基于GPRS和igBee的智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

王福平　馮盼盼

摘要：為解決目前我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中水資源利用率低等問題，結(jié)合igBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS技術(shù)，設(shè)計了1套以GPRS +igBee無線組網(wǎng)技術(shù)為核心的智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)。igBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點（網(wǎng)關(guān)節(jié)點基于IEEE 802154/igBee協(xié)議構(gòu)建，終端節(jié)點對土壤、環(huán)境等信息讀取和傳輸來自上層的指令，協(xié)調(diào)器節(jié)點基于TCP/IP協(xié)議連接到監(jiān)控服務(wù)器形成遠(yuǎn)程灌溉監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后發(fā)送至監(jiān)控中心及手機(jī)用戶，實現(xiàn)對作物的精準(zhǔn)灌溉。

關(guān)鍵詞：智能灌溉；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；GPRS技術(shù)；igBee

中圖分類號： TP2772；S126文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（201412-0404-03[HS][HT9SS]

收稿日期：2014-01-10

基金項目：國家自然科學(xué)基金（編號：61261045。

作者簡介：王福平（1963—，男，寧夏銀川人，教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為計算機(jī)控制技術(shù)。E-mail：w_fuping@126com。

目前我國農(nóng)業(yè)領(lǐng)域由于水資源利用率低以及耕地管理效率低等問題，制約了農(nóng)業(yè)的發(fā)展。在灌溉期澆水全憑農(nóng)民的經(jīng)驗和感覺，造成水資源的嚴(yán)重浪費(fèi)，也使農(nóng)作物不能得到最佳的生長環(huán)境，影響了農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。近幾年來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用逐步頻繁，集成短距離igBee、藍(lán)牙、蜂窩移動、衛(wèi)星通訊等各種無線通訊技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了信息的多尺度傳輸[1]。在農(nóng)田灌溉中數(shù)據(jù)的傳輸要可靠及時，對灌水量的控制要精確。igBee具有短距離、低成本、低功耗的特點，主要適合應(yīng)用于監(jiān)控點密集又難于布線的場合；而GPRS網(wǎng)絡(luò)不受通訊距離的限制，通信可靠并使底層的igBee網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。本研究充分發(fā)揮2種無線技術(shù)的優(yōu)勢，設(shè)計1套以GPRS+igBee無線組網(wǎng)技術(shù)為核心的智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)。

1系統(tǒng)框架設(shè)計

基于GPRS+igBee無線組網(wǎng)技術(shù)的智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、中央監(jiān)控服務(wù)器和終端監(jiān)控系統(tǒng)組成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過對終端節(jié)點采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)通過igBee協(xié)議傳輸至協(xié)調(diào)器節(jié)點，將數(shù)據(jù)融合并打包傳輸?shù)奖O(jiān)控中心來完成數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸。中央監(jiān)控服務(wù)器對接收到的數(shù)據(jù)結(jié)合氣象信息進(jìn)行分析，并與專家決策系統(tǒng)信息按照一定算法（模糊控制得出決策信息，來控制電磁閥的開關(guān)。管理員可以采用PC機(jī)作為客戶端來進(jìn)行用戶管理、信息查看和控制灌溉；通過登錄權(quán)限設(shè)置，用戶也可以通過PC機(jī)或手機(jī)來登錄終端監(jiān)控系統(tǒng)，查看耕地的土壤墑情、灌水量及水費(fèi)剩余等信息。

設(shè)計的智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)具有以下主要功能：（1精準(zhǔn)灌溉，上傳到服務(wù)器端的數(shù)據(jù)經(jīng)過解析存儲到數(shù)據(jù)庫，通過專家系統(tǒng)利用模糊算法處理數(shù)據(jù)并結(jié)合作物在各個生長時期的不同需求，得出最佳的灌水時間和灌水量，以確保作物始終處于最優(yōu)的生長環(huán)境，進(jìn)而來保證作物的品質(zhì)和產(chǎn)量。（2遠(yuǎn)程管理，系統(tǒng)管理員和用戶可通過聯(lián)網(wǎng)以Web形式訪問監(jiān)控中心，來進(jìn)行管理。（3移動控制，持有手機(jī)移動終端的用戶可通過開通GPRS業(yè)務(wù)來查看所屬農(nóng)田的信息、灌水量信息等，若遇特殊情況需要灌溉而系統(tǒng)不予灌溉時，用戶可通過手機(jī)終端界面來控制閥門，實施灌溉。（4智能施肥，通過對灌溉管道中灌溉肥水pH值、EC值的檢測，結(jié)合專家系統(tǒng)設(shè)定的適合各個作物生長時期的pH值和EC值，來控制施肥管道的開度以達(dá)到調(diào)整肥水的pH值、EC值的目的。

2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

傳統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案是將節(jié)點隨機(jī)的放置在需要進(jìn)行監(jiān)控的地點，各個節(jié)點對自己的覆蓋區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后向匯聚節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，離匯聚節(jié)點近的節(jié)點因數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)最重，能量消耗也最大。鑒于灌溉區(qū)域環(huán)境的面積廣闊，土壤條件差異大特點，設(shè)計了基于分簇結(jié)構(gòu)的兩層無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)包括協(xié)調(diào)器節(jié)點和終端節(jié)點，利用基于igBee技術(shù)的協(xié)調(diào)器節(jié)點實現(xiàn)農(nóng)田近距離數(shù)據(jù)采集傳輸，通過終端節(jié)點的GPRS模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。適用于無線控制和自動化應(yīng)用的較低速率的IEEE 802153技術(shù)，即igBee技術(shù)，每個igBee網(wǎng)絡(luò)最多可以設(shè)置254個從設(shè)備和一個主設(shè)備，節(jié)點間的距離可從標(biāo)準(zhǔn)的75 m，到擴(kuò)展后的幾百米，甚至幾千米[5]。

21igBee節(jié)點硬件設(shè)計

igBee終端節(jié)點是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元，由數(shù)據(jù)采集模塊、信息處理模塊、射頻天線和電源模塊4部分組成（圖2。根據(jù)系統(tǒng)需求設(shè)計數(shù)據(jù)采集模塊由溫濕度傳感器、降雨量傳感器等組成。采用翻斗式雨量傳感器來測量降水量、降水強(qiáng)度和降水起止時間，并將脈沖信號傳輸?shù)讲杉到y(tǒng)；信息處理模塊采用CC2430芯片，能滿足以igBee為基礎(chǔ)的24 GHz ISM波段應(yīng)用對低成本，低功耗的要求。在單個芯片上整合了igBee射頻（RF前端、內(nèi)存和微控制器， 結(jié)合[FL]

[F（W23][TPWFP1tif][F]

[FL（22]一個高性能24 GHz DSSS射頻收發(fā)器核心和一個小巧高效的8051控制器，CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。電源模塊采用高能大容量的堿性電池來提供電能[6]。

[F（W9][TPWFP2tif][F]

22GPRS協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計

igBee網(wǎng)絡(luò)面向的是短距離通信，GPRS面向的是遠(yuǎn)距離通信，傳輸距離遠(yuǎn)且數(shù)據(jù)可靠，兩者優(yōu)勢互補(bǔ)，可以實現(xiàn)大范圍的農(nóng)田數(shù)據(jù)監(jiān)測。協(xié)調(diào)器節(jié)點主要負(fù)責(zé)igBee網(wǎng)絡(luò)與GPRS網(wǎng)絡(luò)的雙向數(shù)據(jù)傳輸，實際是一個基于igBee協(xié)議和GPRS協(xié)議的轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)（網(wǎng)關(guān)節(jié)點。本系統(tǒng)采用華為的GTM900無線模塊實現(xiàn)無線發(fā)送、接受和數(shù)據(jù)處理等功能，支持EGSM900/GSM1800頻段，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，使用AT指令集，通過UART接口與外部CPU進(jìn)行串口通信。GTM900模塊與數(shù)據(jù)處理模塊存儲CC2430芯片通過RS232接口連接，完成GPRS網(wǎng)絡(luò)的鏈接、數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送等。

傳輸?shù)紾PRS模塊的數(shù)據(jù)經(jīng)過內(nèi)置的嵌入式處理器進(jìn)行處理和協(xié)議封裝后發(fā)送到GPRS網(wǎng)上，由于GPRS網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)都是基于IP協(xié)議且是互相連接的[7]，所以只要灌溉監(jiān)控中心通過任意方式聯(lián)網(wǎng)就能通過GPRS網(wǎng)絡(luò)接收監(jiān)測數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)信息保存到監(jiān)控服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中。同時，監(jiān)控中心中由專家系統(tǒng)得出的決策信息經(jīng)過Internet和GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到GPRS模塊中，再由GPRS模塊傳送至閥門控制器來控制遠(yuǎn)端灌溉系統(tǒng)的運(yùn)行。GPRS上電復(fù)位后，首先要對模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，如工作模式、接入網(wǎng)關(guān)、協(xié)議類型、通信波特率等，初始化設(shè)置后就可以發(fā)送撥號命令進(jìn)行GPRS網(wǎng)絡(luò)連接，GPRS模塊初始化如下：（1設(shè)置通訊波特率，使用“AT+IPR=115200”命令設(shè)置波特率為115 200 bps；（2設(shè)置接入[JP2]網(wǎng)關(guān)，使用“AT+CGDCONT=1，”IP“，”CMNET命令設(shè)置為移動夢網(wǎng)的接入網(wǎng)關(guān)；（3測試是否開通，使用“AT+CGACT=1”命令，激活GPRS功能。如果返回O，可GPRS連接成功；如果返回ERROR，則表示GPRS連接失?。唬?與監(jiān)控中心建立TCP連接；使用“AT+CIPSTART=”TCP“，”1721855107“，”2020”命令建立TCP連接，其中“2020”為接入端口號；（5設(shè)置移動終端的類別，使用“AT+CGCLASS=B”命令設(shè)置移動終端的類別為B類，在同一時間只能運(yùn)行一種業(yè)務(wù)，GPRS或GSM。

3中央監(jiān)控服務(wù)器設(shè)計

中央監(jiān)控服務(wù)器是整個系統(tǒng)信息管理和監(jiān)控中心，是數(shù)據(jù)處理的重要環(huán)節(jié)，能夠為管理者提供充足的信息和快捷的查詢手段，大大方便管理者的管理。服務(wù)器端監(jiān)控軟件采用Java語言來實現(xiàn)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時顯示。采用SQL Server 2000數(shù)據(jù)庫來存儲灌溉現(xiàn)場采集的信息及水費(fèi)管理信息，數(shù)據(jù)庫存儲使數(shù)據(jù)的存儲結(jié)構(gòu)化，不僅增加了存儲的效率，還使數(shù)據(jù)查詢更加高效。

31中央監(jiān)控服務(wù)器的功能

建立的友好的人機(jī)交互平臺，可以實現(xiàn)監(jiān)管中心與底層傳感器和閥門控制器的通信、數(shù)據(jù)傳輸及監(jiān)控功能。利用GSM的SMS短消息業(yè)務(wù)實現(xiàn)向用戶發(fā)送灌溉控制信息；同時，用戶可向監(jiān)管中心發(fā)送強(qiáng)制灌溉控制指令和土壤墑情數(shù)據(jù)提取指令，完成對灌溉的遠(yuǎn)程監(jiān)控[8-9]；其智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3。[FL]

[F（W16][TPWFP3tif][F]

[FL（22]32專家系統(tǒng)

灌溉專家決策系統(tǒng)采用模糊控制技術(shù)實現(xiàn)，設(shè)計了一個雙輸入-單輸出的二位節(jié)水灌溉控制器?？刂破鞯妮斎肓繛樵O(shè)定值與實際測量計算得到的差值（E，及其變化率（EC，輸出量為灌溉時間（U，并分別定義了7個語言變量，即NB、NM、NS、0、PS、PM、PB，采用簡單的三角形隸屬函數(shù)，選用的模糊推理條件語句為“if A and B then C”。根據(jù)作物不同生長階段的不同需求得出各階段的模糊控制表，查詢該表便可得到輸出量的量化等級，對輸出量去模糊化，即乘以比例因子，便可以得到灌溉時間。模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。[FL]

[F（W10][TPWFP4tif][F]

[FL（22]4結(jié)論

本研究設(shè)計了一種基于igBee和GPRS技術(shù)的智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)，具體研究了利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)農(nóng)田信息的采集和智能節(jié)水灌溉的控制，設(shè)計了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和智能灌溉系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方案。igBee技術(shù)不但具有低成本、低功耗的特點，而且避免了灌溉現(xiàn)場布線帶來的各種問題。并且利用Internet使用戶通過計算機(jī)訪問中央監(jiān)控服務(wù)器，或通過手機(jī)利用用戶名登陸，隨時隨地查看農(nóng)田信息及水費(fèi)使用情況等，該智能灌溉系統(tǒng)可以實現(xiàn)節(jié)水灌溉，并有效改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及管理模式。

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