| 節水灌溉利用無線感測器網路的控制系統設計
1.系統構架
1.1 無線感測器網路
無線感測器網路技術應用在該節水灌溉控制系統中，其核心技術是ZigBee自組網技術。ZigBee是一種低複雜度、低功耗、低數據率、低成本、高可靠信度、大網路容量的雙向無線通信技術。由應用層、網路層、介質接人控制層和物理層組成。ZigBee網路中的設備分為全功能設備（Full Function Device,FFD）和簡化功能設備（Reduce Function Device,RFD）兩種。ZigBee網路支持星型網、樹狀網和網狀網三種拓撲結構。本系統採用混合網，底層為多個ZigBee監測網路，負責監測數據的採集。每個ZigBee監測網路有一個網關節點和若干的土壤溫濕度數據採集節點。監測網路採用星型結構，網關節點作為每個監測網路的基站。網關節點具有雙重功能，一是充當網路協調器的角色，負責網路的自動建立和維護、數據彙集；二是作為監測網路與監控中心的介面，與監控中心傳遞信息。此系統具有自動組網功能，無線網關一直處於監聽狀態，新添加的無線感測器節點會被網路自動發現，這時無線路由會把節點的信息送給無線網關，有無線網關進行編址並計算其路由信息，更新數據轉發表和設備關聯表等。
1.2 系統體系結構
該系統以單片機為控制核心，由無線感測節點（RFD）、無線路由節點（FFD）、無線網關（FFD）、監控中心四大部分組成，通過ZigBee自組網，監控中心、無線網關之間通過GPRS進行墒情及控制信息的傳遞。每個感測節點通過溫濕度感測器，自動採集墒情信息，並結合預設的濕度上下限進行分析，判斷是否需要灌溉及何時停止。每個節點通過太陽能電池供電，電池電壓被隨時監控，一旦電壓過低，節點會發出電壓過低的報警信號，發送成功后，節點進入睡眠狀態直到電量充足。其中無線網關連接ZigBee無線網路與GPRS網路，是基於無線感測器網路的節水灌溉控制系統的核心部分，負責無線感測器節點的管理。感測器節點與路由節點自主形成一個多跳的網路。溫濕度感測器分佈於監測區域內，將採集到的數據發送給就近的無線路由節點，路由節點根據路由演算法選擇最佳路由，建立相應的路由列表，其中列表中包括自身的信息和鄰居網關的信息。通過網關把數據傳給遠程監控中心，便於用戶遠程監控管理。本文設計的基於無線感測器網路的節水灌溉控制系統組成框圖如左上圖所示。
2.硬體設計
2.1 感測器節點模塊
土壤水分是作物生長的關鍵性限制因素，土壤墒情信息的準確採集是進行農田的節水灌溉、最優調控的基礎和保證，對於節水技術有效的實施具有關鍵性的作用。本系統感測器節點硬體結構如上右圖所示。
系統採用TDR-3A型土壤溫濕度感測器，該感測器集溫度和濕度測量於一體，具有密封、防水、精度高的特點，是測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0~50%範圍內精度為±2%.溫濕度感測器輸出信號是4~20mA的標準電流環，在主控制器電路上先進行I/U轉換，然後進行A/D轉換為數字信號后通過射頻天線發射出去。電流變換器採用RCV420JP晶元，該晶元集成電阻網路、運算放大器和標準的10V基準電壓源，能夠將4~20mA的電流環轉換成0~5 V的電壓輸出。
信號調理電路如中坐圖3所示。A/D轉換器則採用低功耗射頻集成電路CC2530內部的ADC轉換器，其採樣頻率為12位，內部有一個8通道多路開關，可以根據地址碼鎖存解碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉換。
2.2無線通信模塊
基於無線感測器網路的節水灌溉控制系統的通信系統是建立在ZigBee無線通信技術和GPRS的基礎上。ZigBee是一種高可靠的無線數傳網路，有2.4 GHz（全球）、915 MHz（美國）及868 MHz（歐洲）三種工作頻帶。本系統採用目前是感測器網路優先選擇的全球通用頻段--2.4 GHz,傳輸速率為250 KB/s,該頻段在大多數國家都無需申請許可證。
無線感測節點（RFD）、無線路由節點（FFD）、無線網關（FFD）的通信模塊均採用CC2530晶元，在結構上也有一定的一致性，這裡只詳細介紹無線網關的硬體結構。網關負責無線感測網路的控制和管理，實現信息的融合處理，他連接感測器網路與GPRS網路，實現兩種通信協議的轉換，同時發布監測終端的任務，並把收集到的數據通過GPRS網路傳到遠程監控中心，結構框圖如中右圖所示。
網關採用華為GPRS通信模塊GTM900C和TI公司的ZigBee射頻晶元模塊CC2530.GTM900CGPRS模塊支持GSM900/1800雙頻，提供電源介面、模擬音頻介面、標準SIM卡介面和UART介面，支持語音業務、短消息業務、GPRS數據業務和電路型數據業務。CC2530是ZigBee新一代SoC晶元，擁有多達256 B的快閃記憶體，允許晶元無線下載，支持系統編程，提供了101 dB的鏈路質量，優秀的接收器靈敏度和健壯的抗干擾性。此外，CC2530結合了一個完全集成的，高性能的RF收發器與一個8051微處理器，8 KB的RAM,32/64/128/256 KB快閃記憶體，以及一套廣泛的外設集--包括2個USART、12位ADC和21個通用GPIO（General Purpose Input Output,通用輸入輸出）。
3.軟體設計
本節水灌溉控制系統中，監測數據與控制命令在無線感測節點、無線路由節點、無線網關和監控中心之間傳送。感測節點打開電源，初始化、建立鏈接後進入休眠狀態。當無線網關接到中斷請求時觸發中斷，經過路由節點激活感測節點，發送或接收信息包，處理完畢後繼續進人休眠狀態，等待有請求時再次激活。在同一個通道中只有兩個節點可以通信，通過競爭機制來獲取通道。每個節點周期性睡眠和監聽通道，如果通道空閑則主動搶佔通道，如果通道繁忙則根據退避演算法退避一段時間后重新監聽通道狀態。在程序設計中主要採集中斷的方法完成信息的接收和發送。感測器節點程序流程圖如下圖所示。
遠程監控中心的PC端軟體用Delphi設計管理界面，建立相應的資料庫，實現對土壤墒情的查詢、管理、列印以及通過GPRS網路傳遞控制命令與土壤溫濕度信息。
4.結語
本文設計的基於無線感測器網路的節水灌溉控制系統，應用低成本、低功耗的ZigBee無線通信技術，避免了布線的不便，提高了節水灌溉控制系統的靈活性。系統採用高精度土壤溫濕度感測器，根據土壤墒情和作物用水規律實施精準灌溉，不但能有效解決農業灌溉用水利用率低的問題，緩解水資源日趨緊張的矛盾，而且還為作物提供了更好的生長環境，充分發揮現有節水設備的作用，優化調度，提高效益，使灌溉更加科學、方便，提高管理水平。本系統操還支持對有關參數的人工修改和遠程控制，適用於多種作物，能增加農作物的產量，降低農產品的灌溉成本，提高灌溉質量，具有很大的推廣價值。此外，配置不同的感測器，該系統可以構成不同功能的監控網路。 |
