基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统

　　农业灌溉是我国的用水大户，其用水量约占总用水量的70％。据统计，因干旱我国粮食每年平均受灾面积达两千万公顷，损失粮食占全国因灾减产粮食的50％50％。长期以来，由于技术、管理水平落后，导致灌溉用水浪费十分严重，农业灌溉用水的利用率仅40％40％。如果根据监测土壤墒情信息，实时控制灌溉时机和水量，可以有效提高用水效率。而人工定时测量墒情，不但耗费大量人力，而且做不到实时监控；采用有线测控系统，则需要较高的布线成本，不便于扩展，而且给农田耕作带来不便。因此，设计一种基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统，该系统主要由低功耗无线传感网络节点通过ZigBee自组网方式构成，从而避免了布线的不便、灵活性较差的缺点，实现土壤墒情的连续在线监测，农田节水灌溉的自动化控制，既提高灌溉用水利用率，缓解我国水资源日趋紧张的矛盾，也为作物生长提供良好的生长环境。

　　1 系统构架

　　1．1 无线传感器网络
    
　　无线传感器网络技术应用在该节水灌溉控制系统中，其核心技术是ZigBee自组网技术。 ZigBee是一种低复杂度、低功耗、低数据率、低成本、高可靠信度、大网络容量的双向无线通信技术。由应用层、网络层、介质接人控制层和物理层组成。ZigBee网络中的设备分为全功能设备(Full Function Device，FFD)和简化功能设备(Reduce Function Device，RFD)两种。 ZigBee网络支持星型网、树状网和网状网三种拓扑结构。本系统采用混合网，底层为多个ZigBee监测网络，负责监测数据的采集。每个ZigBee监测网络有一个网关节点和若干的土壤温湿度数据采集节点。监测网络采用星型结构，网关节点作为每个监测网络的基站。网关节点具有双重功能，一是充当网络协调器的角色，负责网络的自动建立和维护、数据汇集；二是作为监测网络与监控中心的接口，与监控中心传递信息。此系统具有自动组网功能，无线网关一直处于监听状态，新添加的无线传感器节点会被网络自动发现，这时无线路由会把节点的信息送给无线网关，有无线网关进行编址并计算其路由信息，更新数据转发表和设备关联表等。

　　1．2 系统体系结构
    
　　该系统以单片机为控制核心，由无线传感节点(RFD)、无线路由节点(FFD)、无线网关(FFD)、监控中心四大部分组成，通过ZigBee自组网，监控中心、无线网关之间通过GPRS进行墒情及控制信息的传递。每个传感节点通过温湿度传感器，自动采集墒情信息，并结合预设的湿度上下限进行分析，判断是否需要灌溉及何时停止。每个节点通过太阳能电池供电，电池电压被随时监控，一旦电压过低，节点会发出电压过低的报警信号，发送成功后，节点进入睡眠状态直到电量充足。其中无线网关连接ZigBee无线网络与GPRS网络，是基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统的核心部分，负责无线传感器节点的管理。传感器节点与路由节点自主形成一个多跳的网络。温湿度传感器分布于监测区域内，将采集到的数据发送给就近的无线路由节点，路由节点根据路由算法选择最佳路由，建立相应的路由列表，其中列表中包括自身的信息和邻居网关的信息。通过网关把数据传给远程监控中心，便于用户远程监控管理。本文设计的基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统组成框图如图1所示。

　　2 硬件设计

　　2．1 传感器节点模块
    
　　土壤水分是作物生长的关键性限制因素，土壤墒情信息的准确采集是进行农田的节水灌溉、最优调控的基础和保证，对于节水技术有效的实施具有关键性的作用。本系统传感器节点硬件结构如图2所示。

　　系统采用TDR-3A型土壤温湿度传感器，该传感器集温度和湿度测量于一体，具有密封、防水、精度高的特点，是测量土壤温湿度的理想仪器。温度的量程是-40～+80℃，精度为±0．2℃；湿度的量程是0～100％，在O～50％范围内精度为±2％。温湿度传感器输出信号是4～20 mA的标准电流环，在主控制器电路上先进行I／U转换，然后进行A／D转换为数字信号后通过射频天线发射出去。电流变换器采用RCV420JP芯片，该芯片集成电阻网络、运算放大器和标准的10 V基准电压源，能够将4～20 mA的电流环转换成0～5 V的电压输出。

　　信号调理电路如图3所示。A／D转换器则采用低功耗射频集成电路CC2530内部的ADC转换器，其采样频率为12位，内部有一个8通道多路开关，可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A／D转换。 

　　2．2 无线通信模块
    
　　基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统的通信系统是建立在ZigBee无线通信技术和GPRS的基础上。ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，有2．4 GHz(全球)、915 MHz(美国)及868 MHz(欧洲)三种工作频带。本系统采用目前是传感器网络优先选择的全球通用频段——2．4 GHz，传输速率为250 KB／s，该频段在大多数国家都无需申请许可证。
    
　　无线传感节点(RFD)、无线路由节点(FFD)、无线网关(FFD)的通信模块均采用CC2530芯片，在结构上也有一定的一致性，这里只详细介绍无线网关的硬件结构。网关负责无线传感网络的控制和管理，实现信息的融合处理，他连接传感器网络与GPRS网络，实现两种通信协议的转换，同时发布监测终端的任务，并把收集到的数据通过GPRS网络传到远程监控中心，结构框图如图4所示。

　　网关采用华为GPRS通信模块GTM900C和TI公司的ZigBee射频芯片模块CC2530。GTM900CGPRS模块支持GSM900／1800双频，提供电源接口、模拟音频接口、标准SIM卡接口和UART接口，支持语音业务、短消息业务、GPRS数据业务和电路型数据业务。CC2530是ZigBee新一代SoC芯片，拥有多达256 B的快闪记忆体，允许芯片无线下载，支持系统编程，提供了101 dB的链路质量，优秀的接收器灵敏度和健壮的抗干扰性。此外，CC2530结合了一个完全集成的，高性能的RF收发器与一个8051微处理器，8 KB的RAM，32／64／128／256 KB闪存，以及一套广泛的外设集---包括2个USART、12位ADC和21个通用GPIO(General Purpose Input Output，通用输入输出)。远程监控中心的PC端软件用Delphi设计管理界面，建立相应的数据库，实现对土壤墒情的查询、管理、打印以及通过GPRS网络传递控制命令与土壤温湿度信息。

　　3 软件设计
    
　　本节水灌溉控制系统中，监测数据与控制命令在无线传感节点、无线路由节点、无线网关和监控中心之间传送。传感节点打开电源，初始化、建立链接后进入休眠状态。当无线网关接到中断请求时触发中断，经过路由节点激活传感节点，发送或接收信息包，处理完毕后继续进入休眠状态，等待有请求时再次激活。在同一个信道中只有两个节点可以通信，通过竞争机制来获取信道。每个节点周期性睡眠和监听信道，如果信道空闲则主动抢占信道，如果信道繁忙则根据退避算法退避一段时间后重新监听信道状态。在程序设计中主要采集中断的方法完成信息的接收和发送。

　　4 结 语
    
　　本文设计的基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统，应用低成本、低功耗的ZigBee无线通信技术，避免了布线的不便，提高了节水灌溉控制系统的灵活性。系统采用高精度土壤温湿度传感器，根据土壤墒情和作物用水规律实施精准灌溉，不但能有效解决农业灌溉用水利用率低的问题，缓解水资源日趋紧张的矛盾，而且还为作物提供了更好的生长环境，充分发挥现有节水设备的作用，优化调度，提高效益，使灌溉更加科学、方便，提高管理水平。本系统操还支持对有关参数的人工修改和远程控制，适用于多种作物，能增加农作物的产量，降低农产品的灌溉成本，提高灌溉质量，具有很大的推广价值。此外，配置不同的传感器，该系统可以构成不同功能的监控网络。