CN102550371A - 基于物联网技术的小区或别墅用自动灌溉控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于物联网技术的小区或别墅用自动灌溉控制系统，控制系统通过Zigbee网络与区域节点无线通信连接，区域节点通过线路分别与土壤温湿度传感器和喷淋灌溉终端连接；区域节点MCU单片机最小系统向土壤温湿度检测传感器发送控制命令、读取土壤温湿度传感器的测量数据、读取电池电量检测信号及与区域节点无线通信Zigbee模块进行数据交换；主控模块上电工作后，进行系统自检，用户在其上设定各灌溉区域的湿度灌溉阈值或向区域控制节点发出强制控制命令，区域控制节点上电工作后，进行系统自检及电池电量检测，将用户设定的值与所读取的土壤温度、相对湿度相结合分析后决定是否打开喷淋电磁阀进行灌溉作业；实施简单，成本低廉。

Description

基于物联网技术的小区或别墅用自动灌溉控制系统及方法

技术领域：

本发明涉及的是一种自动灌溉控制系统及控制方法，特别是一种基于物联网技术的小区或别墅用自动灌溉控制系统及方法。

背景技术：

小区或别墅通常都要种植一些植物或花卉以起到绿化生活环境，美化生活空间的目的。但种植植物花卉就必须保证栽种的土壤中保持一定的湿度和水分，如种植者对植物不能进行及时科学的浇灌，将会造成植物或花卉营养不良甚至枯萎致死。目前，很多小区或私人别墅大多采用的是手动灌溉方式，但此种方式存在着如浪费水资源、增加灌溉的劳动强度、缺乏灌溉科学性等诸多弊端。

目前虽然也有个别小区或别墅采用了自动灌溉方式，但目前的自动灌溉系统存在以下不足：1、采用有线方式控制，所以必须在小区或别墅施工时预埋相应线路，系统实施较为复杂，成本高，功耗大，若已建成的小区或别墅需要改造为自动灌溉方式也极为不便；2、控制方式较为简单，大多是根据土壤的湿度调节灌溉供水，忽略了土壤温度对植物花卉的影响；3、普遍缺乏可监控性，无法在室内监控系统的运行状态进而进行有效管理。

目前已有的针对大棚种植的自动管理系统则比较复杂，每个大棚都要有独立的计算机来控制，耗费成本大，实时控制需要通过手机等方式来人为参与，不能做到真正的自动化。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种兼土壤水分传感器和温度传感器于一体，并在室内可监控系统运行状态的小区或别墅用自动灌溉控制系统及方法。

为了实现上述目的，本发明提出如下技术方案实现：

基于物联网技术的小区或别墅用自动灌溉控制系统，由控制系统、区域节点、土壤温湿度传感器和喷淋灌溉终端组成；其特征在于：控制系统通过Zigbee网络与区域节点无线通信连接，区域节点通过线路分别与土壤温湿度传感器和喷淋灌溉终端连接。

控制系统包括主控模块MCU单片机最小系统、主控模块无线通信Zigbee模块、按键单元、显示单元、温湿度报警单元和主控模块系统报警单元；其中主控模块无线通信Zigbee模块采用串口与主控模块MCU单片机最小系统相连，按键单元、显示单元、温湿度报警单元和主控模块系统报警单元分别与主控模块MCU单片机最小系统的I/O口相连，控制系统装设在小区物业管理室或别墅配电室内。

区域节点包括区域节点MCU单片机最小系统、区域节点无线通信Zigbee模块、电池电量检测单元、喷淋阀控制单元和区域节点系统报警单元；其中区域节点无线通信Zigbee模块采用串口与区域节点MCU单片机最小系统相连；电池电量检测单元、喷淋阀控制单元和区域节点系统报警单元分别与区域节点MCU单片机最小系统的I/O口相连。

所述的控制系统中主控模块MCU单片机最小系统和区域节点中区域节点MCU单片机最小系统均由MCU单片机、晶振和复位单元组成。

所述的控制系统采用直流电源供电。

所述的区域节点采用电池供电。

所述的土壤温湿度传感器与区域节点中的区域节点MCU单片机最小系统连接。

所述的主控模块MCU单片机采用ATMEL公司的Atmega16-16ac单片机。

所述的土壤温湿度检测传感器采用市售的SHT10单片数字温湿度集成传感器。

基于物联网技术的小区或别墅用自动灌溉控制方法为：

(1)控制系统上电工作后，进行系统自检，若系统读取显示单元、按键单元失败或与主控模块无线通信Zigbee模块通信失败，则认为是系统故障，否则系统工作正常。

(2)用户在控制系统上设定各灌溉区域的湿度灌溉阈值或向区域节点发出强制控制命令；若控制系统自检状态为“故障”，则控制系统将停止与区域节点的通信工作，并发出相应报警提示音；若控制系统自检状态为“正常”，则开始与各区域节点通信，读取各灌溉区域当前的状态参数，将用户设定的该区域的湿度灌溉阈值或强制控制命令发送至各灌溉区域。

(3)区域节点上电工作后，进行系统自检及电池电量检测，土壤温湿度传感器根据区域节点MCU单片机最小系统的命令交替检测土壤的相对湿度及温度，并将相应数据装入系统状态数据帧中，同时将用户设定的该区域的湿度灌溉阈值与所读取的土壤温度及相对湿度相结合进行分析后决定是否打开喷淋电磁阀进行灌溉作业；若区域节点MCU单片机最小系统读取土壤温湿度传感器失败或与区域节点无线通信Zigbee模块通信失败，则认为系统故障，否则系统工作正常，区域节点将停止对本区域温湿度的采样，并将故障信息装入系统状态数据帧中，同时发出相应光报警提示；若区域节点在固定时间内未能读取土壤温湿度传感器数据，则为土壤温湿度传感器故障，并将故障信息装入系统状态数据帧中，同时发出相应光报警提示。

在步骤(1)中若控制系统与某区域节点在固定时间内通信失败，则控制系统将放弃与该区域的通信，并在显示屏上显示相应信息；若读取到的某区域节点电池电量为“低”，则发出相应报警提示音，并在安装于显示单元的显示屏上显示相应报警信息。

在步骤(2)中所述的控制系统与区域节点的通信方式为轮询方式。

在步骤(3)中若控制系统读取到某灌溉区域系统自检参数为“故障”或该区域温、湿度超过上下限，则发出相应报警提示音，并在显示屏上显示报警信息，同时向该区域控制节点发出停止灌溉强制命令。

本发明可解决的技术问题是：

1、针对小区或别墅自动灌溉系统覆盖区域不大，对数据传输率和数据传输量要求不高这一特点，基于无线传感网络技术，采用Zigbee无线通信标准，自组网方式通信，完成土壤自动灌溉及系统监控任务，系统实施简单，成本低廉。

2、控制系统通过Zigbee无线通信网络将用户设定的各区域的土壤灌溉湿度阈值传输至各区域节点，同时读取各控制区域当前的状态参数完成对整个系统的监控任务，对系统进行有效管理。

3、通过在每个灌溉区域埋设土壤温湿度传感器与区域节点中的区域节点MCU单片机最小系统连接，区域节点定期采样该区域的土壤温湿度，以无线通信的方式将本区域的土壤温度、湿度数据传输至控制中心，根据该区域的土壤灌溉湿度阈值结合温度数据根据算法决定是否对该区域实施灌溉，提高了植物花卉灌溉的科学性。

4、采用电池为每个区域节点供电，系统功耗大大降低，同时也为小区或别墅将原有控制系统改造为本系统提供方便可行的条件；系统设计合理，测量准确。

5、区域节点中的区域节点系统报警单元通过I/O口与区域节点MCU单片机最小系统相连，用于在灌溉区域的温湿度超出上、下限或区域控制节点系统故障时发出光报警提示。

附图说明：

图1是本发明专利原理示意图；

图2是本发明专利控制系统电路原理图；

图3是本发明专利区域节点电路原理图；

图4是本发明专利控制系统工作流程图；

图5为本发明专利区域节点工作流程图；

具体实施方式：

参照附图，基于物联网技术的小区或别墅用自动灌溉控制系统，由控制系统1、区域节点2、土壤温湿度传感器3和喷淋灌溉终端4组成；其特征在于：控制系统1通过Zigbee网络与区域节点2无线通信连接，区域节点2通过线路分别与土壤温湿度传感器3和喷淋灌溉终端4连接。

控制系统1包括主控模块MCU单片机最小系统11、主控模块无线通信Zigbee模块12、按键单元13、显示单元14、温湿度报警单元15和主控模块系统报警单元16；主控模块MCU单片机最小系统11由主控模块MCU单片机、晶振和复位单元等构成，用于按键检测、显示及报警控制以及与主控模块无线通信Zigbee模块12进行数据交换；主控模块无线通信Zigbee模块12采用串口与主控模块MCU单片机最小系统11相连，用于完成控制系统1与各灌溉区域节点2的通信任务，即从各灌溉区域节点2读取当前的状态参数及向各灌溉区域控制节点发送用户设定的该区域的土壤灌溉阈值或强制控制命令；按键单元13采用矩阵方式与主控模块MCU单片机最小系统11的一个I/O口连接，共设有16个按键，包括0-9共10个数字键及6个功能按键，用户可通过按键输入需要查看的灌溉区域的地址，设定各灌溉区域节点的温度及湿度灌溉阈值或清除报警提示；显示单元14采用LCD液晶显示屏，其控制引脚直接和主控模块MCU单片机最小系统11的一个I/O口相连，单片机控制液晶显示屏显示各灌溉区域控制节点当前的温、湿度值，在用户进行设定时显示各灌溉区域控制节点的温湿度灌溉阈值，同时在系统出现故障或温湿度超出上、下限时显示相应报警信息；温湿度报警单元15与主控模块MCU单片机最小系统11的一个I/O口相连，MCU单片机控制信号经功率三极管放大后驱动扬声器报警，温湿度报警单元15用于在某灌溉区域的温湿度超出上、下限时发出报警提示音；主控模块系统报警单元16与主控模块MCU单片机最小系统11的一个I/O口相连，单片机控制信号经功率三极管放大后驱动扬声器报警，主控模块系统报警单元16用于在系统自检不通过、通信故障或区域控制节点模块电量不足时发出报警提示音；控制系统1装设在小区物业管理室或别墅配电室内。

区域节点2包括区域节点MCU单片机最小系统21、区域节点无线通信Zigbee模块22、电池电量检测单元23、喷淋阀控制单元24和区域节点系统报警单元25；区域节点MCU单片机最小系统21位于各灌溉区域中心位置，由区域节点MCU单片机、晶振和复位单元等构成，用于向土壤温湿度检测传感器3发送控制命令、读取土壤温湿度传感器3的测量数据、读取电池电量检测信号及与区域节点无线通信Zigbee模块22进行数据交换；区域节点无线通信Zigbee模块22设置在各灌溉区域中心位置，采用串口与区域节点MCU单片机最小系统21相连，用于完成与主控制模块的通信任务，即向控制系统1发送本灌溉区域当前的状态参数及接收控制系统1的传输数据及控制命令；电池电量检测单元23与区域节点MCU单片机最小系统21的一个I/O口相连，采用集成电压检测芯片完成电池电量检测，电池电量检测单元23用于实时检测各区域节点的电池电量，以便当电池电量不足时及时更换；喷淋阀控制单元24与区域节点MCU单片机最小系统21的一个I/O口相连，单片机控制信号经三极管隔离后控制喷淋电磁阀线圈，喷淋阀控制单元24通过电路与喷淋灌溉终端4连接，区域节点2根据控制系统1的传输数据或控制命令决定是否打开喷淋灌溉终端4上的电磁阀进行灌溉；区域节点系统报警单元25与区域节点MCU单片机最小系统21相连，单片机控制信号经三极管放大后控制发光二极管LED进行光报警，该单元用于在灌溉区域的温湿度超出上、下限或区域控制节点系统故障时发出光报警提示。

一种物联网小区或别墅用自动灌溉控制系统操作过程包括如下步骤：

(1)控制系统上电工作后，进行系统自检，若系统读取显示单元14、按键单元13失败或与主控模块无线通信Zigbee模块12通信失败，则认为是系统故障，否则系统工作正常。

(2)用户在控制系统1上设定各灌溉区域的湿度灌溉阈值或向区域节点2发出强制控制命令；若控制系统1自检状态为“故障”，则控制系统1将停止与区域节点2的通信工作，并发出相应报警提示音；若控制系统1自检状态为“正常”，则开始与各区域节点2通信，读取各灌溉区域当前的状态参数，将用户设定的该区域的湿度灌溉阈值或强制控制命令发送至各灌溉区域。

(3)区域节点2上电工作后，进行系统自检及电池电量检测，土壤温湿度检测传感器3根据区域节点MCU单片机最小系统21的命令交替检测土壤的相对湿度及温度，并将相应数据装入系统状态数据帧中，同时将用户设定的该区域的湿度灌溉阈值与所读取的土壤温度及相对湿度相结合进行分析后决定是否打开喷淋电磁阀进行灌溉作业；若区域节点MCU单片机最小系统21读取土壤温湿度检测传感器3失败或与区域节点无线通信Zigbee模块22通信失败，则认为系统故障，否则系统工作正常，区域节点2将停止对本区域温湿度的采样，并将故障信息装入系统状态数据帧中，同时发出相应光报警提示；若区域节点2在固定时间内未能读取土壤温湿度检测传感器3数据，则为土壤温湿度检测传感器3故障，并将故障信息装入系统状态数据帧中，同时发出相应光报警提示。

本发明系统采用Zigbee无线通信标准完成控制系统与各区域节点的数据传输，通信频率为2.4GHZ，单点覆盖距离可达100米，采用自组网方式，每个区域节点均具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，网络采用分布式结构，控制系统与每个区域节点间进行通信，区域节点间不通信。在控制系统及各区域节点中，Zigbee通信模块采用RS232串行通信标准与MCU进行通信。

Claims (9)

1.基于物联网技术的小区或别墅用自动灌溉控制系统，由控制系统、区域节点、土壤温湿度传感器和喷淋灌溉终端组成；其特征在于：控制系统通过Zigbee网络与区域节点无线通信连接，区域节点通过线路分别与土壤温湿度传感器和喷淋灌溉终端连接。

控制系统包括主控模块MCU单片机最小系统、主控模块无线通信Zigbee模块、按键单元、显示单元、温湿度报警单元和主控模块系统报警单元；其中主控模块无线通信Zigbee模块采用串口与主控模块MCU单片机最小系统相连，按键单元、显示单元、温湿度报警单元和主控模块系统报警单元分别与主控模块MCU单片机最小系统的I/O口相连。

区域节点包括区域节点MCU单片机最小系统、区域节点无线通信Zigbee模块、电池电量检测单元、喷淋阀控制单元和区域节点系统报警单元；其中区域节点无线通信Zigbee模块采用串口与区域节点MCU单片机最小系统相连；电池电量检测单元、喷淋阀控制单元和区域节点系统报警单元分别与区域节点MCU单片机最小系统的I/O口相连。

2.根据权利要求1所述的基于物联网技术的小区或别墅用自动灌溉控制系统，其特征在于：所述的控制系统中主控模块MCU单片机最小系统和区域节点中区域节点MCU单片机最小系统均由MCU单片机、晶振和复位单元组成。

3.根据权利要求1所述的基于物联网技术的小区或别墅用自动灌溉控制系统，其特征在于：所述的控制系统采用直流电源供电。

4.根据权利要求1所述的基于物联网技术的小区或别墅用自动灌溉控制系统，其特征在于：所述的区域节点采用电池供电。

5.根据权利要求1所述的基于物联网技术的小区或别墅用自动灌溉控制系统，其特征在于：所述的土壤温湿度传感器与区域节点中的区域节点MCU单片机最小系统连接。

6.基于物联网技术的小区或别墅用自动灌溉控制方法为：

(1)控制系统上电工作后，进行系统自检，若系统读取显示单元、按键单元失败或与主控模块无线通信Zigbee模块通信失败，则认为是系统故障，否则系统工作正常。

(2)用户在控制系统上设定各灌溉区域的湿度灌溉阈值或向区域节点发出强制控制命令；若控制系统自检状态为“故障”，则控制系统将停止与区域节点的通信工作，并发出相应报警提示音；若控制系统自检状态为“正常”，则开始与各区域节点通信，读取各灌溉区域当前的状态参数，将用户设定的该区域的湿度灌溉阈值或强制控制命令发送至各灌溉区域。

(3)区域节点上电工作后，进行系统自检及电池电量检测，土壤温湿度传感器根据区域节点MCU单片机最小系统的命令交替检测土壤的相对湿度及温度，并将相应数据装入系统状态数据帧中，同时将用户设定的该区域的湿度灌溉阈值与所读取的土壤温度及相对湿度相结合进行分析后决定是否打开喷淋电磁阀进行灌溉作业；若区域节点MCU单片机最小系统读取土壤温湿度传感器失败或与区域节点无线通信Zigbee模块通信失败，则认为系统故障，否则系统工作正常，区域节点将停止对本区域温湿度的采样，并将故障信息装入系统状态数据帧中，同时发出相应光报警提示；若区域节点在固定时间内未能读取土壤温湿度传感器数据，则为土壤温湿度传感器故障，并将故障信息装入系统状态数据帧中，同时发出相应光报警提示。

7.根据权利要求6所述的基于物联网技术的小区或别墅用自动灌溉控制方法，其特征在于：在步骤(1)中若控制系统与某区域节点在固定时间内通信失败，则控制系统将放弃与该区域的通信，并在显示屏上显示相应信息；若读取到的某区域节点电池电量为“低”，则发出相应报警提示音，并在安装于显示单元的显示屏上显示相应报警信息。

8.根据权利要求6所述的基于物联网技术的小区或别墅用自动灌溉控制方法，其特征在于：在步骤(2)中所述的控制系统与区域节点的通信方式为轮询方式。

9.根据权利要求6所述的基于物联网技术的小区或别墅用自动灌溉控制方法，其特征在于：在步骤(3)中若控制系统读取到某灌溉区域系统自检参数为“故障”或该区域温、湿度超过上下限，则发出相应报警提示音，并在显示屏上显示报警信息，同时向该区域控制节点发出停止灌溉强制命令。

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