CN202773601U

CN202773601U - 基于ZigBee的温室自动灌溉系统

Info

Publication number: CN202773601U
Application number: CN 201220392066
Authority: CN
Inventors: 李皓
Original assignee: YANGLING QIANTAI ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: YANGLING QIANTAI ELECTRONIC TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2012-08-09
Filing date: 2012-08-09
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2022-08-09

Abstract

基于ZigBee的温室自动灌溉系统，包括多个用以采集土壤湿度数据的检测模块，所述检测模块上设置无线通信模块，检测模块与协调器之间通过ZigBee网络通信，协调器还通过ZigBee网络与驱动灌溉设备的控制模块通信，控制模块上也设置无线通信模块，协调器接收检测模块采集数据并通过多跳方式与管理平台通信，管理平台通过GPRS或者Internet与远程监控中心的服务器通信连接，管理平台与手机之间通过GSM网络通信并接受手机发出的指令，本实用新型能够实现现场实时监测、远程监控报警、灌溉阈值设置灵活以及休眠等功能，并为用户提供直观的系统管理平台来完成节点管理和数据处理功能，并能满足不同作物不同时期灌溉的需要。

Description

基于ZigBee的温室自动灌溉系统

技术领域

本实用新型属于温室大棚内土壤水分补给控制技术领域，涉及一种基于ZigBee的温室自动灌溉系统。

背景技术

温室大棚已经突破了农作物种植受地域、气候等因素的限制，提高了农产品附加值，成为我国农民冬季增加收入的一项重要手段。温室大棚环境中的土壤湿度和营养程度主要靠灌溉来控制，科学的灌溉与合理调节棚内土壤湿度是保证作物优质高产的重要措施。然而我国目前大部分温室大棚主要使用传统粗放无控灌水方式，浇水不及时、不均匀、灌水不足或过量灌水现象时有发生，水资源利用效率低，短缺与浪费现象并存，并且很难保证及时、准确地调节土壤湿度。在现有灌溉技术基础上，以作物实际需水为依据，应用先进的智能自动化控制技术实施精确灌溉，能够显著提高灌溉精准度，便于实施合理的灌溉制度，提高水的利用率，同时能够减少灌溉用工，降低管理成本，显著提高效益。

近些年来，国内外许多学者对温室自动灌溉进行了大量研究，取得了一些成果，其中比较典型的成果有：程文锋的基于PLC的自动喷灌器、任文涛的温室节点式渗灌自动控制系统、袁巧霞的温室集雨灌溉系统等。很多研究成果已经在一些商业果园和高档温室的灌溉管理系统中加以应用，然而从应用现状来看，现有温室灌溉系统还存在明显不足：1）在实际的农业生产应用时，需要密布传感器节点，才能实现对监测区域的有效覆盖，这将导致农业设施内部线缆纵横交错，系统安装及维护成本急剧增加；2）温室大棚布线条件不好，设备工作在有线方式，部署复杂，且不便于大棚作业；3）设备工作环境条件恶劣，设备处于温室内高温、潮湿的环境，极容易导致通信电缆的老化，从而降低系统的可靠性；4）设备使用者多为农民，一般不具备维护和维修能力。以上因素极大地限制了这些研究成果在生产实际中的推广应用。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于ZigBee的温室自动灌溉系统，将ZigBee技术应用于温室灌溉系统，克服了传统灌溉系统的不足，具有设备成本低、可维护性高、可靠性好等独特的优势，并能通过软件处理给用户提供预警支持，从而减少农民劳作强度，增加产量，能够满足我国智能节水灌溉发展的迫切需要。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

基于ZigBee的温室自动灌溉系统，包括多个用以采集土壤湿度数据的检测模块，所述检测模块上设置无线通信模块，检测模块与协调器之间通过ZigBee网络通信，协调器还通过ZigBee网络与驱动灌溉设备的控制模块通信，控制模块上也设置无线通信模块，协调器接收检测模块采集数据并通过多跳方式与管理平台通信，管理平台通过GPRS或者Internet与远程监控中心的服务器通信连接，管理平台与手机之间通过GSM网络通信并接受手机发出的指令。

所述检测模块包括土壤水分传感器，其上设置的无线通信模块采用微处理器CC2430，土壤水分传感器的数据输出端口接微处理器CC2430的数据输入端口。

所述控制模块包括一个24VDC电磁阀，其上设置的无线通信模块采用微处理器CC2430，电磁阀通过驱动电路接微处理器CC2430的控制端。

所述管理平台以接有通信模块的处理器S3C2410为核心。

与现有技术相比，本实用新型能够实现现场实时监测、远程监控报警、灌溉阈值设置灵活以及休眠等功能，并为用户提供直观的系统管理平台来完成节点管理和数据处理功能。设备使用证明其具有良好的稳定性，并能满足不同作物不同时期灌溉的需要。同时具有系统误差低、响应速度快、部署灵活、成本低廉、维护简单等特点。该设备的研制和使用为建立大型远程智能灌溉系统提供经验和技术支持。

附图说明

图1为本实用新型系统示意图。

图2为本实用新型微处理器CC2430硬件电路。

图3为本实用新型控制模块硬件电路图。

图4为本实用新型管理平台硬件结构图。

图5为本实用新型工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细说明。

如图1所示，本实用新型为基于ZigBee的温室自动灌溉系统，包括多个用以采集土壤湿度数据的检测模块、驱动灌溉设备的控制模块、协调器、管理平台以及远程监控中心，其中检测模块、控制模块和协调器上均设置有无线通信模块CC2430，检测模块与协调器之间、控制模块与协调器之间均是通过ZigBee网络进行通信，为保证通信，还设置有路由节点。协调器将采集的数据通过多跳的方式汇聚到管理平台。管理平台收到所有节点周期性汇聚的土壤湿度数据后采用SQLite数据库对采集的数据进行存储、查询等管理，并可以通过GPRS或Internet网络将监测数据发送到远程监控中心的服务器上，使得用户可以随时通过Internet登录到服务器网站查阅或分析处理数据，为多个灌溉区域的环境信息集中管理和和综合应用提供支持。此外，还可以对写入数据库的每一个土壤湿度数据进行判断，当超过管理人员设置的阈值时，通过启动声光报警器、GSM短信等多种方式预警，并根据设计的算法将不同的控制命令发送到控制节点，由控制节点驱动相应的执行机构，完成相应的灌溉策略。

如图2所示，微处理器CC2430共有21个数字输入/输出引脚，可以配置为通用数字I/O口或外设I/O信号，配置为连接到ADC，计数器或USART外设。微处理器模块主要包括微处理器电路和调试电路。数据发送通过单极天线（ANT）来实现，非平衡变压器及配套元件（L1、L2、L3、C6）优化了天线性能，使节点间的最远传输距离可达120米。晶振XTAL2满足组网需要，晶振XTAL1用于终端节点休眠。仿真器通过JTAG接口连接CC2430内部JTAG调试模块。端口P2.1为调试时钟接口，P2.2为调试数据接口。通过该两端口可对片上闪存编程，访问存储器和寄存器，并可以设置断点、单步操作和修改寄存器。P1口作为数据输出端，与LCD液晶显示模块相连，为节省微处理器的I/O口，将CC2430的P1.3、P1.5、P2.0与移位寄存器74HC595相连，寄存器的输出口与LCD数据口（DB0-DB7）连接作为数据输入，再通过软件模拟OCM12864-9的时序，实现实时数据的查询与显示。

本实用新型的检测模块由传感器及其接口电路组成，主要完成作物根系处土壤湿度数据采集，传感器需具备较高的精度及较低的功耗，完成土壤湿度的准确测量。按传感器工作特性设计外围接口电路，通过数据线采集数据、电源线驱动传感器。本系统所采用的土壤水分传感器型号为FDS-100，其技术参数为：工作电压5～12V，工作电流25mA，测量精度≤3%，探针长度5.3cm，输出模拟信号。由于CC2430内部集成了8通道的8~14位ADC，所以无需外置A/D转换器，通过P0.2口即可实现信号的传输。

如图3所示，本实用新型的控制模块主要由执行机构及其驱动电路组成。本系统的执行机构采用了24VDC电磁阀，它按照微处理器的命令执行相应的操作。而驱动电路是连接微处理器与执行机构的桥梁，在本电路中连接了CC2430和24V电磁阀。功率驱动部分主要由光电耦合器TLP521和MOS功率管IRF540构成。光电耦合器TLP521由VCC33供电，主要起隔离作用，把微处理器的控制信号和电磁阀的功率信号隔离开来，提高系统抗干扰性。TLP521的输入为来自微处理器CC2430的小功率信号，经过隔离后把该信号输出至MOS功率管IRF540。IRF540的作用是放大从处理器CC2430输出的控制信号，把其变成可以驱动电磁阀的信号。IRF540是一个三引脚SOT78封装芯片，是一个功率型芯片，在工作时容易发热，在应用时要给其配上散热片，以免长时间工作把芯片烧毁。

如图4所示，本实用新型管理平台作为信息集中处理和无线传感器网络的本地化管理平台，需要具有较强的数据处理功能、较快的处理速度和丰富的硬件外围接口资源。管理平台以S3C2410为核心，接有通信模块以及必要的接口单元，按功能模块划分为五个部分：嵌入式处理器模块、存储器模块、通用外围接口模块、通信模块和电源供应模块。嵌入式处理器是整个系统的核心，用来完成所有的运算和控制工作。存储器模块中，SDRAM主要用作程序运行空间，Flash用来存储嵌入式系统操作系统和应用程序和设置参数，另外还拓展了SD卡接口用作外部存储器。通信模块是基地管理平台传输数据的部分，实现了平台与无线传感器网络内部网络和Internet等外部网络的通信。ZigBee协调器节点完成温室无线传感器网络的数据汇聚并通过串口与基地管理平台进行通信。GPRS模块用来实现包括短信预警和数据传输在内的远程通信。

图5为本实用新型系统工作流程，系统启动时，首先进行初始化，该过程包括给各个变量赋初值和初始化中断等。系统主程序主要实现控制算法编程，协调器、路由器、控制节点相关程序由C语言编程，主要是ZigBee协议的移植，实现控制命令的发送、接收和执行。监测模块采集土壤湿度数据，并将这些数据发送给协调器，协调器再发送给基地管理平台，然后与设定值进行比较，若超出阈值，给出相应的控制信号，控制信号经协调器、路由器，传送给控制节点，驱动相关控制设备（灌溉阀门或者水泵），从而实现对土壤湿度的自动控制。

Claims

1.基于ZigBee的温室自动灌溉系统，包括多个用以采集土壤湿度数据的检测模块，其特征在于，所述检测模块上设置无线通信模块，检测模块与协调器之间通过ZigBee网络通信，协调器还通过ZigBee网络与驱动灌溉设备的控制模块通信，控制模块上也设置无线通信模块，协调器接收检测模块采集数据并通过多跳方式与管理平台通信，管理平台通过GPRS或者Internet与远程监控中心的服务器通信连接，管理平台与手机之间通过GSM网络通信并接受手机发出的指令。

2.根据权利要求1所述的温室自动灌溉系统，其特征在于，所述检测模块包括土壤水分传感器，其上设置的无线通信模块采用微处理器CC2430，土壤水分传感器的数据输出端口接微处理器CC2430的数据输入端口。

3.根据权利要求1所述的温室自动灌溉系统，其特征在于，所述控制模块包括一个24VDC电磁阀，其上设置的无线通信模块采用微处理器CC2430，电磁阀通过驱动电路接微处理器CC2430的控制端。

4.根据权利要求1所述的温室自动灌溉系统，其特征在于，所述管理平台以接有通信模块的处理器S3C2410为核心。