農(nóng)業(yè)灌溉是我國(guó)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(guó)糧食每年平均受災(zāi)面積達(dá)兩千萬公頃，耗損糧食占全國(guó)因?yàn)?zāi)減產(chǎn)糧食的 50％50％,。耐久以來,，由于技術(shù)、維護(hù)水平落后,，招致灌溉用水糜費(fèi)十分嚴(yán)重,，農(nóng)業(yè)灌溉用水的使用率僅40％40％。假設(shè)依據(jù)監(jiān)測(cè)土壤墑情信息,，及時(shí)控制灌溉機(jī)遇和水量,，能夠有效提高用水效率。而人工定時(shí)測(cè)量墑情，不但消耗大量人力,，并且做不到及時(shí)監(jiān)控,；采用有線測(cè)控系統(tǒng)，則須要較高的布線本錢,，不便于擴(kuò)展,，并且給農(nóng)田耕作帶來不便。因而,，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)首要由低功耗無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)議決ZigBee自組網(wǎng)方式構(gòu)成，從而防止了布線的不便,、靈敏性較差的缺陷,，完成土壤墑情的延續(xù)在線監(jiān)測(cè)，農(nóng)田節(jié)水灌溉的自動(dòng)化控制,，既提高灌溉用水使用率,，緩解我國(guó)水資源日趨緊張的矛盾，也為作物生長(zhǎng)提供良好的生長(zhǎng)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)使用在該節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)中,，其中心技術(shù)是ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)。 ZigBee是一種低龐雜度,、低功耗,、低數(shù)據(jù)率、低本錢,、高牢靠信度,、大網(wǎng)絡(luò)容量的雙向無線通訊技術(shù)。由使用層,、網(wǎng)絡(luò)層,、介質(zhì)接人控制層和物理層組成。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的配備分為全功用配備(Full Function Device,，F(xiàn)FD)和簡(jiǎn)化功用配備(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)錁?gòu)造,。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),，擔(dān)任監(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)采用星型構(gòu)造,，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)具有雙重功用,，一是充任網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的角色，擔(dān)任網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)樹立和維護(hù),、數(shù)據(jù)聚集,；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)功用,，無線網(wǎng)關(guān)不斷處于監(jiān)聽形態(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)覺,，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)舉行編址并計(jì)算其路由信息,，更新數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)宣布和配備關(guān)聯(lián)表等,。

1．2 系統(tǒng)體系構(gòu)造

　　該系統(tǒng)以單片機(jī)為控制中心，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)控中心四大局部組成,，議決ZigBee自組網(wǎng),，監(jiān)控中心、無線網(wǎng)關(guān)之間議決GPRS舉行墑情及控制信息的傳遞,。每個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)議決溫濕度傳感器,，自動(dòng)采集墑情信息，并結(jié)合預(yù)設(shè)的濕度上下限舉行剖析,，判別能不能須要灌溉及什么時(shí)辰中止,。每個(gè)節(jié)點(diǎn)議決太陽能電池供電，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)入睡眠形態(tài)直到電量充足,。其中無線網(wǎng)關(guān)銜接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)的中心局部,，擔(dān)任無線傳感器節(jié)點(diǎn)的維護(hù),。傳感器節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)自主構(gòu)成一個(gè)多跳的網(wǎng)絡(luò)。溫濕度傳感器散布于監(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)依據(jù)路由算法挑選最好路由，樹立相應(yīng)的路由列表,，其中列表中包含本身的信息和鄰居網(wǎng)關(guān)的信息,。議決網(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)控維護(hù)。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(zhǎng)的首要性限定要素,，土壤墑情信息的精確采集是舉行農(nóng)田的節(jié)水灌溉、最優(yōu)調(diào)控的根本和保證,，關(guān)于節(jié)水技術(shù)有效的施行具相首要性的作用,。本系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)硬件構(gòu)造如圖2所示。

　　系統(tǒng)采用TDR-3A型土壤溫濕度傳感器,，該傳感器集溫度和濕度測(cè)量于一體,，具有密封、防水,、精度高的特征,，是測(cè)量土壤溫濕度的理想儀器。溫度的量程是 -40～+80℃,，精度為±0．2℃,；濕度的量程是0～100％，在O～50％范圍內(nèi)精度為±2％,。溫濕度傳感器輸出信號(hào)是4～20 mA的規(guī)范電流環(huán),，在主控制器電路上先舉行I／U轉(zhuǎn)換，然后舉行A／D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后議決射頻天線發(fā)射出去,。電流變換器采用RCV420JP芯片,，該芯片集成電阻網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)算擴(kuò)大器和規(guī)范的10 V基準(zhǔn)電壓源,，能夠?qū)?～20 mA的電流環(huán)轉(zhuǎn)換成0～5 V的電壓輸出,。

      信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。A／D轉(zhuǎn)換器則采用低功耗射頻集成電路CC2530內(nèi)部的ADC轉(zhuǎn)換器,，其采樣頻率為12位,，內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)，能夠依據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào),，只選通8路模擬輸進(jìn)信號(hào)中的一個(gè)舉行A／D轉(zhuǎn)換,。

2．2 無線通訊模塊

　　基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的通訊系統(tǒng)是樹立在ZigBee無線通訊技術(shù)和GPRS的根本上。ZigBee是一種高牢靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò),，有 2．4 GHz(全球),、915 MHz(美國(guó))及868 MHz(歐洲)三種任務(wù)頻帶。本系統(tǒng)采用當(dāng)前是傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先挑選的全球通用頻段——2．4 GHz,，傳輸速率為250 KB／s,，該頻段在大非少數(shù)國(guó)度都無需請(qǐng)求容許證。

　　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)的通訊模塊均采用CC2530芯片,，在構(gòu)造上也有必須的一致性，這里只細(xì)致引見無線網(wǎng)關(guān)的硬件構(gòu)造,。網(wǎng)關(guān)擔(dān)任無線傳感網(wǎng)絡(luò)的控制和維護(hù),，完成信息的融合處置，他銜接傳感器網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò),，完成兩種通訊協(xié)議的轉(zhuǎn)換,，同時(shí)揭曉監(jiān)測(cè)終端的職務(wù)，并把搜集到的數(shù)據(jù)議決GPRS網(wǎng)絡(luò)傳到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心,，構(gòu)造框圖如圖4所示,。

　網(wǎng)關(guān)采用華為GPRS通訊模塊GTM900C和TI公司的ZigBee射頻芯片模塊CC2530。GTM900CGPRS模塊支持GSM900／1800 雙頻,，提供電源接口,、模擬音頻接口、規(guī)范SIM卡接口和UART接口,，支持語音業(yè)務(wù)、短音訊業(yè)務(wù),、GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和電路型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),。CC2530是 ZigBee新一代SoC芯片，擁有多達(dá)256 B的快閃記憶體,，準(zhǔn)許芯片無線下載,，支持系統(tǒng)編程，提供了101 dB的鏈路質(zhì)量,，優(yōu)秀的接納器靈敏度和強(qiáng)健的抗攪擾性,。此外，CC2530結(jié)合了一個(gè)完全集成的,，高功用的RF收發(fā)器與一個(gè)8051微處置器,，8 KB的RAM，32／64／128／256 KB閃存,，以及一套普遍的外設(shè)集---包含2個(gè)USART,、12位ADC和21個(gè)通用GPIO(General Purpose Input Output，通用輸進(jìn)輸出),。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的PC端軟件用Delphi設(shè)計(jì)維護(hù)界面,，樹立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，完成對(duì)土壤墑情的查詢,、維護(hù),、打印以及議決 GPRS網(wǎng)絡(luò)傳遞控制命令與土壤溫濕度信息。

3 軟件設(shè)計(jì)

　　本節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)中,，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與控制命令在無線傳感節(jié)點(diǎn),、無線路由節(jié)點(diǎn),、無線網(wǎng)關(guān)和監(jiān)控中心之間傳送。傳感節(jié)點(diǎn)翻開電源,，原始化,、樹立鏈接后進(jìn)入休眠形態(tài)。當(dāng)無線網(wǎng)關(guān)接到中綴央求時(shí)觸發(fā)中綴,，經(jīng)歷路由節(jié)點(diǎn)激活傳感節(jié)點(diǎn),，發(fā)送或接納信息包，處置終了后繼續(xù)進(jìn)入休眠形態(tài),，等候有央求時(shí)再次激活,。在同一個(gè)信道中只需兩個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠通訊，議決競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制來獲取信道,。每個(gè)節(jié)點(diǎn)周期性睡眠和監(jiān)聽信道,，假設(shè)信道空閑則自動(dòng)搶占信道，假設(shè)信道忙碌則依據(jù)退避算法退避一段時(shí)間后重新監(jiān)聽信道形態(tài),。在順序設(shè)計(jì)中首要采集中綴的辦法完成信息的接納和發(fā)送,。

4 結(jié) 語

　　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)，使用低本錢,、低功耗的ZigBee無線通訊技術(shù),，防止了布線的不便，提高了節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的靈敏性,。系統(tǒng)采用高精度土壤溫濕度傳感器,，依據(jù)土壤墑情和作物用水次第施行精準(zhǔn)灌溉，不但能有效處置農(nóng)業(yè)灌溉用水使用率低的疑問,，緩解水資源日趨緊張的矛盾,，并且還為作物提供了更好的生長(zhǎng)環(huán)境，充沛發(fā)揚(yáng)現(xiàn)有節(jié)水配備的作用,，優(yōu)化調(diào)度,，提高效益，使灌溉愈加迷信,、簡(jiǎn)約,，提高維護(hù)水平。本系統(tǒng)操還支持對(duì)有關(guān)參數(shù)的人工修正和遠(yuǎn)程控制,，適用于多種作物,，能添加農(nóng)作物的產(chǎn)量，降低農(nóng)產(chǎn)品的灌溉本錢,，提高灌溉質(zhì)量,，具有很大的推行價(jià)值。此外,，配置不一樣的傳感器,，該系統(tǒng)能夠構(gòu)成不一樣功用的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò),。