CN102172195A - 基于无线传感器网络的精细滴灌测控系统 - Google Patents

基于无线传感器网络的精细滴灌测控系统 Download PDF

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岳学军
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Abstract

本发明公开了一种基于无线传感器网络的精细滴灌测控系统，包括：布置在田间监测范围内的若干个土壤墒情监测节点，每个土壤墒情监测节点包括数个埋于地底不同深度的土壤含水率传感器和土壤墒情信号处理模块，所述土壤墒情信号处理模块通过ZigBee无线通信单元向其下级精细滴灌控制节点发送控制信息；所述精细滴灌控制节点包括ZigBee低功耗短程无线通信模块、单片机和控制执行单元。该系统能够对地表下植物根部多个深度土壤含水率进行立体监测，不需要固定网络支持实现对精细滴灌作业的测控。具有快速展开、抗毁性强等特点，大规模使用时通信成本较低，且安装和维护方便，特别适用于信号覆盖较差的农村地区。

Description

基于无线传感器网络的精细滴灌测控系统
技术领域
本发明涉及农业生产过程中使用的精细滴灌测控系统，特别是一种基于无线传感器网络的精细滴灌测控系统。
背景技术
精细灌溉是解决由水资源日益紧缺而导致的各类供求矛盾的有效方案之一，它可以在不影响作物产量的前提下根据作物需水信息适时、适量地进行灌溉，从而达到大幅度减少农业用水的目的。在精细灌溉作业中，以土壤含水率为代表的土壤墒情是计算需水信息的一个重要指标。因此，对包括土壤含水率在内的土壤墒情进行连续、大范围、准确的监测在精细灌溉及水资源合理利用中具有重要的意义。
目前在精细滴灌中已经开始采用无线测控技术。如，中国实用新型专利CN201533524U公开了一种太阳能光伏驱动及GPRS无线通讯监控的大规模节水灌溉网。该系统包括置于土壤中的土壤湿度传感器，该传感器测量信号输入单元测控模块，计算机智能管理中心采用无线通讯的方式通过单元测控模块和土壤湿度传感器对土壤湿度进行监测，以决定是否启动相关水泵和分流阀对测点地块实施浇灌。计算机智能管理中心采用无线通讯的方式通过单元测控模块对储水器的储水量通过水位计进行检测，并对单元水泵执行操控。
但是，现有的滴灌控制系统在实际应用中仍然存在以下问题：测量点上土壤含水率的测量一般局限于地表下单一深度，没有对测量点地表下植物根部多个深度土壤含水率进行立体监测，无法完整和准确地反映监测区域的土壤湿度情况；土壤含水率信息来源单一，容易受外界偶然因素的影响，未实现根据地表下多个测量点的土壤含水率信息进行综合分析并根据结果进行滴灌控制。土壤需水信息和滴灌启停控制信号通过GPRS等无线服务进行传输，对固定通信网依赖较大，大规模使用时通信成本较高，且安装和维护都不方便，特别是在信号覆盖较差的农村地区，系统运行不稳定。
发明内容
本发明的目的是克服以上现有技术的不足，提供一种基于无线传感器网络的精细滴灌测控系统，该系统能够对地表下植物根部多个深度土壤含水率进行立体监测，不需要固定网络支持实现对精细滴灌作业的测控。
为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于无线传感器网络的精细滴灌测控系统，包括：布置在田间监测范围内的若干个土壤墒情监测节点，每个土壤墒情监测节点包括土壤墒情信号处理模块和数个埋于地底不同深度的土壤含水率传感器，所述土壤墒情信号处理模块通过ZigBee无线通信单元向其下级精细滴灌控制节点发送控制信息；所述精细滴灌控制节点包括ZigBee低功耗短程无线通信模块、单片机和控制执行单元；若干个相邻土壤墒情监测节点构成一个簇，每个簇包括一个簇首节点。
所述土壤墒情信号处理模块中，微处理器与信号调理模块及A/D模块相连，所述数个埋于地底不同深度的土壤含水率传感器的激励信号输入端与信号调理模块的输出端相连，测量信号输出端与A/D模块的输入端相连；所述信号调理模块包括4个运算放大器，分别组成4个跟随器，所述跟随器的输入端与微处理器的激励信号输出端相连，输出端则与数个埋于地底不同深度的土壤含水率传感器的激励信号引脚相连，微处理器控制信号调理模块按照一定的时间间隔将激励信号依次经过跟随器放大后启动数个埋于地底不同深度的土壤含水率传感器，以实现对不同土层的土壤含水率进行立体测量，A/D模块转换各传感器获得的模拟信号为数字信号后，将数字信号传送至微处理器，A/D模块包括4个12位高精度A/D转换通道，数字信号通过串行通信的方式发送给微处理器，微处理器与存储器和ZigBee无线通信单元相连。
所述土壤墒情信号处理模块，采用符合ZigBee协议的2.4GHz短程低功耗无线通信的方式将所述存储器中的土壤墒情信息通过所述ZigBee无线通信单元向所述簇首节点上传。
所述簇首节点接收到来自所述土壤墒情监测节点的土壤墒情监测信息后，向信息的来源节点发送反馈消息。
作为本发明的进一步改进，所述土壤墒情监测节点及簇首节点设置有包括太阳能电池板、充电控制模块和充电电池在内的独立太阳能供电模块组，太阳能电池板与充电控制模块相连，充电控制模块与充电电池相连，充电控制模块根据充电电池的电压连通或切断太阳能电池板与充电电池间的充电回路，实现充电控制。
所述精细滴灌控制节点中，控制执行单元、ZigBee低功耗短程无线通信模块与单片机相连；所述ZigBee低功耗短程无线通信模块，采用符合ZigBee协议的2.4GHz短程低功耗无线通信的方式接收来自上级土壤墒情监测节点的滴灌控制信息；所述控制执行单元包括顺序连接的电磁阀驱动电路、电磁阀和滴灌水管。
作为本发明的进一步改进，所述精细滴灌控制节点还包括：相连接的多档位旋钮开关与键盘电路，接触式按键、LED组、第一电源及实时时钟、LDO稳压模块和第二电源，以上部件分别与所述单片机相连，使所述精细滴灌控制节点具备独立的时间获取能力；实时时钟由第一电源独立供电；LDO稳压模块与第二电源相连，为节点其余器件供电。
所述土壤墒情监测节点定期向其下级精细滴灌控制节点发送组网信息，所述精细滴灌控制节点收到上级土壤墒情监测节点的组网信息后，精细滴灌测控系统进入组网运行模式；所述精细滴灌控制节点超期未收到来自上级监测节点的存在信息，精细滴灌测控系统自动由组网模式转变为独立工作模式。
与现有技术相比，本发明具有以下有益技术效果：
由于监测节点采用布置在不同深度的多个无线传感器，使本发明的精细滴灌测控系统能够在每个测量点实现对地表下植物根部多个不同深度的土壤含水率进行立体监测，更加准确地反映监测区域的土壤湿度情况；系统根据每个测量点地表下多个深度的土壤含水率信息判断作物需水情况以进行滴灌，能够在很大程度上排除偶然因素的干扰，控制更加稳定、精确。
系统各功能节点间的信息传输和指令传达均通过符合ZigBee协议的2.4GHz高频短程低功耗无线通信的方式进行，不需要任何固定网络的支持，具有快速展开、抗毁性强等特点。大规模使用时通信成本较低，且安装和维护方便，特别适用于信号覆盖较差的农村地区。
滴灌控制节点具备独立的时间获取能力，使滴灌控制系统既可以独立运行，也可以与土壤墒情监测节点组网运行，应用方式灵活多样，特别适用于大范围的土壤信息获取及精细滴灌控制场合。本发明能够使精细滴灌根据土壤的缺水情况自动调节滴灌起停时间和时长，能够有效的节约水资源。
附图说明
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：
图1为本发明基于无线传感器网络的精细滴灌测控系统的结构示意图；
图2为本发明的土壤墒情监测节点构成示意图；
图3为本发明的精细滴灌控制节点构成示意图。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本发明包括布置在田间监测范围内的若干个土壤墒情监测节点100，若干个精细滴灌控制节点200以及簇首节点300。
土壤墒情监测节点100构成如图2所示。土壤墒情监测节点100包括4个埋于地底不同深度的土壤含水率传感器110、AVR微处理器121，信号调理模块126，存储器123，USB接口电路124，ZigBee无线通信单元125，A/D模块122，太阳能电池板131，充电控制模块132，和太阳能电池133。
土壤墒情监测节点100中，AVR微处理器121与信号调理模块126及A/D模块122相连，四个埋于地底不同深度的土壤含水率传感器110的激励信号输入端与调理模块9的输出端相连，测量信号输出端与A/D模块122的输入端相连。信号调理模块126主要包括4个运算放大器，分别组成4个跟随器。每个跟随器的输入端与AVR微处理器121的激励信号输出端相连，输出端则与土壤含水率传感器110的激励信号引脚相连，AVR微处理器121控制信号调理模块126按照一定的时间间隔将激励信号依次经过跟随器放大后启动四个土壤含水率传感器110，可以实现对4个不同土层的土壤含水率进行立体测量。各传感器测量信号为模拟电压形式，通过A/D模块122进行A/D转换后，将数字信号传送至AVR微处理器121。A/D模块122包括4个12位高精度A/D转换通道，数字信号通过串行通信的方式发送给AVR微处理器121。USB接口电路124与AVR微处理器121相连，用于控制程序的下载和测量信息的联机上传。
AVR微处理器121与存储器123相连，每次测量完成后AVR微处理器121将土壤含水率信息存储于存储器123。AVR微处理器121与ZigBee无线通信单元125相连，ZigBee无线通信单元125平时处于休眠状态，AVR微处理器121每天按照一定的时间间隔唤醒ZigBee无线通信单元125，采用符合ZigBee协议的2.4GHz短程低功耗无线通信的方式将存储器123中的土壤墒情信息通过ZigBee无线通信单元125向簇首节点300上传。
簇首节点300定期向土壤墒情监测节点100发送数据上传请求，土壤墒情监测节点100在多个请求周期后如果未能收到来自簇首节点300的数据上传请求，则视为簇首节点300失效。土壤墒情监测节点100不再上传监测信息，转而将监测信息存储于自身的存储器123。
簇首节点300接收到来自土壤墒情监测节点100的土壤墒情监测信息后，会向信息的来源节点100发送ACK消息，以告知发送土壤墒情监测信息的土壤墒情监测节点100其数据传送成功且告知网络其处于正常运行的状态。
土壤墒情监测节点100同时向簇首节点300发送监测信息时，簇首节点300丢弃当冲突发生时所收到的监测数据包，并向所有土壤墒情监测节点100广播冲突信息。土壤墒情监测节点100按照一定的协议进行延时后，重新向簇首节点300上传监测信息，避免由于通信冲突而导致的数据丢失。
土壤墒情监测节点100及簇首节点300设置有包括太阳能电池板131、充电控制模块132和充电电池133在内的独立太阳能供电模块组。太阳能电池板131与充电控制模块132相连，充电控制模块132与充电电池133相连。充电控制模块132根据充电电池133的电压连通或切断太阳能电池板131与充电电池133间的充电回路，实现充电控制。充电电池133为土壤墒情监测节点100及簇首节点300内的相应器件提供正常工作所需的电源。
精细滴灌控制节点200结构如图3所示。精细滴灌控制节点200包括ATMega8L单片机211，ZigBee低功耗短程无线通信模块212，LDO稳压模块242，多档位旋钮开关221，键盘电路222，3个接触式按键223，3.6V电池2241，实时时钟2242，电磁阀驱动电路231，电磁阀232，滴灌水管233，3个LED 225及9V电源241。多档位旋钮开关221与键盘电路222相连，键盘电路222与ATMega8L单片机211相连。3个接触式按键223与ATMega8L单片机211相连，实时时钟2242与ATMega8L单片机211相连，3个LED 225与ATMega8L单片机211相连，电磁阀驱动电路231与ATMega8L单片机211相连，电磁阀232与电磁阀驱动电路231相连，滴灌水管233与电磁阀232相连。
精细滴灌控制节点200的ATMega8L单片机211与ZigBee低功耗短程无线通信模块212相连，接收来自上级土壤墒情监测节点100的滴灌控制信息。该类型节点包括独立工作模式和组网工作模式。
独立工作模式下，ATMega8L单片机211单片机处于睡眠状态的省电模式；实时时钟2242每1秒产生一次中断信号，ATMega8L单片机211唤醒后判断是否累加到30秒，若不是，则直接进入省电模式；若是，则3个LED 225闪烁一次，以表征系统正常运行，并且判断系统是否处于滴灌状态。若系统不处于滴灌状态，则ATMega8L单片机211读取实时时钟2242的当前时间并与滴灌的启动时间进行比较：若相等，则ATMega8L单片机211控制电磁阀驱动电路231打开电磁阀232以导通滴灌水管233进行滴灌。同时，ATMega8L单片机211检测键盘电路222，以此分析多档位旋钮开关221的档位以确定滴灌的定时时间，从而计算出滴灌结束时刻。若实时时钟2242的当前时间与滴灌启动时间不相等，则直接返回到省电模式。若系统处于滴灌状态，则ATMega8L单片机211则读取实时时钟2242的当前时间并与计算得到的滴灌结束时刻值进行比较：若相等，则关闭电磁阀驱动电路231停止滴灌，将滴灌的关闭的状态写入EEPROM并返回省电模式；若不相等，则直接返回到省电模式。通过3个接触式按键223、多档位旋钮开关221与键盘电路222的配合使用，可以设置精细滴灌控制节点200的实时时钟2242的当前时钟值。
组网工作模式下，土壤墒情监测节点100的AVR微处理器121对采集到的土壤含水率数据进行处理，如果监测到的土壤含水率高于或低于标准值一定范围，则通过ZigBee无线通信单元125向其下级精细滴灌控制节点200发送控制信息，停止或启动滴灌。
组网工作模式下，精细滴灌控制节点200的ZigBee低功耗短程无线通信模块212接收来自上级土壤墒情监测节点100的滴灌控制信息，并将该信息传送至ATMega8L单片机211。ATMega8L单片机211内部的EEPROM存储了唯一的序列号进行标识，如果土壤墒情监测节点100控制命令中的序列号与自身序列号相同，则无线滴灌控制命令的优先级高于定时滴灌，ATMega8L单片机211根据该信息控制电磁阀驱动电路231的闭合以停止或启动滴灌。
所述的土壤墒情监测节点100定期向其下级精细滴灌控制节点200发送组网信息，精细滴灌控制节点200收到上级土壤墒情监测节点100的组网信息后，进入组网运行模式。如果精细滴灌控制节点200超期未收到来自上级土壤墒情监测节点100的存在信息，则自动地由组网模式转变为独立工作模式。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍落在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于无线传感器网络的精细滴灌测控系统，其特征在于：该系统包括：布置在田间监测范围内的若干个土壤墒情监测节点(100)，每个土壤墒情监测节点包括土壤墒情信号处理模块(120)和数个埋于地底不同深度的土壤含水率传感器(110)，所述土壤墒情信号处理模块(120)通过ZigBee无线通信单元(125)向其下级精细滴灌控制节点(200)发送控制信息；所述精细滴灌控制节点(200)包括ZigBee低功耗短程无线通信模块(210)、单片机(211)和控制执行单元(230)；若干个相邻土壤墒情监测节点(100)构成一个簇，每个簇包括一个簇首节点(300)。
2.根据权利要求1所述的精细滴灌测控系统，其特征在于：所述土壤墒情信号处理模块(120)中，微处理器(121)与信号调理模块(126)及A/D模块(122)相连，所述数个埋于地底不同深度的土壤含水率传感器(110)的激励信号输入端与信号调理模块(126)的输出端相连，测量信号输出端与A/D模块(122)的输入端相连；所述信号调理模块(126)包括4个运算放大器，分别组成4个跟随器，所述跟随器的输入端与微处理器(121)的激励信号输出端相连，输出端则与数个埋于地底不同深度的土壤含水率传感器(110)的激励信号引脚相连，微处理器(121)控制信号调理模块(126)按照一定的时间间隔将激励信号依次经过跟随器放大后启动数个埋于地底不同深度的土壤含水率传感器(110)，以实现对不同土层的土壤含水率进行立体测量，A/D模块(122)转换各传感器获得的模拟信号为数字信号后，将数字信号传送至微处理器(121)，A/D模块(122)包括4个12位高精度A/D转换通道，数字信号通过串行通信的方式发送给微处理器(121)，微处理器(121)与存储器(123)和ZigBee无线通信单元(125)相连。
3.根据权利要求2所述的精细滴灌测控系统，其特征在于：所述土壤墒情信号处理模块(120)采用符合ZigBee协议的2.4GHz短程低功耗无线通信的方式，将所述存储器(123)中的土壤墒情信息通过所述ZigBee无线通信单元(125)向所述簇首节点(300)上传。
4.根据权利要求3所述的精细滴灌测控系统，其特征在于：所述簇首节点(300)接收到来自所述土壤墒情监测节点(100)的土壤墒情监测信息后，向信息的来源节点发送反馈消息。
5.根据权利要求1-4任一项所述的精细滴灌测控系统，其特征在于：所述土壤墒情监测节点(100)及簇首节点(300)设置有包括太阳能电池板(131)、充电控制模块(132)和充电电池(133)在内的独立太阳能供电模块组，太阳能电池板(131)与充电控制模块(132)相连，充电控制模块(132)与充电电池(133)相连，充电控制模块(132)根据充电电池(133)的电压连通或切断太阳能电池板(131)与充电电池(133)间的充电回路，实现充电控制。
6.根据权利要求1所述的精细滴灌测控系统，其特征在于：所述精细滴灌控制节点(200)中，控制执行单元(230)、ZigBee低功耗短程无线通信模块(212)与单片机(211)相连；所述ZigBee低功耗短程无线通信模块(212)，采用符合ZigBee协议的2.4GHz短程低功耗无线通信的方式接收来自上级土壤墒情监测节点(100)的滴灌控制信息；所述控制执行单元(230)包括顺序连接的电磁阀驱动电路(231)、电磁阀(232)和滴灌水管(233)。
7.根据权利要求6所述的精细滴灌测控系统，其特征在于：所述精细滴灌控制节点(200)还包括：相连接的多档位旋钮开关(221)与键盘电路(222)，接触式按键(223)、LED组(225)、第一电源(2241)及实时时钟(2242)、LDO稳压模块(242)和第二电源(241)，以上部件分别与所述单片机(211)相连，使所述精细滴灌控制节点(200)具备独立的时间获取能力；实时时钟(2242)由第一电源(2241)独立供电；LDO稳压模块(242)与第二电源(241)相连，为节点其余器件供电。
8.根据权利要求7所述的精细滴灌测控系统，其特征在于：所述土壤墒情监测节点(100)定期向其下级精细滴灌控制节点(200)发送组网信息，所述精细滴灌控制节点(200)收到上级土壤墒情监测节点(100)的组网信息后，精细滴灌测控系统进入组网运行模式；所述精细滴灌控制节点(200)超期未收到来自上级监测节点(100)的存在信息，精细滴灌测控系统自动由组网模式转变为独立工作模式。
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