基于无线传感器的水利自动灌溉控制系统设计

基于无线传感器的水利自动灌溉控制系统设计

袁芳

新疆峻特设计工程有限公司

摘要：为提高灌溉用水率来缓解当前水资源紧张的矛盾，借助现代信息技术，设计出节水灌溉控制系统来提高水资源的使用效率。目前，使用CC2530芯片与无线传感网络、GPRS技术，以单片机为控制核心，由无线传感器节点、无线路由节点、无线网关与监控中心组成，可实时监测突然温湿度，可根据农业生长情况和田间情况，实时精准灌溉保证农业生产。水利自动灌溉的自动化控制能够改善农业灌溉用水利用率，提高灌溉系统的自动化水平，促进现代水利资源的节约、高效使用。

关键词：无线传感器；节水灌溉；监测；传感

农业灌溉与水利有关系的，在农业发展中天气情况、降水情况都关系到农作物的产量，在农业生产、水利资源使用中，要想减少自然因素的影响来提高农业生产产量，就需要使用现代化信息技术、智能技术来创新水利生产。当前科技发展改善了我们的生产生活，基于此要想思考农业生产发展，如何使用雨水、 灌溉水和地下水等的使用，充分发挥水利资源的价值与作用，让水源可高效利用，发挥功能价值，达到经济增益的目的。

1. 自动灌溉系统架构

水利灌溉控制系统结构设计上，使用基于 ZigBee技术设计无线传感网络，借助GPRS网络体系、CC2540芯片开发灌溉控制体系。基于单片机的控制体系在目前已经成为趋势，单片机功能强大而体积小，携带使用方便。

1.1无线传感网络

无线传感网络在水利灌溉控制系统中，核心技术是 ZigBee技术，以 ZigBee技术为核心组件网络。ZigBee可操作性强，存在低功耗、低数据率、低成本的优势，组网可靠性高，该组网体系是为双无线通信技术。在具体使用中由应用层、网络层、介质接入控制、物理层组成。ZigBee网络中的设备分为全功能设备与简化功能设备两种，在组网拓扑建结构上支持星型网、树状网、网状几种。本系统的灌溉体系使用混合网，系统架构底层设置多层监控、监测体系，负责数据的采集，每一个监测网络有一个网关节点、若干土壤温湿度数据采集。监测网络结构为星型结构，网关节点作为监测网络的基站。网关节点有双重功能，既可以作为网络协调器来负责网络的自动建立与维护，汇集数据来实现监控。同时也可以作为系统监测网络与监测中心的接口，与监控中心传递信息实现数据的接收处理。通过这种设计，具备自动组网功能，此时无线网关处于监听状态，新添加的无线传感器节点被网络自动发现，路由将节点信息发送给网关中，无线网关进行编址之后，计算路由信息来更新数据，进行数据转发设备关联[1]。

1.2系统结构

以单片机为核心，由RFD、FFD、无线网关、监控中心组成，使用ZigBee构建组网，利用网络来连接监控中心、无限网关、GPRS监测墒情，实现灌溉信息的传递。每一个传感节点利用温湿度传感器采集墒情，在系统中预设温湿度上下限，判断灌溉情况何时开始与何时停止，每一个节点都通过太阳能电池来供电，电池电压被随时监控，电压过低节点即发送报警信号，信号发送成功后节点进入睡眠状态，直到系统电量充满。无线网关连接ZigBee、无线网络、GPRS网络，这几个均是灌溉控制系统的核心来负责节点信息的传递。传感器节点与路由节点形成系统网络。温湿度传感器分布在监测区域内，将系统采集到的数据发送给最近的无线路由器节点，系统根据路由算法来选择最佳路由建立起路由列表，列表信息包含自身信息、邻居信息。网关将数据发送给远程监控中心后，方便用户实现远程监控。通过网关将数据传输给远程监控中心让其永远处于远程监控中[2]。

2.节水灌溉系统的设计

2.1 硬件设计

（1）传感器节点

水利灌溉农业中，土壤水分是作物生长的关键，土壤墒情准确性关系到农田节水灌溉，关系到系统调控，可实现节水调控。利用单片机，选择合理的土壤温湿度传感器，如传感器有温湿度测量为一体，具备密封、防水的特征，可测量土壤的温湿度。如TDR-3A有系统性功能，测温量程合理，在主控制器上转换信号，使用A/D转换数字信号，通过射频天线发射初期。电流变换器使用芯片也需要经过合理设计，应具备集成网络、运算放大等，可将电流还转换到目标范围内输出。A/D转换器使用低功耗射频集成电路的转换器，根据地址码锁存译码后的信息，选择目标通道内的信号进行A/D转换。

（2）无线通信

基于无线传感器的控制体系，是建立在ZigBee、GPRS通信基础上的通信基础。ZigBee是高可靠的无线数传网络，该网络工作体系有三种频带，包含全网、美国、欧中三种工作，在设计上可选择全球标准频带2.4GHz，这个频带内传输速率为250KB/s，这个频带内大部分国家都无需申请即可使用。RFD、FFD等模块均使用CC2540芯片，结构上也存在一致性，通信方面网关负责无线网络的传输与控制，网关负责无线传感器的控制与管理，实现信息的融合处理。在通信上连接传感器网络与GPRS，实现网络通信协议的传输，发布监测任务且显示收集到的数据，GPRS将网络传输到远程监控中心。网关通信模块选择华为体系、TI公司芯片模。该通信模块支持双频，提供电源接口与模拟音频接口，支持语音业务和短信业务、GPRS、电路型数据业务。CC2530是新一代的芯片，有256B的快闪记忆体，允许芯片下载和系统编程，提供101dB的链路质量，优秀的接收器灵敏度和抗干扰型。另外该芯片具备极好的集成性，高性能，系统功能强大。

2.2 软件设计

（1）通信

水利灌溉控制系统中监控数据与控制命令在传感器节点、理由节点、监控节点之间来回传输，传感节点打开电源后系统初始化，建立起链接路径之后进入休眠状态，有需求的时候系统激活。同一个通道内只有两个节点来实现通信，使用竞争机制来获取信号[3]。节点周期性睡眠和监听信道，监听信号主动抢占信号，如果信道繁忙，则根据退避算法避一段时间之后重新监测信道。在程序设计中使用集中的方式来进行信道的传输、接收。远程中心的PC端软件设计管理界面，建立数据库后实现对土壤墒情的查询与管理，通过GPRS来传递控制命令，进行灌溉。

（2）上位机软件

智能监控系统是整个灌溉系统实现的核心，是数据处理的重要环节，为用户提供准确的数据信息，方便用户使用。服务器终端监控系统使用JSP来实现，后台使用MySQL数据库存储，采集灌溉目标所在地温湿度情况，数据库可存储海量的数据信息来实现组织管理，让管理人员或者是农户快速查询数据信息，使用网络连接来传递数据。上位机包含前台监测、控制模拟、后台用户管理。监测模块能够实时传输当前的数据，可实现对历史数据的分析，在管理后台以直观的形式展示出来，控制模块可选择对应的控制方式，如手动控制、自动控制，手动方式下支持用户管理设备，后台管理人员可添加用户管理，用户也可以登录客户端查询数据、控制系统，用以控制灌溉系统。

结语：

综上，基于设计的需要，基于无线传感器网络的灌溉控制，使用低成本、低功耗的无线通信技术来避免控制系统的建设缺陷，尤其是减少布线的不便来提高节水灌溉控制的灵活性。在系统设计上使用高精度传感器，接收灌溉目标田块信息，不仅仅可以解决用水效率低下的问题，实现水资源的节省环保，充分发挥现代技术在节水设备中使用的优势，让灌溉更合理、方便，从而提高设备的管理。

参考文献：

[1]赖俊桂, 孙道宗, 王卫星,等. 基于无线传感器网络的山地柑橘园灌溉控制系统设计与试验[J]. 江苏农业科学, 2020, 48(7):5-5.

[2]石元博, 王建辉, 方晓柯,等. 基于HJB方程的无线传感器网络系统Minimax控制器设计[J]. 控制与决策, 2021, 36(4):6-6.

[3]曹毅. 基于物联网水肥控制系统的设施葡萄灌溉施肥模式研究[D]. 黑龙江八一农垦大学, 2020.