CN105046924A - 基于物联网的农田智能灌溉控制系统及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于物联网的农田智能灌溉控制系统及其运行方法，包括监控中心、Internet网络通讯模块、便携式用户端、GSM通信模块、主控制器网关、Zigbee协调节点、Zigbee路由节点、终端节点控制模块和引水口水槽；所述监控中心用于通过Internet网络通讯模块访问主控制器网关，并经Zigbee协调节点、Zigbee路由节点向终端节点控制模块设置指令，所述设置指令包括引水口水位上、下限，同时接收终端节点控制模块的引水口水位、土壤含水量的数据信息。用户可以通过控制器网关，发送控制命令设置引水口水槽节点灌溉水位的上、下限，当节点水位传感器检测农田水位达到设定阀值时，通过通/断电磁阀，控制引水口水槽闸门打开、关闭，完成隔田的自动引水灌溉工作，并能够随时查询农田的水位信息。

Description

基于物联网的农田智能灌溉控制系统及其运行方法

技术领域

本发明涉及农田智能灌溉控制技术，具体涉及一种基于物联网的农田智能灌溉控制系统及其运行方法。

背景技术

现代化农业的发展，大型农场、合作社经营、大型农用机械的使用，大大提高了农业的生产力水平，农业灌溉技术也从单一的人力劳动，向半自动、自动化程度更高的方向发展，主要的灌溉方式包括：浇灌、滴灌、喷灌等方式，其中新疆地区的自动化节水灌溉系统，取得了较为成功的应用效果。但由于受到灌溉范围、网络布线等因素的限制，国内粮食主要产区，特别是需水量较大的水稻主产区，大面积农田的灌溉自动化程度还不高，广度与深度还不够。近年来，受环境恶化、水资源短缺、人力成本逐年上升等方面的影响，自动化节水灌溉系统的应用需求更加迫切。

随着物联网技术、计算机技术、通信技术的发展，Internet技术终端的普及，为自动化的智能灌溉提供了条件。如公开号为CN104656690A的中国发明专利申请，公开了一种物联网水位监控装置，其通过信息采集器采集水位检测器的信号，并发送给控制器，由控制器控制水泵进而管理水资源，对稻田水进行自动控制。但其田间网络布线能耗高、数据传输速度慢，并且远端的控制器对数据进行处理后，再返回控制信号来控制水泵的工作，存在一定的时差；而且其通过拍摄滑杆在立杆上的刻度来采集水位信息，受水流波动大，精确度不高；另外其智能化程度也不高，用户只能通过控制器经中央处理器来管理农田灌溉，方式不够灵活。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于物联网的农田智能灌溉控制系统及其运行方法，用户可以通过Internet、GSM网络、Zigbee无线技术访问分布在田间的引水口节点，将Zigbee终端节点嵌入田间引水口水槽，从而达到降低水渠建设的成本，提高终端节点在水渠建设不完善、隔田分布不规则环境下的实施灵活性。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

基于物联网的农田智能灌溉控制系统，包括监控中心、Internet网络通讯模块、便携式用户端、GSM通信模块、主控制器网关、Zigbee协调节点、Zigbee路由节点、终端节点控制模块和引水口水槽；

所述终端节点控制模块包括Zigbee终端节点控制单元、水位传感器、土壤含水量传感器、天线和电磁阀；Zigbee终端节点控制单元接收水位传感器和土壤含水量传感器采集的数据信息，并与内部的设置值做运算处理，从而控制电磁阀的启动或关闭，还通过天线与Zigbee路由节点实现通信；

所述引水口水槽包括传感器接线槽、天线引槽、电磁阀引槽、控制单元安装槽、与水渠连接的槽身、与电磁阀连接并设置于槽身上的闸门；

所述水位传感器和土壤含水量传感器设置于传感器接线槽上，天线设置于天线引槽上，电磁阀设置于电磁阀引槽上，Zigbee终端节点控制单元设置于控制单元安装槽上；

所述监控中心用于通过Internet网络通讯模块访问主控制器网关，并经Zigbee协调节点、Zigbee路由节点向终端节点控制模块设置指令，所述设置指令包括引水口水位上、下限，同时接收终端节点控制模块的引水口水位、土壤含水量的数据信息；

所述便携式用户端用于通过GSM通信模块访问主控制器网关，并经Zigbee协调节点、Zigbee路由节点向终端节点控制模块设置指令，所述设置指令包括引水口水位上、下限，同时接收终端节点控制模块的引水口水位、土壤含水量的数据信息。

上述方案优选的，所述主控制器网关为AT91SAM9260微处理器，在AT91SAM9260微处理器中内嵌10/100MBaseT以太网MAC；所述Internet网络通讯模块设置有物理层接口芯片DM9161，以提供以太网的接入通道。

本发明还公开了基于物联网的农田智能灌溉控制系统的运行方法，包括以下步骤：

1)开始，初始化GSM通信模块、Zigbee协议栈；

2)通过对Zigbee协议栈应用层框架的设计，完成Zigbee设备对象的定义，即Zigbee协调节点、Zigbee路由节点和Zigbee终端节点的设置，从而实现Zigbee节点的自动组网；

3)设置引水口水位上、下限；

4)监控中心和便携式用户端分别通过Internet网络通讯模块和GSM通信模块经Zigbee节点网络接收终端节点控制模块的引水口水位、土壤含水量的数据信息；

5)终端节点控制模块判断引水口水位是否低于设定下限，如否则返回到结束，如是则开启电磁阀；同时终端节点控制模块判断引水口水位是否高于设定上限，如否则返回到结束，如是则判断土壤含水量是否在设定范围内，如是则关闭电磁阀，如否则发送异常信息报警。

上述方案优选的，所述Zigbee协调节点和Zigbee终端节点的自动组网的方法为：

Zigbee协调节点和Zigbee终端节点同时初始化信道/地址，然后Zigbee协调节点启动自动Zigbee组网，组网成功后处理系统任务事件；而Zigbee终端节点则在Zigbee协调节点组网成功后，加入Zigbee网络，如加入成功则处理系统任务事件，如加入不成功则异常报错。

上述方案优选的，所述GSM通信模块的运行方法为：

模块初始化后进入新短信息检测程序，当检测到有新的短信息时，首先提取短信息内容并清新信息标志位，然后判断短信息是否为控制短信，若是则向终端节点控制模块发送相应的控制指令。

上述方案优选的，所述Internet网络通讯模块的运行方法为：

采用inetd启动方式监视用户访问服务器的请求连接，并依据连接的状态启动服务，当浏览器产生一个正确无误的连接请求时，inetd才去启动http服务器，调用HTTP请求处理模块；如果用户要向终端节点传送控制命令，则HTTP请求处理模块根据HTTP消息的头部信息，调用文件模块中的相应文件进行处理，处理的结果按HTTP协议返回给客户端。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、用户可以通过控制器网关，发送控制命令设置引水口水槽节点灌溉水位的上、下限，当节点水位传感器检测农田水位达到设定阀值时，通过通/断电磁阀，控制引水口水槽闸门打开、关闭，完成隔田的自动引水灌溉工作，并能够随时查询农田的水位信息。

2、利用Zigbee自组网构成农田间的无线网络，其功耗低、成本低、响应速度快。

3、终端节点控制模块能够依据隔田水位和土壤含水量，自行控制电磁阀的开启或关闭，且通过引水口水槽的设计，可以更精确、更灵活的控制农田的水位。

附图说明

图1为本系统的原理框图。

图2为引水口水槽的结构示意图。

图3为Zigbee节点电路原理图。

图4为Internet网络通讯模块电路原理图。

图5为GSM通信模块电路原理图。

图6为本运行方法的流程图。

图7为Zigbee节点的流程图。

图8为GSM通信模块的流程图。

图9为Internet网络通讯模块的结构框图。

图中标号为：1.天线引槽；2传感器接线槽；3电磁阀接线槽；4.控制单元安装槽；5.闸门；6.槽身。

具体实施方式

本发明为一种基于物联网的农田智能灌溉控制系统，如图1所示，采用田间Zigbee无线网络通信，主控制器网关与用户之间可以通过GSM网络与Internet网络两种通信网络完成信息的传输。其包括监控中心、Internet网络通讯模块、便携式用户端、GSM通信模块、主控制器网关、Zigbee协调节点、Zigbee路由节点、终端节点控制模块和引水口水槽。

其中主控制器网关采用ARM9核心的AT91SAM9260微处理器，负责各节点的控制协调，完成由Zigbee协调节点、Zigbee路由节点、终端节点控制模块组成的Zigbee无线网络数据信息的接收，并将其以短信、数据包的形式反馈到用户终端。引水口水槽作为农田的入水口。终端节点控制模块采用CC2530芯片为核心，包括：水位传感器、土壤水分传感器、RF前端天线、电磁阀等几部分，主要实现隔田水位、土壤水分的监测，并能够根据水位监测值与用户设定值的比较结果，自动导通、关闭电磁阀，控制引水口水槽的闸门开关，完成自动化灌溉，同时将引水口水槽状态信息、隔田水位、土壤水分信息通过协调节点、主控制其网关发送到用户(包括监控中心和便携式用户端)。Zigbee协调节点的结构与终端节点类似，但不需要连接传感器等数据采集设备，主要负责终端节点控制模块与主控制器网关的通信、Zigbee无线网络的组网等工作。Internet通信模块通过DM9161芯片连接网络隔离变压器HR911105(集成RJ45接口)直接接入Internet网络，从而实现用户通过网络访问智能控制器网关的目的。GSM通信模块采用了40引脚的TC35i和主控制器AT91SAM9260相连，完成用户与主控制器网关之间控制命令短信的收发。

如图2所示，所述引水口水槽包括传感器接线槽、天线引槽、电磁阀引槽、控制单元安装槽、与水渠连接的槽身、与电磁阀连接并设置于槽身上的闸门。

如图3所示为Zigbee节点电路原理图，其以CC2530为核心的Zigbee终端节点控制单元嵌入在引水口水槽的控制单元安装槽上，通过天线引槽将RF前端天线引出(高度为50cm左右)，通过传感器线槽连接农田内检测水位、水分的水位传感器与土壤水分传感器，通过电磁阀接线槽连接电磁阀控制闸门的开关。

图4为Internet网络通讯模块电路原理图。其采用的主控制器AT91SAM9260内嵌了10/100MBaseT以太网MAC，在全双工模式下支持IEEE802.3MAC控制层协议，但并未提供物理层接口，因而在Internet通信模块的电路设计，需额外接一片物理层接口芯片DM9161，以提供以太网的接入通道。由于DM9161和主控制器AT91SAM9260所具有的EMAC都支持MII和RMII接口功能，根据信号的定义相连接即可。信号的发送端和接收端通过一个网络隔离变压器HR911105(集成RJ45接口)接入Internet。所述监控中心用于通过Internet网络通讯模块访问主控制器网关，并经Zigbee协调节点、Zigbee路由节点向终端节点控制模块设置指令，所述设置指令包括引水口水位上、下限，同时接收终端节点控制模块的引水口水位、土壤含水量的数据信息。

图5为GSM通信模块电路原理图，GSM通信模块的实现主要是通过40针的电缆连接TC35i和主控制器AT91SAM9260。TC35i的40个引脚，通过ZIF分别连接电源电路部分、启动/关机、数据的通信电路模块、SIM卡接口电路、指示灯等。TC35i的电源接线引脚为1-14，其电源电压的输入端引脚为1-5，6-10引脚接电源地，11、12是充电引脚，13为外电路可使用的电压引脚，14引脚是BATT_TEMP。TC35i能够使用外部电源实现供电，也可以通过电池实现供电。所述便携式用户端用于GSM通信模块访问主控制器网关，并经Zigbee协调节点、Zigbee路由节点向终端节点控制模块设置指令，所述设置指令包括引水口水位上、下限，同时接收终端节点控制模块的引水口水位、土壤含水量的数据信息。

本发明还公开了基于物联网的农田智能灌溉控制系统的运行方法，如图6所示，包括以下步骤：

1)开始，初始化GSM通信模块、Zigbee协议栈；

2)通过对Zigbee协议栈应用层框架的设计，完成Zigbee设备对象的定义，即Zigbee协调节点、Zigbee路由节点和Zigbee终端节点的设置，从而实现Zigbee节点的自动组网；

3)设置引水口水位上、下限；

4)监控中心和便携式用户端分别通过Internet网络通讯模块和GSM通信模块经Zigbee节点网络接收终端节点控制模块的引水口水位、土壤含水量的数据信息；

5)终端节点控制模块判断引水口水位是否低于设定下限，如否则返回到结束，完成单次的电磁阀控制，如是则开启电磁阀；同时终端节点控制模块判断引水口水位是否高于设定上限，如否则返回到结束，完成单次的电磁阀控制，如是则判断土壤含水量是否在设定范围内，如是则关闭电磁阀，如否则发送异常信息报警。

用户可以选择通过短息或者Internet访问主控制器网关，并经过Zigbee无线网络设定隔田引水口水位上、下限，同时能够接收终端节的水位、土壤水分等数据信息。终端节点控制模块依据水位、土壤水分数据信息选择启动、关闭电磁阀，实现自动灌溉。

由于影响超声波水位传感器精度的主要因素如：温湿度、泥沙、漂浮物等在田间是不可避免的，所以水位传感器检测农田水位达到预设值上、下限时,判断土壤水分传感器检测土壤湿度是否维持在相应值不变，即在设定值区间的波动程度，从而确定电磁阀的通断，控制灌溉操作的启停，同时通过路由节点、协调节点、主控制器网关，将信息返回到用户终端。

如图7所示为Zigbee节点的流程图，Zigbee节点选择的Ti公司的CC2530解决方案，提供了完整的Zigbee2007/PRO协议栈支持，只需在应用层完成节点的类型注册、设备定义，从而实现系统上电后，首先初始化GSM通信模块与Zigbee协议栈，完成Zigbee网络的自动组网。Zigbee协调节点和Zigbee终端节点的自动组网的方法具体如下：

Zigbee协调节点和Zigbee终端节点同时初始化信道/地址；然后Zigbee协调节点启动自动Zigbee组网，组网成功后处理系统任务事件；而Zigbee终端节点则在Zigbee协调节点组网成功后，加入Zigbee网络，如加入成功则处理系统任务事件，如加入不成功则异常报错。

如图8所示，GSM通信模块根据系统的实时性需要，在应用程序的设计中为系统设置了一个新短信息标志位,模块初始化后进入新短信息检测程序，当检测到有新的短信息时，首先提取短信息内容并清标志位，然后判断短信息是否为控制短信，若是则向终端节点发送相应的控制指令。初始化程序调用Initial_TC35i(void)函数主要完成短信息编码方式的设置、新短信息提示以及选择短信息的存储位置等。完成初始化后，系统检测是否有新的短信息，当检测到有短信息到达后，TC35i通过数据通信接口向主控制器AT91SAM9260发送短信息到达提示，并告知到达短信息存储于SIM卡的具体位置。系统收到提示信息后记录新短信息的存储位置，并置新短信息到达标志位。当系统监测到新短信息的到达标志位为1时读取短信息，并根据短信息的内容发送相应的控制指令给终端节点。

如图9所示，Internet网络通讯模块采用inetd启动方式监视用户访问服务器的请求连接，并依据连接的状态启动服务,当浏览器产生一个正确无误的连接请求时，inetd才去启动HTTP服务器，调用HTTP请求处理模块。如果用户要向终端节点传送控制命令，则HTTP请求处理模块根据HTTP消息的头部信息，调用文件模块中的相应文件进行处理，处理的结果按HTTP协议返回给客户端。

其中,文件模块的实现是由嵌入式Linux操作系统的文件系统完成的。文件模块可读写，包括CGI(公共网关接口)处理文件、静态网页文件，CGI处理文件是文件模块的核心部分，其具有实现用户登陆的身份安全认证，以及用户对终端节点设备进行控制设置时的参数解析功能，从而保证了用户通过浏览器远程控制的安全性与正确性。

Claims (6)

1.基于物联网的农田智能灌溉控制系统，其特征在于：包括监控中心、Internet网络通讯模块、便携式用户端、GSM通信模块、主控制器网关、Zigbee协调节点、Zigbee路由节点、终端节点控制模块和引水口水槽；

所述终端节点控制模块包括Zigbee终端节点控制单元、水位传感器、土壤含水量传感器、天线和电磁阀；Zigbee终端节点控制单元接收水位传感器和土壤含水量传感器采集的数据信息，并与内部的设置值做运算处理，从而控制电磁阀的启动或关闭，还通过天线与Zigbee路由节点实现通信；

所述引水口水槽包括传感器接线槽、天线引槽、电磁阀引槽、控制单元安装槽、与水渠连接的槽身、与电磁阀连接并设置于槽身上的闸门；

所述水位传感器和土壤含水量传感器设置于传感器接线槽上，天线设置于天线引槽上，电磁阀设置于电磁阀引槽上，Zigbee终端节点控制单元设置于控制单元安装槽上；

所述监控中心用于通过Internet网络通讯模块访问主控制器网关，并经Zigbee协调节点、Zigbee路由节点向终端节点控制模块设置指令，所述设置指令包括引水口水位上、下限，同时接收终端节点控制模块的引水口水位、土壤含水量的数据信息；

所述便携式用户端用于通过GSM通信模块访问主控制器网关，并经Zigbee协调节点、Zigbee路由节点向终端节点控制模块设置指令，所述设置指令包括引水口水位上、下限，同时接收终端节点控制模块的引水口水位、土壤含水量的数据信息。

2.根据权利要求1所述的基于物联网的农田智能灌溉控制系统，其特征在于：所述主控制器网关为AT91SAM9260微处理器，在AT91SAM9260微处理器中内嵌10/100MBaseT以太网MAC；所述Internet网络通讯模块设置有物理层接口芯片DM9161，以提供以太网的接入通道。

3.基于物联网的农田智能灌溉控制系统的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)开始，初始化GSM通信模块、Zigbee协议栈；

2)通过对Zigbee协议栈应用层框架的设计，完成Zigbee设备对象的定义，即Zigbee协调节点、Zigbee路由节点和Zigbee终端节点的设置，从而实现Zigbee节点的自动组网；

3)设置引水口水位上、下限；

4)监控中心和便携式用户端分别通过Internet网络通讯模块和GSM通信模块经Zigbee节点网络接收终端节点控制模块的引水口水位、土壤含水量的数据信息；

5)终端节点控制模块判断引水口水位是否低于设定下限，如否则返回到结束，如是则开启电磁阀；同时终端节点控制模块判断引水口水位是否高于设定上限，如否则返回到结束，如是则判断土壤含水量是否在设定范围内，如是则关闭电磁阀，如否则发送异常信息报警。

4.根据权利要求3所述的基于物联网的农田智能灌溉控制系统的运行方法，其特征在于，所述Zigbee协调节点和Zigbee终端节点的自动组网的方法为：

Zigbee协调节点和Zigbee终端节点同时初始化信道/地址；然后Zigbee协调节点启动自动Zigbee组网，组网成功后处理系统任务事件；而Zigbee终端节点则在Zigbee协调节点组网成功后，加入Zigbee网络，如加入成功则处理系统任务事件，如加入不成功则异常报错。

5.根据权利要求3或4所述的基于物联网的农田智能灌溉控制系统的运行方法，其特征在于，所述GSM通信模块的运行方法为：

模块初始化后进入新短信息检测程序，当检测到有新的短信息时，首先提取短信息内容并清新信息标志位，然后判断短信息是否为控制短信，若是则向终端节点控制模块发送相应的控制指令。

6.根据权利要求3或4所述的基于物联网的农田智能灌溉控制系统的运行方法，其特征在于，所述Internet网络通讯模块的运行方法为：

采用inetd启动方式监视用户访问服务器的请求连接，并依据连接的状态启动服务，当浏览器产生一个正确无误的连接请求时，inetd才去启动http服务器，调用HTTP请求处理模块；如果用户要向终端节点传送控制命令，则HTTP请求处理模块根据HTTP消息的头部信息，调用文件模块中的相应文件进行处理，处理的结果按HTTP协议返回给客户端。