基于無線技術(shù)的農(nóng)田自動噴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

董妍汝

(山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院，山西 太原 030031)

0 引言

隨著我國農(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，水資源短缺問題日益嚴(yán)重。水資源可持續(xù)利用是我國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的戰(zhàn)略問題，核心是提高用水效率，把節(jié)水放在突出位置。農(nóng)業(yè)是第一用水大戶，我國農(nóng)業(yè)用水約占全國用水總量的65%左右，發(fā)展智能化的農(nóng)業(yè)用水方式可以減緩我國水資源緊缺問題，并促進(jìn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。農(nóng)業(yè)自動噴灌系統(tǒng)可以在無人干預(yù)的情況下，通過檢測土壤層中的濕度進(jìn)行自動噴灌，從而滿足農(nóng)作物對水分的需求，節(jié)約水資源和人工勞動力，并得到較好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 需求分析

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉中，人們主要采用漫灌或手動開關(guān)閥門的噴灌方式，這些方法不僅耗費(fèi)人力，而且對水資源造成很嚴(yán)重的浪費(fèi)。因此，田間自動噴灌系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。該系統(tǒng)應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能[1]：

1) 實(shí)時監(jiān)測土壤濕度，需要采集節(jié)點(diǎn)。

2) 將采集到的信息傳輸?shù)絇C控制臺，需要組網(wǎng)傳輸。

3) 將采集的數(shù)據(jù)分析，做出判斷，需要PC控制臺程序。

4) 進(jìn)行對強(qiáng)電，大電流的抽水泵進(jìn)行控制，需要噴灌節(jié)點(diǎn)。

5) 控制噴灌節(jié)點(diǎn)進(jìn)行噴灌，需要控制節(jié)點(diǎn)。

6) 將采集節(jié)點(diǎn)和PC控制臺進(jìn)行信息交互，需要在PC端中繼節(jié)點(diǎn)。

2 概要設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

1) 采集節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)：采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)了電阻式土壤濕度檢測傳感器，用高可靠性的可充電鋰電池和太陽能板混合供電，采用單片機(jī)中的A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的土壤濕度值通過采集節(jié)點(diǎn)傳輸至PC端中繼節(jié)點(diǎn),主要包含以下幾部分：處理器電路、電源管理電路、濕度傳感器電路、蜂鳴器電路、無線模塊接口電路[2]。

2) 控制節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)：控制節(jié)點(diǎn)用來控制噴灌節(jié)點(diǎn)，主要包含以下幾部分：處理器電路、光電隔離電路、電流驅(qū)動電路、無線模塊接口電路。

3) 噴灌節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)：噴灌節(jié)點(diǎn)，即繼電器驅(qū)動板，主要用來控制220 V的抽水機(jī)通斷電或者控制12 V的電磁閥打開或者關(guān)閉。主要包含：繼電器電路1，繼電器電路2。

4) PC端中繼節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)：PC端中繼節(jié)點(diǎn)主要是將接收到的數(shù)據(jù)，通過電腦的USB傳送給控制中心，或?qū)⒖刂浦行牡臄?shù)據(jù)和控制命令傳送到具體的節(jié)點(diǎn)。主要包含：處理器電路，串口-USB接口轉(zhuǎn)換電路，無線模塊接口電路。

2.2 硬件底層軟件設(shè)計(jì)

采集節(jié)點(diǎn)手觸兩次后開機(jī)，內(nèi)嵌自動組網(wǎng)協(xié)議，通過無線模塊接收、發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)后，接收到接收方的應(yīng)答才算發(fā)送成功，若發(fā)送失敗時，再嘗試循環(huán)發(fā)送3次，防止兩個模塊同時發(fā)送數(shù)據(jù)，產(chǎn)生無線碰撞。每個采集節(jié)點(diǎn)都是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，作為中繼站轉(zhuǎn)發(fā)接收的數(shù)據(jù)，可以申請、注銷、修改本節(jié)點(diǎn)地址，建立通信鏈路，修改父親、兒子節(jié)點(diǎn)，接收、回復(fù)應(yīng)答，獲取濕度數(shù)據(jù)。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

1) 配置軟件設(shè)計(jì)：技術(shù)人員使用配置軟件使采集節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)、PC中繼節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行自動組網(wǎng)，并在農(nóng)田圖片上生成直觀的邏輯布局。主要功能包含：串口配置，運(yùn)行顯示，導(dǎo)入背景圖(實(shí)際的農(nóng)田圖片)，生成物理布局圖(實(shí)際的農(nóng)田圖片中添加傳感器)，刪除數(shù)據(jù)信息，查看邏輯布局圖(查看節(jié)點(diǎn)邏輯布局以及對節(jié)點(diǎn)的常用操作)[3]。配置軟件功能模塊結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 配置軟件功能模塊結(jié)構(gòu)圖

2) 采集軟件設(shè)計(jì)：客戶使用采集軟件配置系統(tǒng)參數(shù)，通過采集節(jié)點(diǎn)傳回的數(shù)據(jù)實(shí)時監(jiān)控田間濕度，以及查看田間歷史濕度，并對濕度值做出相應(yīng)判斷，當(dāng)濕度超過配置參數(shù)下上限時，控制水泵是否噴灌，從而使田間濕度處于最佳水平。主要功能包含：串口配置，功能提示，系統(tǒng)參數(shù)配置、手動或自動運(yùn)行，查看田間濕度。采集軟件功能模塊結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫共有5個表，分別為農(nóng)田數(shù)據(jù)表(Farm)、節(jié)點(diǎn)路徑記錄表(NodeCommPath)、傳感器邏輯布局表(SensorLayout)、傳感器信息表(SensorNodeInfo)、農(nóng)田濕度信息表(WetCollectInfo)。一個農(nóng)田數(shù)據(jù)表對應(yīng)多個農(nóng)田濕度信息表，包含多個傳感器信息表；一個傳感器信息表對應(yīng)一個節(jié)點(diǎn)路徑信息表，產(chǎn)生一個傳感器邏輯分布表[4]。

4 詳細(xì)設(shè)計(jì)

4.1 硬件PCB電路設(shè)計(jì)

1) 濕度傳感器電路圖：本系統(tǒng)通過測量土壤的電阻值來對應(yīng)相應(yīng)的濕度值。經(jīng)測量土壤(沙土)的電阻在4k-2M的范圍內(nèi)。其中4k最濕，2M完全干燥。在實(shí)際測控中，直接采集的是土壤電壓值，然后通過A/D轉(zhuǎn)化為0-1023之間的一個數(shù)字，在控制臺軟件中顯示。濕度傳感器電路圖如圖3所示。

2) 噴灌節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)：該通道可以接220 V的強(qiáng)電線，也可以接12 V的弱電線，其中已經(jīng)使用了相關(guān)的電路，使得繼電器產(chǎn)生的火花和干擾降低到了最小。繼電器電路如圖4所示。

3) PC端中繼節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)：PC端中繼節(jié)點(diǎn)主要是將接收到的數(shù)據(jù)，通過電腦的USB傳送給控制中心，或?qū)⒖刂浦行牡臄?shù)據(jù)和控制命令傳送到具體的節(jié)點(diǎn)[5]。

本節(jié)點(diǎn)使用的是ATmega16L-8AI型單片機(jī)，串口-USB接口轉(zhuǎn)換部分使用了PL2303芯片。串口轉(zhuǎn)USB接口電路圖如圖5所示。

圖3 濕度傳感器電路圖

圖4 繼電器電路圖

圖5 串口轉(zhuǎn)USB接口電路圖

5 無線自動組網(wǎng)設(shè)計(jì)

無線自動組網(wǎng)的設(shè)計(jì)使得本系統(tǒng)組網(wǎng)更加的安全快捷，省去了人工組網(wǎng)的繁瑣和失誤。同時也可以人工修改節(jié)點(diǎn)。

Zigbee是一種基于IEEE802.15.4協(xié)議的一種短距離無線通信技術(shù)，所以對于不支持IEEE802.15.4協(xié)議的無線芯片并不適用。本系統(tǒng)組網(wǎng)技術(shù)適用于不支持IEEE802.15.4協(xié)議的無線芯片，例如NRF24L01無線芯片[6]。

本系統(tǒng)協(xié)議應(yīng)用于本系統(tǒng)的應(yīng)用層級，使用系統(tǒng)開放的命令完成各種需求。下面是實(shí)際使用中的樣例數(shù)據(jù)包和完成的相應(yīng)操作：

1) 初始單片機(jī)申請地址(系統(tǒng)標(biāo)識默認(rèn)為00，節(jié)點(diǎn)默認(rèn)為FF，申請地址命令為41，數(shù)據(jù)終止位默認(rèn)為0F)

00 FF 00 FF FF FF 41 FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF 07 0F

2) PC應(yīng)答數(shù)據(jù)包(應(yīng)答命令為08，源地址為00，目的地址為FF)

00 00 FF 00 00 FF 08 FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF 07 0F

3) 初始單片機(jī)應(yīng)答(應(yīng)答命令為08，源地址為FF，目的地址為00)

00 FF 00 FF FF FF 08 FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF 07 0F

4) 獲取濕度數(shù)據(jù)(獲取濕度數(shù)據(jù)命令為47,源地址為01，目的地址為02，自己節(jié)點(diǎn)為00，兒子節(jié)點(diǎn)為01，返回02節(jié)點(diǎn)濕度數(shù)據(jù))

00 01 02 00 00 01 47 FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF 07 0F

5) 回傳濕值數(shù)據(jù)(回傳數(shù)據(jù)命令為48，08是將A/D轉(zhuǎn)換的8個通道全部打開，分別為各層的土壤濕度和電阻，電壓和時間信息)

00 02 00 00 01 FF 48 08 2A 08 21 08 1B 0A 16 0A 17 0A 17 06 4A 07 44 00 00 00 0D 05 05 FF 07 0F

6) 控制單片機(jī)(控制命令為0C，將02號節(jié)點(diǎn)設(shè)置為01，01為采集節(jié)點(diǎn)，將A/D轉(zhuǎn)換通道的電源全部關(guān)閉)

00 01 02 00 00 01 0C 01 00 00 00 00 00 00 00 00 FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF 07 0F

7) 打開節(jié)點(diǎn)控制繼電器(控制命令為0C，節(jié)點(diǎn)信息為02，02為控制節(jié)點(diǎn)，將A/D轉(zhuǎn)換的8個通道的電源全部打開)

00 01 02 00 00 01 0C 02 01 02 04 08 10 20 40 80 FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF 07 0F

8) 關(guān)閉節(jié)點(diǎn)控制繼電器(控制命令為0C，節(jié)點(diǎn)信息為02，02為控制節(jié)點(diǎn)，將A/D轉(zhuǎn)換的8個通道的電源全部關(guān)閉)

00 01 02 00 00 01 0C 02 00 00 00 00 00 00 00 00 FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF 07 0F

6 測試

本系統(tǒng)對濕度采集的值按圖形的方式顯示。三種不同顏色的曲線是傳感器對應(yīng)的三種不同深度的濕度值。當(dāng)濕度值為偏干區(qū)時，噴頭自動打開進(jìn)行噴灌。當(dāng)濕度值為偏濕區(qū)時，噴頭自動關(guān)閉，使土壤濕度維持在最佳濕度區(qū)。田間濕度圖如圖6所示。

圖6 田間濕度圖

7 結(jié)語

整個系統(tǒng)包括三個用于采集田間濕度等信息的采集節(jié)點(diǎn)；一個用于控制田間噴灌的控制節(jié)點(diǎn)；一套用C#語言開發(fā)的PC控制臺軟件；一個PC端串口-USB接口轉(zhuǎn)換的PC端中繼節(jié)點(diǎn)。本系統(tǒng)經(jīng)過大量室內(nèi)調(diào)試和試運(yùn)行，已基本滿足本田間自動噴灌的設(shè)計(jì)要求。

本系統(tǒng)研發(fā)過程中大量采用了自主選材和軟硬件設(shè)計(jì)制作，對組網(wǎng)協(xié)議采用了自主設(shè)計(jì)，完成了不含IEEE802.15.4協(xié)議的無線收發(fā)組網(wǎng)技術(shù)，使本系統(tǒng)的造價及成本遠(yuǎn)低于使用Zigbee模塊組網(wǎng)的系統(tǒng)造價。

隨著時間的推移和技術(shù)的進(jìn)步，政府和社會的包容性進(jìn)一步增強(qiáng)，智能農(nóng)業(yè)將推動我國進(jìn)入農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型期，而農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將發(fā)揮舉足輕重的作用，農(nóng)業(yè)智能化管理技術(shù)也將成為我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)。