農業(yè)灌溉是我國的用水大戶，其用水量約占總用水量的70％。據統(tǒng)計，因干旱我國糧食每年平均受災面積達兩千萬公頃，損失糧食占全國因災減產糧食的50％50％。長期以來，由于技術、管理水平落后，導致灌溉用水浪費十分嚴重，農業(yè)灌溉用水的利用率僅40％40％。如果根據監(jiān)測土壤墑情信息，實時控制灌溉時機和水量，可以有效提高用水效率。而人工定時測量墑情，不但耗費大量人力，而且做不到實時監(jiān)控；采用有線測控系統(tǒng)，則需要較高的布線成本，不便于擴展，而且給農田耕作帶來不便。因此，設計一種基于無線傳感器網絡的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由低功耗無線傳感網絡節(jié)點通過ZigBee自組網方式構成，從而避免了布線的不便、靈活性較差的缺點，實現(xiàn)土壤墑情的連續(xù)在線監(jiān)測，農田節(jié)水灌溉的自動化控制，既提高灌溉用水利用率，緩解我國水資源日趨緊張的矛盾，也為作物生長提供良好的生長環(huán)境。
1 系統(tǒng)構架
1．1 無線傳感器網絡
無線傳感器網絡技術應用在該節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)中，其核心技術是ZigBee自組網技術。 ZigBee是一種低復雜度、低功耗、低數據率、低成本、高可靠信度、大網絡容量的雙向無線通信技術。由應用層、網絡層、介質接人控制層和物理層組成。ZigBee網絡中的設備分為全功能設備(Full Function Device，F(xiàn)FD)和簡化功能設備(Reduce Function Device，RFD)兩種。 ZigBee網絡支持星型網、樹狀網和網狀網三種拓撲結構。本系統(tǒng)采用混合網，底層為多個ZigBee監(jiān)測網絡，負責監(jiān)測數據的采集。每個ZigBee監(jiān)測網絡有一個網關節(jié)點和若干的土壤溫濕度數據采集節(jié)點。監(jiān)測網絡采用星型結構，網關節(jié)點作為每個監(jiān)測網絡的基站。網關節(jié)點具有雙重功能，一是充當網絡協(xié)調器的角色，負責網絡的自動建立和維護、數據匯集；二是作為監(jiān)測網絡與監(jiān)控中心的接口，與監(jiān)控中心傳遞信息。此系統(tǒng)具有自動組網功能，無線網關一直處于監(jiān)聽狀態(tài)，新添加的無線傳感器節(jié)點會被網絡自動發(fā)現(xiàn)，這時無線路由會把節(jié)點的信息送給無線網關，有無線網關進行編址并計算其路由信息，更新數據轉發(fā)表和設備關聯(lián)表等。
1．2 系統(tǒng)體系結構
該系統(tǒng)以單片機為控制核心，由無線傳感節(jié)點(RFD)、無線路由節(jié)點(FFD)、無線網關(FFD)、監(jiān)控中心四大部分組成，通過ZigBee自組網，監(jiān)控中心、無線網關之間通過GPRS進行墑情及控制信息的傳遞。每個傳感節(jié)點通過溫濕度傳感器，自動采集墑情信息，并結合預設的濕度上下限進行分析，判斷是否需要灌溉及何時停止。每個節(jié)點通過太陽能電池供電，電池電壓被隨時監(jiān)控，一旦電壓過低，節(jié)點會發(fā)出電壓過低的報警信號，發(fā)送成功后，節(jié)點進入睡眠狀態(tài)直到電量充足。其中無線網關連接ZigBee無線網絡與GPRS網絡，是基于無線傳感器網絡的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的核心部分，負責無線傳感器節(jié)點的管理。傳感器節(jié)點與路由節(jié)點自主形成一個多跳的網絡。溫濕度傳感器分布于監(jiān)測區(qū)域內，將采集到的數據發(fā)送給就近的無線路由節(jié)點，路由節(jié)點根據路由算法選擇最佳路由，建立相應的路由列表，其中列表中包括自身的信息和鄰居網關的信息。通過網關把數據傳給遠程監(jiān)控中心，便于用戶遠程監(jiān)控管理。本文設計的基于無線傳感器網絡的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。
2 硬件設計
2．1 傳感器節(jié)點模塊
土壤水分是作物生長的關鍵性限制因素，土壤墑情信息的準確采集是進行農田的節(jié)水灌溉、最優(yōu)調控的基礎和保證，對于節(jié)水技術有效的實施具有關鍵性的作用。本系統(tǒng)傳感器節(jié)點硬件結構如圖2所示。
系統(tǒng)采用TDR-3A型土壤溫濕度傳感器，該傳感器集溫度和濕度測量于一體，具有密封、防水、精度高的特點，是測量土壤溫濕度的理想儀器。溫度的量程是-40～+80℃，精度為±0．2℃；濕度的量程是0～100％，在O～50％范圍內精度為±2％。溫濕度傳感器輸出信號是4～20 mA的標準電流環(huán)，在主控制器電路上先進行I／U轉換，然后進行A／D轉換為數字信號后通過射頻天線發(fā)射出去。電流變換器采用RCV420JP芯片，該芯片集成電阻網絡、運算放大器和標準的10 V基準電壓源，能夠將4～20 mA的電流環(huán)轉換成0～5 V的電壓輸出。
信號調理電路如圖3所示。A／D轉換器則采用低功耗射頻集成電路CC2530內部的ADC轉換器，其采樣頻率為12位，內部有一個8通道多路開關，可以根據地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A／D轉換。
2．2 無線通信模塊
基于無線傳感器網絡的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的通信系統(tǒng)是建立在ZigBee無線通信技術和GPRS的基礎上。ZigBee是一種高可靠的無線數傳網絡，有2．4 GHz(全球)、915 MHz(美國)及868 MHz(歐洲)三種工作頻帶。本系統(tǒng)采用目前是傳感器網絡優(yōu)先選擇的全球通用頻段——2．4 GHz，傳輸速率為250 KB／s，該頻段在大多數國家都無需申請許可證。
無線傳感節(jié)點(RFD)、無線路由節(jié)點(FFD)、無線網關(FFD)的通信模塊均采用CC2530芯片，在結構上也有一定的一致性，這里只詳細介紹無線網關的硬件結構。網關負責無線傳感網絡的控制和管理，實現(xiàn)信息的融合處理，他連接傳感器網絡與GPRS網絡，實現(xiàn)兩種通信協(xié)議的轉換，同時發(fā)布監(jiān)測終端的任務，并把收集到的數據通過GPRS網絡傳到遠程監(jiān)控中心，結構框圖如圖4所示。
網關采用華為GPRS通信模塊GTM900C和TI公司的ZigBee射頻芯片模塊CC2530。GTM900CGPRS模塊支持GSM900／1800雙頻，提供電源接口、模擬音頻接口、標準SIM卡接口和UART接口，支持語音業(yè)務、短消息業(yè)務、GPRS數據業(yè)務和電路型數據業(yè)務。CC2530是ZigBee新一代SoC芯片，擁有多達256 B的快閃記憶體，允許芯片無線下載，支持系統(tǒng)編程，提供了101 dB的鏈路質量，優(yōu)秀的接收器靈敏度和健壯的抗干擾性。此外，CC2530結合了一個完全集成的，高性能的RF收發(fā)器與一個8051微處理器，8 KB的RAM，32／64／128／256 KB閃存，以及一套廣泛的外設集---包括2個USART、12位ADC和21個通用GPIO(General Purpose Input Output，通用輸入輸出)。遠程監(jiān)控中心的PC端軟件用Delphi設計管理界面，建立相應的數據庫，實現(xiàn)對土壤墑情的查詢、管理、打印以及通過GPRS網絡傳遞控制命令與土壤溫濕度信息。
3 軟件設計
本節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)中，監(jiān)測數據與控制命令在無線傳感節(jié)點、無線路由節(jié)點、無線網關和監(jiān)控中心之間傳送。傳感節(jié)點打開電源，初始化、建立鏈接后進入休眠狀態(tài)。當無線網關接到中斷請求時觸發(fā)中斷，經過路由節(jié)點激活傳感節(jié)點，發(fā)送或接收信息包，處理完畢后繼續(xù)進入休眠狀態(tài)，等待有請求時再次激活。在同一個信道中只有兩個節(jié)點可以通信，通過競爭機制來獲取信道。每個節(jié)點周期性睡眠和監(jiān)聽信道，如果信道空閑則主動搶占信道，如果信道繁忙則根據退避算法退避一段時間后重新監(jiān)聽信道狀態(tài)。在程序設計中主要采集中斷的方法完成信息的接收和發(fā)送。
4 結 語
本文設計的基于無線傳感器網絡的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，應用低成本、低功耗的ZigBee無線通信技術，避免了布線的不便，提高了節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的靈活性。系統(tǒng)采用高精度土壤溫濕度傳感器，根據土壤墑情和作物用水規(guī)律實施精準灌溉，不但能有效解決農業(yè)灌溉用水利用率低的問題，緩解水資源日趨緊張的矛盾，而且還為作物提供了更好的生長環(huán)境，充分發(fā)揮現(xiàn)有節(jié)水設備的作用，優(yōu)化調度，提高效益，使灌溉更加科學、方便，提高管理水平。本系統(tǒng)操還支持對有關參數的人工修改和遠程控制，適用于多種作物，能增加農作物的產量，降低農產品的灌溉成本，提高灌溉質量，具有很大的推廣價值。此外，配置不同的傳感器，該系統(tǒng)可以構成不同功能的監(jiān)控網絡。