CN106846779A - 一种基于定向天线的农业灌溉中无线测控通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线测控通信领域，具体涉及一种基于定向天线的农业灌溉中无线测控通信系统，包括无线主机、无线分机和无线测控终端，无线主机包括若干定向主机模块和一个总主机模块，总主机模块与各定向主机模块之间通过RS‑485总线进行相连，根据采集到的某无线分机所辖范围内的土壤水分信息，能够及时决定该无线分机所辖范围内的灌溉设备的通断，本发发明引入了定向天线使得系统通信距离增大，并使用数据打包技术，从而大大减小了数据传输时延，各定向主机模块与其所辖无线分机、无线分机与其所辖无线测控终端之间均采用休眠唤醒机制和独立的频率信道，达到了节能目的，并显著提升了数据传输效率，系统采用模块化的设计结构，安装维护便捷。

Description

一种基于定向天线的农业灌溉中无线测控通信系统

技术领域

本发明涉及无线测控通信领域，具体涉及一种基于定向天线的农业灌溉中无线测控通信系统。

背景技术

水对于农作物的重要性毋庸置疑。采用传统人工灌溉的方式，工作效率低，且成本不断提升。随着电子通信技术在农业灌溉场景中的应用，现有的农业灌溉装置大多采用有线或无线的通信方式。采用有线通信方式的灌溉装置存在安装维护不便的弊端。采用无线通信方式的灌溉装置存在数据传输距离短，数据传输延时大等缺点。大范围农场要求灌溉设备进行数据的远距离传输，精确节水灌溉要求灌溉装置进行数据快速的传输，而现有的灌溉装置均无法满足上述要求。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种基于定向天线的农业灌溉中无线测控通信系统，用于解决农业灌溉设备中无线通信距离短、数据采集速率慢的问题。

具体技术方案如下：

一种基于定向天线的农业灌溉中无线测控通信系统，包括无线主机、无线分机和无线测控终端，所述无线主机包括若干定向主机模块和一个总主机模块，总主机模块与各定向主机模块之间通过RS-485总线进行相连，根据采集到的某无线分机所辖范围内的土壤水分信息，能够及时决定该无线分机所辖范围内的灌溉设备的通断，每个定向主机模块配置一根定向天线，负责管理其通信范围内的若干无线分机，所述每个无线分机配置两根定向天线，负责管理其通信范围内的若干无线测控终端，并与所属定向主机模块通信，所述无线测控终端负责对各测试点上土壤水分数据的获取和对电磁阀电源的控制，从而控制水流的通断，并与所属无线分机通信；

优选的，每个定向主机模块包括中央处理器、无线通信模块、存储模块和电源模块，所述中央处理器分别与存储模块、电源模块、无线通信模块相连接，总主机单元包括中央处理器、无线通信模块、存储模块、显示模块和电源模块，所述中央处理器分别与存储模块、电源模块、无线通信模块、显示模块相连接，所述无线分机包括两个中央处理器，两个Si4432无线通信模块，每个中央处理器连接一个无线通信模块，所述无线测控终端包括中央处理器、无线通信模块、土壤水分传感器、继电器模块、电磁阀模块以及电源模块组成，所述中央处理器分别与无线通信模块、土壤水分传感器、继电器模块、电磁阀模块相连，所述电源模块均由太阳能电池板、太阳能控制模块和蓄电池构成；

优选的，所述无线通信模块采用型号为Si4432的无线透明传输模块，该模块支持433Mhz和470Mhz频段，实际应用时通过拨码开关灵活配置使用频段。利用其休眠唤醒机制，实现系统的低功耗数据采集、传输；

优选的，通过无线分机的数据转发，无线主机实现对无线测控终端的定时巡检和实时检测功能；

优选的，所述总主机单元的中央处理器为STM32F103RBT6单片机，定向主机模块、无线分机和无线测控终端的中央处理器为AVR系列单片机；

优选的，所述无线测控终端包含继电器和电磁阀构成的灌溉开关；

优选的，所述定向天线的中心频率分为470MHz和433MHz两种，无障碍的视距情况下通信距离达4公里。

有益效果：

本发明采用无线通信方式使得结构简单、安装方便，成本低廉，功耗低。多定向主机同时工作大大提高了实时数据采集速率，定向天线的引入扩展了无线通信距离，省去了中继装置，节省成本。采用太阳能供电解决了供电不便问题，且节约能源。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：基于定向天线的农业灌溉中无线测控通信系统系统框架图；

图2：基于定向天线的农业灌溉中无线测控通信系统总主机结构示意图；

图3：基于定向天线的农业灌溉中无线测控通信系统定向主机终端结构示意图；

图4：基于定向天线的农业灌溉中无线测控通信系统无线分机终端结构示意图；

图5：基于定向天线的农业灌溉中无线测控通信系统无线测控终端结构示意图；

图6：基于定向天线的农业灌溉中无线测控通信系统总主机电路原理图；

图7：基于定向天线的农业灌溉中无线测控通信系统定向主机电路原理图；

图8：基于定向天线的农业灌溉中无线测控通信系统无线分机终端电路原理图；

图9：基于定向天线的农业灌溉中无线测控通信系统无线测控终端电路原理图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参看图1：本发明的无线主机包括若干个定向主机，各定向主机和总主机分别连至RS-485总线，多定向主机同时工作显著提高数据采集的效率，各定向主机的无线通信模块通过拨码开关设置成不同的通信频率，以避免数据传输时的冲突。每个定向主机与其所辖范围内的所有无线分机的上行通信模块使用相同的通信频率，具体信道频率分配方法为：先通过拨码开关依次将各定向主机和其通信范围内的无线分机顺序编号，在程序中根据定向主机号和分机号通过查表的方法确定各定向主机和无线分机的通信频率。各通信信道的频率分配方法为：以470MHz为中心频率，间隔100KHz，例如，定向主机1使用470.0MHz信道，定向主机2为470.1MHz或者469.9MHz，定向主机3为470.2MHz或者469.8MHz等等，处于同一通信范围内的无线分机的上行通信模块使用相同的频率并与定向主机频率相同，达到频谱利用率，扩展性强的效果，分配方法同定向主机。无线分机的下行通信模块(中心频率为433MHz的信道)、无线测控终端的信道分配方法与定向主机和无线分机的上行通信模块的频率分配方法相同。定向天线的波瓣宽度为70°，各定向主机只能与在定向天线波瓣范围内的无线分机通信，根据现场情况灵活配置定向主机的数目。每个定向主机配置一根定向天线，在视距情况下，定向主机与无线分机之间的数据传输达4公里，省去了中继，达到节省成本的目的，此传输距离满足大多数农田、大棚等现场。

本发明提供的一种基于定向天线的农业灌溉中无线测控通信系统，包括无线主机、无线分机和无线测控终端。

结合图3，参看图2：所述无线主机由总主机和定向主机组成，放置在主控机房内。其中总主机由STM32F103RBT6单片机主芯片及其外围的显示模块、存储模块、无线通信模块以及电源模块组成，主要完成数据的汇聚、存储、人机交互的接口以及指令的下达，无线通信模块为SI4432，通信频段为433MHz/470MHz，各无线通信模块通过拨码开关设置成不同的通信频率，以避免数据传输时的冲突。当系统暂时无需进行无线通信时将无线通信模块设置为低功耗状态，能明显节省电能消耗，无线通信模块使用的天线为定向天线。定向主机由存储模块、无线通信模块和电源模块组成，定向主机的无线通信模块使用的天线同样为定向天线。一个总主机管辖若干个定向主机，各定向主机和总主机分别连至RS-485总线，多定向主机同时工作显著提高数据采集的效率。定向天线的引入扩展了无线通信距离，省去了中继装置，从而节省了成本。

参看图4：所述无线分机可放置在农田中的适当位置，管辖一定数量的无线测控终端。由2块Atmega16-AU单片机芯片、2块无线通信模块和电源模块组成，2块单片机芯片协调完成与上行定向主机和下行无线测控模块的无线通信。2块无线通信模块使用的天线均为定向天线，每个无线分机只能与其所属定向主机和所辖无线测控终端通信。无线分机的无线通信模块在没有数据传输的情况下同样可设置成低功耗状态以节约能源。

参看图5：所述无线测控终端放置在需要进行土壤水分测量的农田中和各灌溉水流开关控制处。由Atmega16-AU单片机芯片、土壤水分传感器、无线通信模块、电源模块以及由电磁阀和继电器构成的灌溉开关组成。土壤水分传感器信号输出端与Atmega16-AU芯片的土壤水分含量信号输入端连接，用于测量土壤的水分含量。继电器的信号输入端与Atmega16-AU芯片的灌溉控制信号的输出端相连接，与电磁阀构成灌溉开关，控制灌溉水流的通断。无线测控终端的无线通信模块在没有数据传输的情况下同样可设置成低功耗状态以节约能源。

定向主机采集数据有两种方式：一是定时巡检方式，二是根据需要实时检测。当农田无人值守情况下，无线分机定时一定时间间隔通过下行通信模块(中心频率为433MHz的信道)广播发送一定量的唤醒包来唤醒处于低功耗状态下的无线测控终端，同时将忙信号线置成“忙”状态，将无线测控终端唤醒后开始广播发送采集指令至所辖范围内的各无线测控终端，各无线测控终端接收到采集指令即开始采集数据，采集完毕，各无线测控终端按照自身终端号进行一定时间的延迟以便各无线测控终端按照时间队列将数据上传至无线分机，上传完毕后无线测控终端即进入休眠状态，无线分机接收完数据判断各无线测控终端上传的数据是否在正常范围内，若超出正常范围，无线分机则立即发送唤醒包唤醒无线测控终端，随后广播发送灌溉指令，无线测控终端接收到灌溉指令立即打开电磁阀开关进行灌溉，同时将灌溉标志位置成“开”状态，无线测控终端接收到灌溉指令启动定时器，每隔两分钟采集一次水分含量数据，并进行自检判断灌溉是否需要停止，若数据处于正常范围内则将发送停止灌溉指令至无线分机下行通信模块，直至最远的无线测控终端发送停止灌溉指令至无线分机，无线分机接收到最后一个采集终端的停止灌溉指令后判定是否是故障指令，若不是则发送停止灌溉指令至无线测控终端停止灌溉，撤销“忙”状态，同时无线测控终端将灌溉标志位置成“关”状态。

第二种实时采集的方式通过点击总主机上触摸屏的相应功能按钮即可进行实时采集，采集的过程如下：总主机接收到触摸屏发来的采集指令后通过RS-485总线广播发送采集指令至各定向主机，各定向主机收到指令立即发送唤醒包唤醒无线分机的上行通信模块，无线分机上行中央处理器接收到采集指令首先检查下行中央处理器是否处于“忙”状态，若忙，则通知定向主机稍后再试，定向主机接收到忙指令后通过显示屏通知用户系统正忙，稍后再试。若不忙，无线分机的上行中央处理器通过相互连接的串口通知无线分机的下行中央处理器进行水分数据采集，采集的过程同无人值守情况，无线分机下行中央处理器接收到实时数据后通过串口传递至无线分机的上行中央处理器，无线分机的上行中央处理器通过包发送的方式将数据打包发送至定向主机，再通过RS-485返回至用户。采用数据包方式发送比按照无线测控终端单独上传的方式明显提高数据传输效率。通过无线主机的显示模块能够实时查看农作物的当前状态以及历史数据。

本发明通过触摸屏可查看当前灌溉开关的的状态，也能手动控制灌溉设备的开关，过程同实时采集，区别在于指令的不同，返回的状态为无线测控终端的电磁阀的“开”或者“关”状态。

采用工业级超低功耗的土壤水分传感器，测量精度高，响应速度快，性能稳定。为了充分了解农作物生长过程中土壤的和水分含量，根据需要插入多个不同深度的水分传感器，获取植物根部不同深度的水分含量，能够更好的控制植物的生长所需水分。

当无线测控终端处于空闲的情况下，暂时控制无线通信模块进入休眠状态，以达到节能的效果，需要进行数据传输时，先通过定向主机发送唤醒指令来唤醒无线测控终端，再进行数据传输。此种方案的优点是节能，但在数据实时传输上速率较低。另一种方案是使无线测控终端的无线通信模块始终处于正常的收发状态，明显提高数据的传输速率。

电源模块由太阳能电池板、蓄电池、太阳能控制模块和支架构成，光线充足时，蓄电池通过太阳能电池板获取能量并存储，阴雨天或者夜晚光线不足时蓄电池为无线测控终端提供能量。在连续阴雨天无法为蓄电池充电的情况下，蓄电池支持不少于15天电能供应。

本发发明引入了定向天线使得系统通信距离增大，避免了中继模块的使用，并使用数据打包技术，从而大大减小了数据传输时延，各定向主机模块与其所辖无线分机、无线分机与其所辖无线测控终端之间均采用休眠唤醒机制和独立的频率信道，达到了节能目的，并显著提升了数据传输效率，系统采用模块化的设计结构，安装维护便捷。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种基于定向天线的农业灌溉中无线测控通信系统，其特征在于：包括无线主机、无线分机和无线测控终端，所述无线主机包括若干定向主机模块和一个总主机模块，总主机模块与各定向主机模块之间通过RS-485总线进行相连，根据采集到的某无线分机所辖范围内的土壤水分信息，能够及时决定该无线分机所辖范围内的灌溉设备的通断，每个定向主机模块配置一根定向天线，负责管理其通信范围内的若干无线分机，所述每个无线分机配置两根定向天线，负责管理其通信范围内的若干无线测控终端，并与所属定向主机模块通信，所述无线测控终端负责对各测试点上土壤水分数据的获取和对电磁阀电源的控制，从而控制水流的通断，并与所属无线分机通信。

2.根据权利要求1所述的基于定向天线的农业灌溉中无线测控通信系统，其特征在于：每个定向主机模块包括中央处理器、无线通信模块、存储模块和电源模块，所述中央处理器分别与存储模块、电源模块、无线通信模块相连接，总主机单元包括中央处理器、无线通信模块、存储模块、显示模块和电源模块，所述中央处理器分别与存储模块、电源模块、无线通信模块、显示模块相连接，所述无线分机包括两个中央处理器，两个Si4432无线通信模块，每个中央处理器连接一个无线通信模块，所述无线测控终端包括中央处理器、无线通信模块、土壤水分传感器、继电器模块、电磁阀模块以及电源模块组成，所述中央处理器分别与无线通信模块、土壤水分传感器、继电器模块、电磁阀模块相连，所述电源模块均由太阳能电池板、太阳能控制模块和蓄电池构成。

3.根据权利要求2所述的基于定向天线的农业灌溉中无线测控通信系统，其特征在于：所述无线通信模块采用型号为Si4432的无线透明传输模块，该模块支持433Mhz和470Mhz频段，实际应用时通过拨码开关灵活配置使用频段。利用其休眠唤醒机制，实现系统的低功耗数据采集、传输。

4.根据权利要求1所述的基于定向天线的农业灌溉中无线测控通信系统，其特征在于：通过无线分机的数据转发，无线主机实现对无线测控终端的定时巡检和实时检测功能。

5.根据权利要求1、2所述的基于定向天线的农业灌溉中无线测控通信系统，其特征在于：所述总主机单元的中央处理器为STM32F103RBT6单片机，定向主机模块、无线分机和无线测控终端的中央处理器为AVR系列单片机。

6.根据权利要求1所述的基于定向天线的农业灌溉中无线测控通信系统，其特征在于：所述无线测控终端包含继电器和电磁阀构成的灌溉开关。

7.根据权利要求1所述的基于定向天线的农业灌溉中无线测控通信系统，其特征在于：所述定向天线的中心频率分为470MHz和433MHz两种，无障碍的视距情况下通信距离达4公里。