计的。如果再根据作物农田实际情况结合滴灌、喷洒、施肥、除害等技术合理运用，我国农业的前景将非常乐观。

2 系统工作原理与硬件结构

2.1 系统工作原理

本文研究单片机系统通过多个传感器对湿度、温度、降雨量、酸碱度、水分蒸发量(风速)和空气温度等多种信息的采集来实现对农田的精确自动灌溉控制，输出A的信号信息通过无线全双工数传收发模块传送给控制中心(嵌入式系统)来确定是否启动水泵为农田供水，同时将此供水与否信息由GPRS通信通过Internet传送到远方控制中心实现远程监控，并通过计算机中的一些模型来处理信息，作出供水计划。

2.2 系统的硬件结构

该系统由两个子系统组成，其一为控制中心：一个控制主机和无线传感器网络节点组成。其二是远程控制系统：GPRS通信模块、Internet网络传输与监控中心主机。图1是系统的总体结构简图，图中的无线通讯模块结构完全相同。控制主机由基于MiniARM嵌入式微控制器的开发平台和无线通讯模块组成。主机与无线传感器网络节点构成星型拓扑无线网络；远程控制系统由GPRS模块Mini-WG23实现Internet接入(本系统可以扩展，使GPRS通信网络成星型拓扑接入)后传到远程控制中心。

2.3 无线传感器网络硬件设计

无线传感器网络模型(如图1所示)是不同于传统无线网络的基础设施网，通过在监测区域内随意布撤大量传感器节点(简称节点)，由各节点自行协调并迅速组建通信网络，在能量利用率优先考虑原则下进行工作任务划分以获取监视区域信息。网络的自组织特性体现在当节点失效或新节点加入时网络能够自适应重新组建，以调整全局的探测精度，充分发挥资源优势，即网络中的各节点除具备数据采集功能外兼有数据转发实现多跳的路由功能。无线传感器网络馥类节点的组成一般都由数据采集、数据处理、数据传输和电源这四部分组成。其中每一个单片机系统的硬件设计和软件设计都是一样。本设计的研究设计方案是只针对一个单片机系统的。被监测物理信号的形式决定了传感器的类型。处理器通常选用嵌入式CPU，如MOTOROLA公司的68HC16、C51系列单片机等。数据传输单元可以选择由低功耗、短距离的无线通信模块组成，但考虑防盗与自然损坏，本系统选择功耗较大、传输距离较远的SA68D21DL，农民可以在办公室或家中安放主控制器。图2描述了节点的组成，其中，箭头的方向表示数据在节点中的流动方向。

2.4 无线通信模块选择

对于移动或便携式数据采集测控系统而言，采用无线数据传输是一种较好的选择方案。由北京捷麦通信器材有限公司生产的SA68D21DL无线数据报警收发模块就是一款可在微机与微机之间，或微机与单片机之间进行全双工远距离无线通信的收发模块。该模块还可组成最多65535点的单发多收或多发单收形式无线局域网。其上位机硬件接线电路如图3所示。

2.5 电源

在该系统中，SA68D21DL为较高电压器件，电压要求为6 V，为了与之接口，AT89S51也工作在6 V(AT89C2051是宽电压器件)电压下。该系统用+6 V电源供电，可以通过支流稳压电源得到，考虑干扰与系统稳定，建议用干电池供电。

3 主控系统

在该系统中，控制主机作为连接Internet网和无线传感器网络之间的协议转换网关。其硬件采用致远电子公司MiniARM嵌入式工控模块。MiniISA系列采集板卡采用智能型板卡结构，即在板卡上内置MCU。板载MCU对板卡上I／O端口进行控制，实现I／O数据的缓存，从而降低板卡对于MiniISA接口主机的依赖，节省主机处理数据的时间，保证MiniISA系统更加高效的运行。此外板载MCU可以对采集的数据或者输出数据进行进一步的处理。系统电路图如图4所示。

3.1 MiniISA-8016A数字量输入继电器输出板卡

MiniISA-8016A是一款用于MiniISA总线的继电器输出和隔离数字量输入卡，该卡提供8路隔离数字量输入，在噪声环境下为采集数字量提供1 500 VDC的隔离保护；它带有8个继电器，可以用作开／关控制设备或小型电力开关；此外它还带有2个可由用户自定义的隔离脉宽调制PWM输出。

3.2 MiniISA-GMT05001人机界面板卡

MiniISA-GMT05001是一款基于MiniISA总线的人机界面板卡，适用于任何具有MiniISA总线主控电路的底板上。

采用5.7英寸、分辨率为320×240的单色屏，支持触摸屏操作功能，提供了六个按键输入。通过操作MiniISA总线完成相应的显示和按键功能。

3.3 MiniISA GPRS无线数传设备MiniISA-WG23

MiniISA-WG23是基于GPRS网络的智能型无线数传设备(DTU)，具有MiniISA并行接口，能够方便地嵌入到用户的设备中，提供透明的数据传输功能，可以方便地实现无线的数据传输。

4 远程控制系统

远程控制系统主要设计GPRS通信系统、GPRS与Internet网络接入系统、监控中心主机友好界面显示控制系统。这一部分硬件部分可以应用现有的移动公司与电信等互联网资源，软件考虑成本和专业功能可以自主开发，建议应用现有远程软件，如《波尔远程控制》软件、湖南省远程监控设备有限公司的RC-2000可视化远程控制软件系统。

5 水泵电机驱动电路

考虑强电弱电隔离作用，水泵供电系统可以考虑与整个系统分开设计。利用系统板上的继电器控制电机电源即可实现，电路如图5所示。

6 系统软件设计

系统软件包括两大部分：传感器网络接点系统程序与主机控制系统程序。

6.1 采集系统程序

无线传感器网络节点系统程序由主程序、数据采集子程序、与上位机通信的子程序等部分组成。这里介绍主程序的设计框图。

6.2 通信协议研究

上位PC机作为控制中心必须具备网络唤醒、数据处理、路由维护功能。C++Builder、Delphi和微软的Visual Basic都是可选的快速开发工具。上层软件功能由Delphi实现，考虑到点对点通信的可靠性，数据在底层无线传输中需要增加必要的协议规范。设计中对有效数据进行打包，格式为：前导码、地址、有效数据载荷、校验码。

6.2.1 串口通信格式

上位机与模块间的通信是通过异步串口来完成的。异步串口采用标准的串口格式，即1个起始位、8个数据位和1个停止位，传输速率为1 200 b／s。上位机与模块间的通信内容有两类，一类是数据，一类是命令。

6.2.2 数据及命令的区分

当上位机向模块传送信息时，DTR端的功能是指示串口信息的性质。若串口信息为命令，DTR端应置为逻辑“0”，若串口信息为数据，则DTR端应置为逻辑“1”。

当模块向上位机传送信息时，DSR端可用来指示串口信息的性质，若串口信息为命令，DSR端为逻辑“0”，若串口信息为数据，DSR端为逻辑“1”。当模块串口无数据发出时，DSR端的功能可指示模块是否可以接收上位机的信息，当模块准备好，可以接收上位机的信息时，此端为逻辑“0”；当模块不能接收计算机的数据时，此端为逻辑“1”。

6.2.3 命令和数据传送格式

SA68D21DL的命令传送格式为：

D7H 命令码H 参数H

其中，D7H为命令码的特征码，即字头。命令码为一字节长度，代表命令的性质。不同的命令码有不同的参数，模块在收到命令后，将根据命令码的不同，分析参数并执行命令。对于有些需要发送信令的命令，模块将根据命令的性质来发送相应的信令。当SA68D21DL在进行数据传送时，不论是上位机传给模块，还是模块传给上位机的数据，都采用无格式传送方式。

基于农田实际工程，采用平面路由协议DD(Directed Diffusion)定向扩散路由是一种以数据为中心的信息传播协议，与已有的路由算法有着截然不同的实现机制，运行DD的传感器节点使用基于属性的命名机制来描述数据，并通过向所有节点发送对某个命名数据的INTEREST(任务描述符)来完成数据收集。在传播INTEREST的过程中，指定范围内的节点利用缓存机制动态维护接收数据的属性及指向信息源的梯度矢量等信息，同时激活传感器来采集与该INTEREST相匹配的信息。节点对采集的信息进行简单的预处理后，利用本地化规则和加强算法建立一条到达目的节点的最佳路径。

6.3 主控软件程序设计

系统软件采用分层设计，包括硬件设备驱动层、操作系统层、应用程序接口层和应用软件层。软件系统结构如图7所示。操作系统选择小型的实时操作系统μC／OS-II是基于以下考虑：广州致远公司MiniARM嵌入式工控模块提供正版μC／OS-II实时操作系统在内的丰富软件资源，完整的软硬件架构只需专注于编写产品的应用程序。几行代码即可实现TCP／IP通信、CAN-BUS现场总线通信、USB通信和大容量存储等复杂功能，使嵌入式系统设计更加简洁方便。TCP／IP协议分为4层：链路层(ARP协议)、网络层(IP协议、ICMP协议)、传输层(TCP协议、UDP协议)、应用层(HTTP协议)。本系统的TCP／IP协议栈选择UIP1.0。

7 结语

本文研究了基于嵌入式系统而设计出来的智能广域农田供水系统，当检测到农田缺水信息时能够通过自动控制继电器来启动供水水泵，而且实现了远程GPRS通信，可以通过PC机来了解系统的运行状况并可对其控制，能够自动采集土壤信息来自行确定是否启动水泵为农田供水，这正符合我国农村的基本国情。

本系统操作简单，对系统改造一下，可以设计成庭院自动供水系统、温室自动供水系统和花园自动供水系统等，故本系统的可扩展性比较好，前景比较广阔。