低成本無線溫室微灌監(jiān)控系統(tǒng)研究

劉長亮，李永武，蔣新啟，申兆亮，魏志明

（山東省農(nóng)業(yè)機械科學研究院，濟南 250100）

發(fā)展精細化、智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)，對農(nóng)業(yè)灌溉進行科學合理管理，既能節(jié)省人力物力，又可提高勞動生產(chǎn)率，是應對水資源短缺和推進農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必然選擇。微灌技術作為一種先進的節(jié)水灌溉技術，具有節(jié)水、低能耗、省工增效等諸多優(yōu)點。大力發(fā)展溫室微灌監(jiān)控系統(tǒng)，具有廣闊的應用市場和巨大的社會經(jīng)濟效益。目前，國內(nèi)對溫室節(jié)水灌溉系統(tǒng)研究逐漸增多，但真正推廣的產(chǎn)品甚少，主因在于使用不便、安裝調(diào)試工作量大、維護困難且價格偏高，很難進行大規(guī)模普及。針對這些制約因素，研發(fā)成本低廉、操作簡單、性能可靠、堅固耐用的溫室微灌監(jiān)控系統(tǒng)成為我國設施農(nóng)業(yè)的一個關鍵任務。在實現(xiàn)ZigBee技術和GPRS技術無縫對接的基礎上，研制一種低成本的無線溫室微灌監(jiān)控系統(tǒng)，以期達到適用性強、成本低、易普及的效果。

1 無線溫室微灌監(jiān)控系統(tǒng)總體結構

1.1 溫室微灌結構

所研發(fā)的溫室微灌系統(tǒng)主要在農(nóng)戶棚室中使用，用于栽培經(jīng)濟價值較高的作物?？煽販厥业墓喔葴锨砂凑請D1所示的方式進行設計建設，這種方式可有效利用溫室面積并達到高效灌溉的效果。

溫室微灌系統(tǒng)可采用滴灌方式。作為微灌的一種，滴灌是一種針對作物根部或葉面的局部灌溉方式，對土壤結構影響較小，水分蒸發(fā)與作物蒸騰量較少，灌水利用率可達85%～95%。滴灌所用設備包括毛管、支管和干管。水從干管流向支管，通過支管流向毛管，再經(jīng)過毛管均勻流向作物。連接支管和干管的關鍵部件是電磁閥，通過控制電磁閥的開合，即可使水流向作物或終止供水。溫室區(qū)域面積和支管個數(shù)決定著電磁閥的個數(shù)，從而確定控制電路的設計思路。

圖1 溫室微灌系統(tǒng)示意圖Figure 1 Schematic diagram of micro-irrigation system in greenhouse

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)結構

溫室監(jiān)控系統(tǒng)通過高性能傳感器采集土壤濕度、空氣溫濕度、光照強度等數(shù)據(jù)，可科學準確地計算出作物供水量，進而達到節(jié)水灌溉的目的。

按照網(wǎng)絡結構，溫室監(jiān)控系統(tǒng)可分為現(xiàn)場無線監(jiān)控網(wǎng)絡、本地監(jiān)控中心和遠程管理中心三層（如圖2所示），主要有以下預期功能：

圖2 溫室微灌監(jiān)控系統(tǒng)結構圖Figure 2 Structure diagram of micro-irrigation monitoring system in greenhouse

1）數(shù)據(jù)采集功能：可采集來自溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、土壤濕度傳感器等模擬量或數(shù)字量信號。

2）控制功能：具有自動控制、定時控制、循環(huán)控制、手動控制、短信控制等功能，用戶可以根據(jù)需要靈活選用控制方式。

3）自動控制：匯聚節(jié)點根據(jù)傳感器檢測的溫度、濕度和光照計算灌水量，將土壤濕度值與設定值比較，越限則自動啟動對應的電磁閥進行灌溉操作，達到灌水量后停止灌溉。

4）定時控制：用戶可對每個電磁閥分別設定起、停時間，每個電磁閥最多設置4個時間段，還可設置間隔天數(shù)。天數(shù)設為0表示每天，1表示間隔一天，依次類推。

5）循環(huán)控制：用戶可對每個電磁閥分別設定起始時間和灌溉周期，控制器按設定好的時間自動循環(huán)灌溉。

6）手動控制：用戶可對任意電磁閥進行手動起、停。

7）短信控制：用戶可在任意有手機信號的地方發(fā)布控制命令，對電磁閥進行開關操作。

2 現(xiàn)場無線監(jiān)控網(wǎng)絡

現(xiàn)場無線監(jiān)控網(wǎng)絡主要包括匯聚節(jié)點、路由節(jié)點和終端節(jié)點三部分。端節(jié)點分為數(shù)據(jù)采集器和無線執(zhí)行器，共同組成星形監(jiān)控網(wǎng)絡。數(shù)據(jù)采集器將環(huán)境參數(shù)發(fā)送給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)實時顯示，并對其分析做出控制決定，然后將控制命令發(fā)給無線執(zhí)行器，無線執(zhí)行器接收到控制命令后驅(qū)動水泵、電磁閥的開關；匯聚節(jié)點連接GPRS模塊，負責與用戶進行短信互動，使用戶在任意時間、任意地點均可了解溫室現(xiàn)場的情況并對其進行遠程控制。短信控制相比電腦操作更適于農(nóng)民使用。

2.1 控制器選擇

組成現(xiàn)場無線監(jiān)控網(wǎng)絡三部分的控制器均采用英國JENNIC公司生產(chǎn)的JN5139R1模塊。該模塊具有以下功能：一是集成了2.4G射頻（免費頻段）收發(fā)模塊；二是支持晶振休眠和系統(tǒng)節(jié)能功能；三是內(nèi)置硬件MAC地址和高度安全AES加密算法加速器；四是支持連續(xù)模擬和數(shù)字外設；五是技術資料齊全；六是開發(fā)工具簡單易用。其引腳排列圖和內(nèi)部結構示意圖見圖3和圖4。

圖3 JN5139R1系列模塊引腳排列圖Figure 3 JN5139R1 series module pin arrangement diagram

圖4 JN5139R1微控制器內(nèi)部結構示意圖Figure 4 Schematic diagram of internal structure of JN5139R1microcontroller

2.2 匯聚節(jié)點

匯聚節(jié)點主要負責組建ZigBee無線網(wǎng)絡，允許路由節(jié)點和終端節(jié)點的加入和退出，接受來自數(shù)據(jù)采集器的環(huán)境信息并加以分析、顯示，發(fā)送控制命令給無線執(zhí)行器。同時，增加GPRS模塊，用以負責與用戶短信互動。

2.2.1 硬件結構和軟件流程 匯聚節(jié)點以 JN5139R1無線微控制器模塊為核心，GPRS模塊采用SIMCOM公司的SIM300。根據(jù)功能需求，擴展硬件通訊接口，增添RS232接口，方便與GPRS模塊直接相連，硬件結構見圖5。根據(jù)硬件結構設計匯聚節(jié)點主程序，流程圖如圖6所示。

圖5 匯聚節(jié)點硬件結構圖Figure 5 Structural diagram of hardware of aggregation node

圖6 匯聚節(jié)點主程序流程圖Figure 6 Main program flow chart of aggregation node

2.2.2 人機交互界面 匯聚節(jié)點擬配備128＊64點陣液晶屏，支持中英文兩種顯示方式，可實時顯示現(xiàn)場采集的各種數(shù)據(jù)。但JN5139R1模塊原配備的液晶是美國BATRON公司生產(chǎn)的黑白屏液晶，其型號為BTHQ128064AVC1-STF-06-LED02YG-COG，考慮到該液晶屏進口價格太高（約800元/個），將其替換為MzL02D-12864（約50元/個）。該液晶為一塊128*64點陣的LCD顯示模組，模組上的LCM采用COG技術將控制（包括顯存）、驅(qū)動器集成在LCM的玻璃上，接口簡單、操作方便。3.3V的白色LED背光美觀大方?？刹捎貌⑿薪涌?800/8080時序或串行SPI的MPU接口方式。本設計采用SPI接口方式。

2.3 路由節(jié)點

路由節(jié)點以JN5139R1無線微控制器模塊為核心，無需進行硬件拓展。路由節(jié)點用來轉發(fā)數(shù)據(jù)，擴大網(wǎng)絡規(guī)模，實現(xiàn)多跳網(wǎng)絡。上電后首先進行相應的初始化操作，然后節(jié)點請求加入網(wǎng)絡。加入網(wǎng)絡后將獲得一個網(wǎng)絡短地址，然后進行數(shù)據(jù)轉發(fā)即可。

2.4 終端節(jié)點

2.4.1 數(shù)據(jù)采集器 數(shù)據(jù)采集器作為無線傳感器網(wǎng)絡的終端節(jié)點，為上層的匯聚節(jié)點提供實時數(shù)據(jù)。它以JN5139R1無線微控制器模塊為核心，擴展了通信接口、總線接口、傳感器接口和供電接口設計。將不同傳感器分別連接到數(shù)據(jù)采集器的傳感器接口，經(jīng)信號調(diào)理后接入JN5139R1的A/D通道，通過標定曲線轉換得到對應的測量參數(shù)值，結構圖見圖7。主要包括空氣溫濕度傳感器、光照傳感器和土壤濕度傳感器。

空氣溫濕度傳感器采用了瑞士Sensirion公司的產(chǎn)品SHT11，這是一款低功耗的數(shù)字傳感器，外形圖如圖8，其他性能參數(shù)見表1。

圖7 數(shù)據(jù)采集器結構圖Figure 7 Structural diagram of data collector

圖8 SHT11引腳及外形圖Figure 8 SHT11 pin and outline drawing

表1 SHT11的性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of SHT11

光照傳感器選用美國TAOS公司的TSL2550D，如圖9所示。它是一款采用兩線制串行接線方式的數(shù)字傳感器，其工作電壓為 2.7～5.5V，功耗低典型值是1mW。

圖9 TSL2550D引腳及外形示意圖Figure 9 Schematic diagram of TSL2550D pin and configuration

土壤濕度傳感器采用的是TDR-3土壤水分傳感器，其特點包括：價格低；支撐材料為環(huán)氧樹脂，強度高，不容易受腐蝕，使用壽命長；穩(wěn)定性高，土質(zhì)影響小，大部分地區(qū)均可使用；安裝維護操作簡便；抗干擾性強，傳送距離遠，測量精度高，相應速度快。外形如圖10。

圖10 土壤濕度傳感器外形圖Figure 10 Outside drawing of soil moisture sensor

傳感器選定后可以得出無線執(zhí)行器硬件結構框圖，見圖11。

圖11 無線執(zhí)行器硬件結構框圖Figure 11 Hardware structural diagram of wireless actuator

3 GPRS串口數(shù)據(jù)收發(fā)

本系統(tǒng)所采用的GPRS模塊是SIMCOM公司生產(chǎn)的SIM300，可在全球范圍 EGSM9000MHz、DCS1800MHz、PCS1900MHz頻率下工作，能夠提供GPRS多信道類型多達10個且支持4種編碼方式，具有結構小巧、功耗低、擴展TCP/IP AT指令及單電壓供電等優(yōu)點，可以滿足系統(tǒng)對外形、功能、功耗、供電等各方面的要求。

3.1 GPRS模塊應用方式選擇

GPRS模塊的常見應用方式是利用GPRS模塊進行短信收發(fā)和實現(xiàn)微處理器無線上網(wǎng)。由于這個系統(tǒng)利用GPRS所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不是很大且主要應用對象為農(nóng)民，故采用SMS短信息進行通訊較為方便。SMS短信息收發(fā)模式包括Block模式、基于AT命令的Text模式和PDU模式。

3.2 硬件構成方式

串口通信模式是匯聚節(jié)點的重要組成部分，它既是通過計算機向JN5139R1模塊下載應用程序及在線調(diào)試的接口，又是連接GPRS模塊的接口。JN5139R1模塊有UART0和UART1兩個串口，本設計采用UART0接口。

3.3 軟件實現(xiàn)流程

以基于AT命令的TEXT模式為例，描述GPRS模塊SIM300短信收發(fā)過程。

1）發(fā)送短信息：首先通過串口向SIM300模塊發(fā)送一條 AT 指令“AT+CMGF＝1”，若模塊返回“OK”，表示JN5139R1模塊與SIM300的硬件連接成功。然后發(fā)送一條 AT 指令 “AT+CMGS＝’+8613*******’＜回車＞”，輸入短信息內(nèi)容，以Ctrl+Z結束并發(fā)送。

2）讀取所有信息：先向SIM300模塊發(fā)送一條AT指令，若模塊返回“OK”，表示JN5139R1模塊與SIM300 的硬件連接成功。 再發(fā)送“at+cmgl＝‘a(chǎn)ll’”，讀取所有短信息，成功返回OK，否則ERROR。

4 系統(tǒng)分析

4.1 成本分析

JN5139R1系列模塊的芯片價格為160元，加上外圍器件的價格，終端節(jié)點核心裸板的價格大約在230元左右。匯聚節(jié)點增加液晶屏幕45元和GPRS模塊300元。本系統(tǒng)用到的各設備成本見表2。

表2 溫室微灌監(jiān)控系統(tǒng)設備成本估算Table 2 Estimation of equipment cost of micro-irrigation monitoring system in greenhouse

每個溫室的大小不同，需配備的節(jié)點個數(shù)也不同。最小系統(tǒng)需要配備每種類型的節(jié)點各1個，成本最低達1 000元，能滿足農(nóng)民用戶對低成本的要求。

4.2 系統(tǒng)可靠性

為了提高系統(tǒng)的可靠性，匯聚節(jié)點和終端節(jié)點之間進行數(shù)據(jù)傳輸時采取間接傳輸方式。采用這種方式獲得數(shù)據(jù)必須先發(fā)送數(shù)據(jù)請求，當匯聚節(jié)點判斷有需要發(fā)送給該節(jié)點的數(shù)據(jù)時再發(fā)送，接到數(shù)據(jù)后終端節(jié)點可發(fā)送確認信息，這樣可保障數(shù)據(jù)不會丟失，且終端節(jié)點大部分共組狀態(tài)均處于休眠狀態(tài)，節(jié)省能耗。

將系統(tǒng)進行集成模塊化處理并實地測試，結果表明：該系統(tǒng)能夠基本實現(xiàn)精確、自動灌溉，運行狀況良好，為進一步研究推廣奠定了基礎。

［1］王智乾.基于PLC的溫室模糊灌溉控制系統(tǒng)研究［D］.昆明理工大學，2012.

［2］李天來.全國設施蔬菜重點區(qū)域發(fā)展規(guī)劃及北方寒區(qū)設施蔬菜生產(chǎn)基地的地位［R］.遼寧：朝陽設施農(nóng)業(yè)發(fā)展高峰論壇，2012.

［3］陳輝.基于ZigBee與GPRS的溫室番茄遠程智能灌溉系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［D］.浙江大學，2013.

［4］南紀琴，宋毅夫，肖俊夫，等.溫室灌溉系統(tǒng)的發(fā)展［J］.節(jié)水灌溉，2013，（9）：85-89.