CN104904570B - 基于无线传感器网络的荔枝园节水灌溉控制系统及方法 - Google Patents

基于无线传感器网络的荔枝园节水灌溉控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于无线传感器的荔枝园节水灌溉控制系统及方法，系统包括多个传感器节点、多个电磁阀控制节点、网关模块、人机交互模块、网络服务器模块、网站模块和移动终端模块；每个传感器节点连接一个电磁阀控制节点；所述网关模块与人机交互模块通过串口相互连接，与网络服务器模块通过移动通信网‑互联网相互连接；网络服务器模块与手机客户端模块通过互联网相互连接；网络服务器模块与网站模块通过数据库相互连接；本发明通过无线传感器网络、GPRS和互联网进行数据的传输，保证传输的实时性和可靠性，实现了对荔枝园环境的实时监控，提高了灌溉的智能化程度，避免了管理者因为没有及时察觉荔枝的实时生长状况而做出正确的措施带来的损失。

Description

基于无线传感器网络的荔枝园节水灌溉控制系统及方法
技术领域
本发明涉及基于无线传感器网络的智能控制的技术领域，特别涉及一种基于无线传感器网络的荔枝园节水灌溉控制系统及方法。
背景技术
我国荔枝种植总面积600000hm2，占世界荔枝种植总面积的75％；荔枝总产量1290000t，占世界荔枝总产量的47.78％。目前由于水果生长的自然环境比较复杂，果园生产管理主要由人工完成，果树的生长环境、生长发育、栽培技术的实施、生长状况、病虫害的预测等主要靠人为经验判断。
一直以来，大部分荔枝园的生长管理主要依赖人工灌溉，而且灌溉量的多少也依据人工经验判断，缺乏科学的管理和智能化的种植。这种方式费时又费力,既造成了人力物力及水资源的浪费,又没有达到预期的灌溉效果，且具有较大的盲目性和随机性，对荔枝种植质量的提高、种植过程的自动化水平都有较大影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的荔枝园人工灌溉的缺点与不足，提供一种以无线传感器网络技术为核心，通过硬件电路设计和软件编程，设计了一种适合于荔枝园节水灌溉的控制系统。
本发明的另一目的在于，提供一种适合于荔枝园节水灌溉的控制方法。
为了达到上述第一目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于无线传感器的荔枝园节水灌溉控制系统，包括多个传感器节点、多个电磁阀控制节点、网关模块、人机交互模块、网络服务器模块、网站模块和移动终端模块；每个传感器节点连接一个电磁阀控制节点；所述网关模块与人机交互模块通过串口相互连接，与网络服务器模块通过移动通信网-互联网相互连接；所述网络服务器模块与手机客户端模块通过互联网相互连接；网络服务器模块与网站模块通过数据库相互连接；
所述传感器节点，用于采集荔枝园的环境信息，通过Zigbee网络传输到网关模块；
所述电磁阀控制节点，用于通过Zigbee网络接收网关的指令来对电磁阀进行开关工作；
所述网关模块，用于在传感器节点和电磁阀控制节点休眠的时候，网关模块将数据进行格式化处理，利用GPRS模块与远程服务器建立起TCP/IP连接，通过Internet将数据发送到服务器上；
所述人机交互模块，用于实时查看环境信息和发送相关指令控制相应的电磁阀控制节点进行滴灌开关工作；
网络服务器模块，用于将温度、湿度、光照度、土壤水分含水量、各节点实时电压值和电磁阀状态显示出来，并且存储到本地数据库，用户可以利用服务器发送相关指令控制相应的电磁阀控制节点进行滴灌开关工作；
网站模块，用于读取数据库的数据，并将此时的土壤水分含水量和阈值作比较，当土壤水分含水量超过阈值时，改变数据库里相关表格的列值，服务器每隔设定时间读取该表格的值，然后经过网关模块发送相关指令控制相应的电磁阀控制节点进行滴灌开关工作；
移动终端模块，用于通过互联网访问网络服务器端，接收从服务器端发送的荔枝园的实时数据，显示在移动终端上。
优选的，所述传感器节点包括核心处理器STM32F103C8T6、无线通信模块CC2530、功率放大芯片RFX2401、空气温湿度传感器DHT22、光强度传感器GY-30、土壤水分传感器TDR-3、电源模块和太阳能充电模块：所述核心处理器STM32F103C8T6通过串口与无线通信模块CC2530连接、，所述功率放大芯片RFX2401通过功率放大电路与CC2530模块连接、，所述空气温湿度传感器DHT22通过电路与STM32F103C8T6连接、，所述光强度传感器GY-30通过IIC总线与STM32F103C8T6连接、，所述土壤水分传感器TDR-3通过电路与STM32F103C8T6连接、，所述电源模块通过电路给各模块供电和，所述太阳能充电模块通过充电电路与电源模块连接；。
优选的，所述电磁阀控制节点包括核心处理器STM32F103C8T6、无线通信模块CC2530、功率放大芯片RFX2401、双稳态脉冲电磁阀及其外围驱动电路的电磁阀模块、电源模块和太阳能充电模块：所述核心处理器STM32F103C8T6通过串口与无线通信模块CC2530连接，所述功率放大芯片RFX2401通过功率放大电路与CC2530模块连接、，所述双稳态脉冲电磁阀及其外围驱动电路的电磁阀模块通过控制电路与STM32F103C8T6连接、，所述电源模块通过电路给各模块供电和，所述太阳能充电模块通过充电电路与电源模块连接；。
优选的，所述网关模块包括核心处理器STM32F103ZET6、存储模块、电源模块和太阳能充电模块：所述核心处理器STM32F103ZET6通过两个串口分别连接GPRS和Zigbee协调器，所述存储模块通过存储电路与STM32F103ZET6连接，所述电源模块通过电路给各模块供电，所述太阳能充电模块通过充电电路与电源模块连接。
优选的，所述人机交互模块采用LabView编写。
优选的，所述网络服务器模块基于Socket编程，采用C#语言编写。
优选的，所述网站模块基于NetFramwork平台，以ASP.NET为框架，使用C#语言编写。
优选的，所述移动终端模块基于Android系统和Socket编程，使用Java语言编写。
为了达到上述第二目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于无线传感器的荔枝园节水灌溉控制方法，包括下述步骤：
(1)传感器节点和电磁阀控制节点开机处于等待同步状态，网关开机发送一次同步信息后进入休眠，传感器节点和电磁阀控制节点接收到同步信息，更新自己的休眠时间后进入休眠；
(2)网关首先被唤醒，侦听信道是否有数据，有数据就进入接收中断程序，保存接收到的数据，以及侦听服务器端是否有控制指令，有就把指令保存下来；当接收一定的时间后，默认已经把当前发送的数据已经接收完毕，此时再发送一次同步信息；
(3)传感器节点和电磁阀控制节点接着被唤醒，传感器节点自动采集荔枝园的环境信息，包括温度、湿度、光照度和土壤水分含水量，通过Zigbee网络传输到网关；电磁阀控制节点通过Zigbee网络接收网关的指令来对电磁阀进行开关工作；当传感器节点和电磁阀控制节点接收到网关的同步信息后，更新休眠时间，再次进入休眠；
(4)在节点休眠的时候，网关将数据进行格式化处理，利用GPRS模块与远程服务器建立起TCP/IP连接，通过Internet将数据发送到服务器上；
(5)网络服务器将温度、湿度、光照度、土壤水分含水量、各节点实时电压值和电磁阀状态信息显示出来，并且存储到本地数据库SQL Server 2000里，用户可以利用服务器发送相关指令控制相应的电磁阀控制节点进行滴灌开关工作；
(6)同时，网关通过串口与人机交互模块连接，用户通过人机交互模块可查看实时环境信息和发送相关指令控制相应的电磁阀控制节点进行滴灌开关工作；
(7)WSN荔枝园环境监控网站包含实时数据查看、绘制历史数据波形图、实时数据预警和后台管理；
(8)移动终端模块通过互联网访问网络服务器端，接收从服务器端发送的荔枝园的实时数据，显示在移动终端界面上，用户可以通过移动终端发送相关指令到服务器上，再由服务器通过网关转发到相应的电磁阀控制节点，以此达到远程控制电磁阀进行滴灌开关工作。
优选的，步骤(7)具体为：WSN荔枝园环境监控网站每隔一分钟就读取数据库SQLServer 2000的数据，并将此时的土壤水分含水量和阈值作比较，当土壤水分含水量超过阈值时，网站会改变数据库里相关表格的列值，服务器每隔30秒会读取改表格的值，然后经过网关发送相关指令控制相应的电磁阀控制节点进行滴灌开关工作，所以实时数据预警实现了荔枝园的智能滴灌的功能。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、本发明通过无线传感器网络、GPRS和互联网进行数据的传输，保证了传输的实时性、可靠性以及距离广，实现了对荔枝园环境的实时监控。
2、本发明中，通过将DHT22空气温湿度传感器、GY-30光强度传感器和TDR-3土壤水分传感器及外围电路作为传感器模块，精确采集荔枝园温度、湿度、光照度和土壤水分含水量等多项环境信息，避免了人为经验判断引入的错误或者误差，确保测量结果的准确性。
3、本发明中，远程服务器和网站上都对荔枝园的土壤水分含水量的阈值进行了设置，当土壤水分含水量的值超过了阈值，服务器或者网站就会自动发送相关命令对相应的电磁阀进行控制，实现了荔枝园节水灌溉的智能化，避免了管理者因为没有及时察觉荔枝的实时生长状况而做出正确的措施带来的损失。
4、本发明中，用户可以通过远程服务器，网站和手机客户端等手动发送相关命令对相应的电磁阀进行控制，实现了真正意义上的荔枝园节水灌溉的远程控制，克服了区域上的限制，为用户实时监控荔枝园带来了极大的便利。
5、本发明中，传感器节点以STM32F103C8T6为核心处理器，以CC2530为无线通信模块，接收并处理来自用户的命令；电磁阀控制节点以STM32F103C8T6为核心处理器，以CC2530为无线通信模块，以双稳态脉冲电磁阀及其外围驱动电路作为电磁阀模块，实现了对荔枝园精确滴灌的目的。
附图说明
图1是本发明荔枝园节水灌溉控制方法的整体结构图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
如图1所示，一种基于无线传感器为核心的荔枝园节水灌溉方法，其特征在于，包括用于信息采集和信息处理的传感器节点和电磁阀控制节点、网关模块、人机交互模块、网络服务器模块和网站模块。所述网关模块与人机交互模块电连接。
本实施例中，传感器节点包括核心处理器STM32F103C8T6，无线通信模块CC2530，功率放大芯片RFX2401，空气温湿度传感器DHT22、以光强度传感器GY-30，土壤水分传感器TDR-3，电源模块和太阳能充电模块。而传感器节点安装在钢制的脚架上，脚架有三种尺寸，分别为0.5M，1.0M和1.5M。测量时，脚架稳固在被测荔枝园土壤的上方，然后将TDR-3土壤水分传感器插进土壤中来测量土壤水分含水量。
电磁阀控制节点包括核心处理器STM32F103C8T6，无线通信模块CC2530，功率放大芯片RFX2401、双稳态脉冲电磁阀及其外围驱动电路的电磁阀模块、电源模块和太阳能充电模块。
如图1所示，为本发明基于无线传感器的荔枝园节水灌溉的控制方法，具体为：节点开机处于等待同步状态，网关开机发送一次同步信息(休眠时间)后进入休眠，节点接收到同步信息，更新自己的休眠时间后进入休眠。网关首先被唤醒，侦听信道是否有数据，有数据就进入接收中断程序，保存接收到的数据，以及侦听服务器端是否有控制指令，有就把指令保存下来。当接收一定的时间后，默认已经把当前发送的数据已经接收完毕，此时再发送一次同步信息。传感器节点和电磁阀控制节点接着被唤醒，传感器节点自动采集荔枝园的环境信息，包括温度、湿度、光照度和土壤水分含水量等，通过Zigbee网络传输到网关；电磁阀控制节点通过Zigbee网络接收网关的指令来对电磁阀进行开关工作。当传感器节点和电磁阀控制节点接收到网关的同步信息后，更新休眠时间，再次进入休眠。在节点休眠的时候，网关将数据进行格式化处理，利用GPRS模块与远程服务器建立起TCP/IP连接，通过Internet将数据发送到服务器上。网络服务器将温度、湿度、光照度、土壤水分含水量、各节点实时电压值和电磁阀状态等相关信息显示出来，并且存储到本地数据库SQL Server2000里。用户可以利用服务器发送相关指令控制相应的电磁阀控制节点进行滴灌开关工作。同时，网关通过串口与人机交互模块(上位机)连接，用户通过上位机可查看实时环境信息和发送相关指令控制相应的电磁阀控制节点进行滴灌开关工作。WSN荔枝园环境监控网站包含实时数据查看、绘制历史数据波形图、实时数据预警和后台管理等功能。网站每隔一分钟就读取数据库SQL Server 2000的数据，并将此时的土壤水分含水量和阈值作比较，当土壤水分含水量超过阈值时，网站会改变数据库里相关表格的列值，服务器每隔30秒会读取改表格的值，然后经过网关发送相关指令控制相应的电磁阀控制节点进行滴灌开关工作，所以实时数据预警实现了荔枝园的智能滴灌的功能。Android客户端通过互联网访问网络服务器端，接收从服务器端发送的荔枝园的实时数据，显示在手机上，用户可以通过手机发送相关指令到服务器上，再由服务器通过网关转发到相应的电磁阀控制节点，以此达到远程控制电磁阀进行滴灌开关工作。
设定传感器节点采集周期为30min，采用休眠唤醒机制降低网络能量消耗，连续监测10d，测试结果如表1所示，该系统网络传输稳定可靠，整个网络的平均丢包率仅为0.75％。
表1 网络丢包率统计
各节点测试得到的数据如表2所示，具体时刻为2014年1月22日15:30。
表2 各节点测试数据
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于无线传感器的荔枝园节水灌溉控制系统，其特征在于，包括多个传感器节点、多个电磁阀控制节点、网关模块、人机交互模块、网络服务器模块、网站模块和移动终端模块；每个传感器节点连接一个电磁阀控制节点；所述网关模块与人机交互模块通过串口相互连接，与网络服务器模块通过移动通信网-互联网相互连接；所述网络服务器模块与手机客户端模块通过互联网相互连接；网络服务器模块与网站模块通过数据库相互连接；
所述网关模块，用于在传感器节点和电磁阀控制节点休眠的时候，网关模块将数据进行格式化处理，利用GPRS模块与远程服务器建立起TCP/IP连接，通过Internet将数据发送到服务器上；
所述人机交互模块，用于实时查看环境信息和发送相关指令控制相应的电磁阀控制节点进行滴灌开关工作；
网络服务器模块，用于将温度、湿度、光照度、土壤水分含水量、各节点实时电压值和电磁阀状态显示出来，并且存储到本地数据库，用户可以利用服务器发送相关指令控制相应的电磁阀控制节点进行滴灌开关工作；
网站模块，用于读取数据库的数据，并将此时的土壤水分含水量和阈值作比较，当土壤水分含水量超过阈值时，改变数据库里相关表格的列值，服务器每隔设定时间读取该表格的值，然后经过网关模块发送相关指令控制相应的电磁阀控制节点进行滴灌开关工作；
移动终端模块，用于通过互联网访问网络服务器端，接收从服务器端发送的荔枝园的实时数据，显示在移动终端上；
所述传感器节点，用于采集荔枝园的环境信息，通过Zigbee网络传输到网关模块；所述传感器节点包括核心处理器STM32F103C8T6、无线通信模块CC2530、功率放大芯片RFX2401、空气温湿度传感器DHT22、光强度传感器GY-30、土壤水分传感器TDR-3、电源模块和太阳能充电模块：所述核心处理器STM32F103C8T6通过串口与无线通信模块CC2530连接，所述功率放大芯片RFX2401通过功率放大电路与CC2530模块连接，所述空气温湿度传感器DHT22通过电路与STM32F103C8T6连接，所述光强度传感器GY-30通过IIC总线与STM32F103C8T6连接，所述土壤水分传感器TDR-3通过电路与STM32F103C8T6连接，所述电源模块通过电路给各模块供电，所述太阳能充电模块通过充电电路与电源模块连接；
所述电磁阀控制节点，用于通过Zigbee网络接收网关的指令来对电磁阀进行开关工作；所述电磁阀控制节点包括核心处理器STM32F103C8T6、无线通信模块CC2530、功率放大芯片RFX2401、双稳态脉冲电磁阀及其外围驱动电路的电磁阀模块、电源模块和太阳能充电模块：所述核心处理器STM32F103C8T6通过串口与无线通信模块CC2530连接，所述功率放大芯片RFX2401通过功率放大电路与CC2530模块连接，所述双稳态脉冲电磁阀及其外围驱动电路的电磁阀模块通过控制电路与STM32F103C8T6连接，所述电源模块通过电路给各模块供电，所述太阳能充电模块通过充电电路与电源模块连接。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感器的荔枝园节水灌溉控制系统，其特征在于，所述网关模块包括核心处理器STM32F103ZET6、存储模块、电源模块和太阳能充电模块：所述核心处理器STM32F103ZET6通过两个串口分别连接GPRS和Zigbee协调器，所述存储模块通过存储电路与STM32F103ZET6连接，所述电源模块通过电路给各模块供电，所述太阳能充电模块通过充电电路与电源模块连接。
3.根据权利要求1所述的基于无线传感器的荔枝园节水灌溉控制系统，其特征在于，所述人机交互模块采用LabView编写。
4.根据权利要求1所述的基于无线传感器的荔枝园节水灌溉控制系统，其特征在于，所述网络服务器模块基于Socket编程，采用C#语言编写。
5.根据权利要求1所述的基于无线传感器的荔枝园节水灌溉控制系统，其特征在于，所述网站模块基于NetFramwork平台，以ASP.NET为框架，使用C#语言编写。
6.根据权利要求1所述的基于无线传感器的荔枝园节水灌溉控制系统，其特征在于，所述移动终端模块基于Android系统和Socket编程，使用Java语言编写。
7.一种根据权利要求1-6中任一项所述基于无线传感器的荔枝园节水灌溉控制系统的控制方法，其特征在于，包括下述步骤：
(1)传感器节点和电磁阀控制节点开机处于等待同步状态，网关开机发送一次同步信息后进入休眠，传感器节点和电磁阀控制节点接收到同步信息，更新自己的休眠时间后进入休眠；
(2)网关首先被唤醒，侦听信道是否有数据，有数据就进入接收中断程序，保存接收到的数据，以及侦听服务器端是否有控制指令，有就把指令保存下来；当接收一定的时间后，默认已经把当前发送的数据已经接收完毕，此时再发送一次同步信息；
(3)传感器节点和电磁阀控制节点接着被唤醒，传感器节点自动采集荔枝园的环境信息，包括温度、湿度、光照度和土壤水分含水量，通过Zigbee网络传输到网关；电磁阀控制节点通过Zigbee网络接收网关的指令来对电磁阀进行开关工作；当传感器节点和电磁阀控制节点接收到网关的同步信息后，更新休眠时间，再次进入休眠；
(4)在节点休眠的时候，网关将数据进行格式化处理，利用GPRS模块与远程服务器建立起TCP/IP连接，通过Internet将数据发送到服务器上；
(5)网络服务器将温度、湿度、光照度、土壤水分含水量、各节点实时电压值和电磁阀状态信息显示出来，并且存储到本地数据库SQL Server 2000里，用户可以利用服务器发送相关指令控制相应的电磁阀控制节点进行滴灌开关工作；
(6)同时，网关通过串口与人机交互模块连接，用户通过人机交互模块可查看实时环境信息和发送相关指令控制相应的电磁阀控制节点进行滴灌开关工作；
(7)WSN荔枝园环境监控网站包含实时数据查看、绘制历史数据波形图、实时数据预警和后台管理；
(8)移动终端模块通过互联网访问网络服务器端，接收从服务器端发送的荔枝园的实时数据，显示在移动终端界面上，用户可以通过移动终端发送相关指令到服务器上，再由服务器通过网关转发到相应的电磁阀控制节点，以此达到远程控制电磁阀进行滴灌开关工作。
8.根据权利要求7所述的基于无线传感器的荔枝园节水灌溉控制系统的控制方法，其特征在于，步骤(7)具体为：WSN荔枝园环境监控网站每隔一分钟就读取数据库SQL Server2000的数据，并将此时的土壤水分含水量和阈值作比较，当土壤水分含水量超过阈值时，网站会改变数据库里相关表格的列值，服务器每隔30秒会读取改表格的值，然后经过网关发送相关指令控制相应的电磁阀控制节点进行滴灌开关工作，所以实时数据预警实现了荔枝园的智能滴灌的功能。
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