基于物联网技术的水稻自动灌溉系统应用研究

赵荣阳，王　斌，姜重然

(1．钦州学院 电子与信息工程学院， 广西 钦州　535000；2．佳木斯大学 信息电子技术学院，黑龙江 佳木斯　154007)



基于物联网技术的水稻自动灌溉系统应用研究

赵荣阳1，王斌2，姜重然2

(1．钦州学院 电子与信息工程学院， 广西 钦州535000；2．佳木斯大学 信息电子技术学院，黑龙江 佳木斯154007)

摘要：介绍了一种基于物联网技术的水稻自动灌溉系统，用户可以在水稻生长的不同时期，通过GPRS模块，利用控制器网关、ZigBee协调器，发送短信控制命令，设置ZigBee终端节点水位的上、下限阈值。节点依据水位传感器检测隔田水位与设定阈值的比较结果，控制节点电磁阀的通断，选择开/关隔田引水口水槽闸门，实现自动灌溉。此外，系统用户能够通过短信远程控制电井的电机启/停，实现水井的自动提水。该系统具有实施简单、功耗低、功能完善、可靠性高等优点，具有较好的推广前景。

关键词：水稻；自动灌溉；物联网；GPRS；ZigBee

0引言

农业生产中以滴灌、浇灌、喷灌等灌溉方式为主，随着农业现代化水平的提高，灌溉自动化水平也有了显著的改善。例如，新疆地区的自动化节水灌溉系统取得了较为广泛的应用；但国内主要粮食产区的自动化灌溉广度与深度还有待提高。近年来，受环境恶化、水资源短缺、人力成本逐年上升等因素的影响，自动化节水灌溉系统的应用需求更加迫切。

1系统总体结构

自动灌溉系统通常包括控制终端节点、网络传输模块、网关控制器及人机通信模块等几部分。其中，有线网络受到距离、环境、布线等因素的影响较为严重，因而在自动灌溉系统中使用无线网络通信技术将是一种良好的解决途径。基于物联网技术的水稻田自动灌溉系统包括引水口的终端控制节点、网络协调节点、网关控制器及电井远程控制单元等功能模块，如图1所示。

2ZigBee灌溉系统

本文基于Zigbee无线网络技术、GPRS通信技术，将ZigBee终端节点嵌入水稻隔田引水口水槽，从而实现降低水渠建设的成本，提高终端节点在水渠建设不完善、隔田分布不规则环境下的实施灵活性。用户可以通过控制器网关，发送控制命令设置引水口水槽节点灌溉水位的上、下限阈值；当节点水位传感器检测隔田水位达到设定阈值时，通过通/断电磁阀,控制引水口水槽闸门打开、关闭,完成隔田的自动引水灌溉工作[1]。隔田引水口水槽装置包括引水槽、闸门及ZigBee节点控制电路单元等。引水口水槽装置外观图如图2所示。

2.1ZigBee节点设计

ZigBee无线通讯技术具有应用、网络、MAC、物理等4层结构，能够工作在通用的2.4G频段及915、868MHz等多个频段，支持星型、树型、网状网络拓扑结构；组网接入简单、网络节点容量大，非常适用于成本低、功耗小、数据通信不频繁的自动远程控制系统[2-4]。

ZigBee网络节点设计简单，不同类型节点之间的结构差异小。本文采用CC2530作为节点核心，它是TI公司的二代SOC解决方案，支持ZigBee2006、ZigBee 2007等多种类型协议栈，内部集成了8051处理器、RF射频器，具有多种电源管理模式、传输距离远、可靠性较高等诸多优点[5]。ZigBee灌溉系统启动、组网完成后，终端节点向用户发送隔田水位的当前值，等待接收用户的门限值设置、确认启动等控制命令。此外，为确保电磁阀正常工作、减少电磁干扰、提高可靠性，本文使用ADUM140完成CC2530与电磁阀驱动电路之间的电平转换，隔离输入输出，降低驱动电路对电磁阀的影响[6]。ZigBee节点电路原理图如图3所示。

图1　自动灌溉系统框图

1.电磁阀接线槽　2.传感器接线槽　3.天线引槽

图3　ZigBee节点电路原理图

2.2GPRS网络通信模块设计

GPRS模块与ZigBee灌溉系统主控制网关通过串口连接，ZigBee节点与用户之间能够通过GPRS网络实现双向通信。当ZigBee节点反馈水位信息时，首先通过Zigbee网络将信号发送给主控制网关，然后由控制器网关将信号编辑为短信，通过GPRS模块发送到用户手机；当用户管理终端节点时，可以通过编写短信命令，设定终端节点水位上、下限阈值，控制终端节点电磁阀的导通与断开，实现自动灌溉[7]。

GPRS技术普遍被认为是2.5G无线通信网络,通过支持节点、业务节点，GPRS通信网络兼容几乎所有GSM网络软、硬件平台。与GSM相比，GPRS用户的接入时间更短、通信速度更快、可靠性也更高，并能够支持TCP/IP 协议，可以与分组数据网直接互通[8-9]。本系统中，ZigBee灌溉系统的GPRS模块设计选用了Siemens推出的MC35i，工作电压为3.3～4.8V，具有较低的功耗，能够支持电话薄功能、AT命令集,接线简单，通过ZIF连接电源、SIM卡实现数据的控制传输[10]。GPRS接口电路原理图如图4所示。

图4　GPRS接口电路原理图

3电井远程控制单元设计

在水稻灌溉过程中，通过江河、水库等地上水源的引水灌溉受到地理位置、施工等因素的影响较大，所以通过深水电井引地下水灌溉的方式在农业生产中也具有较为广泛的应用。本文在水稻自动灌溉系统中引入电井远程控制单元，用户能够通过手机发送短信，控制继电器通/断，启动/停止电井潜水泵电机，实现电井提水灌溉的远程控制，并能够及时反馈电井控制系统的工作状态。电井远程灌溉单元采用STM32F103VC系列处理器作为主控制器，结合通信芯片SIM900A，实现电井的远程控制,具有高性能、低功耗等优良特性，且性价比较高，利于今后的产品升级[11]。

3.1电源模块设计

电井采用380V供电电压，启动潜水泵，实现电井的提水灌溉。本文在电源模块设计中，采用工频变压器将380V电压降压到6V再整流得到直流电压；经SPX29302T5稳压后，为SIM900A供电。单元的控制核心STM32最高工作电压为3.6V，最低工作电压为2V,所以单独为其配备了具有0.34V低压差的SPX3819M5-3.3稳压芯片，保证其工作稳定、可靠，确保输出电压不受锂电池电压跌落影响。此外，模块降压设计中采用的SS34二极管，常温下流过2A峰值电流时，正向压降为0.4V。SS34正向特性分析图如5图所示。

图5　SS34正向特性分析图

电井远程控制系统采用的通信芯片SIM900A最低工作电压为3.1V，当锂电池电压降至3.5V时，将可能导致SIM900A无法稳定工作。为提高稳定性，控制单元外部由1节锂离子电池作为后备电源，充电芯片采用MCP73831T，其PROG引脚通过一个2k电阻连接至STM32引脚；当设置IO口为低电平时，锂电池充电；当设置IO为高阻态时，锂电池停止充电。结合控制器ADC获得电池电压信息，可实现程序控制充电范围，使锂电池保持在浅充浅放工作状态，最大限度延长电池使用寿命。系统工作时，通过比较器比较外接电源电压与控制器核心供电电压；当外接电源失效时，触发控制器中断，向用户发送掉电提醒短信，并转入关机状态断开锂电池供电，进入休眠模式。系统模块功耗如表1所示。

表1　系统功耗分析表

3.2电井控制单元可靠性设计

考虑工作环境的复杂性，电井控制单元的外壳采用密闭防水外壳，无风扇设计，内部做好对流设计，利用有限的体积为高温器件降温。例如，控制单元安装方向有固定要求：将最易升温的器件放于底部，热空气会上升，由外壳将热量散发出去，冷空气回流到底部，循环带走器件热量，均匀密闭外壳内部的温度。SMA天线端子、电源接线端子、SIM卡座、继电器端子及串口都集中排布在正下方。面板上方设置若干工作状态指示灯。

380V电源端子是电源的输入端，为系统供电；继电器端子用来控制接触器等电器设备，启/停潜水泵电机，实现电井的远程提水操作；232/485接口用于与计算机、传感器模块通信的接口；SIM卡座放置SIM卡；GSM天线端子需连接延长天线到空旷位置，以利于达到最佳信号质量。各接口采用磁珠+TVS瞬态抑制二极管做浪涌防护，以避免人体静电对设备造成损坏。电井控制单元外部接口结构如图6所示。

图6　电井控制单元外部接口结构图

为确保电井控制单元的可靠性，可以通过开启看门狗硬件电路：当软件系统出现故障时，由看门狗将系统复位；当外部供电出现故障掉电时，自动转由备用锂电池供电，向用户发送掉电提示并自主关机，重新上电后，自动开机恢复工作。电井控制单元的现场环境有电机等强电磁干扰，为加强屏蔽效果，可将铝箔粘附在外壳内壁并接地，以降低电磁干扰。考虑环境湿度较大，需采用密闭外壳封装。

4软件设计方案

本文采用开源、免费的嵌入式Linux内核，经过交叉编译由Bootloader引导，构建软件系统平台，能够支持ZigBee、TCP/IP协议栈等多种通讯协议[12]。系统主程序在系统上电后，首先完成GPRS网络的初始化，ZigBee灌溉系统的启动、自动组网，终端节点数据信息的反馈等工作[13]；电水井远程控制单元，向用户发送电井工作状态信息，进入待机模式，等待用户命令。其主程序流程如图7所示。

图7　主程序流程图

4.1ZigBee灌溉单元软件设计

本文选用了CC2530支持的免费ZigBee协议栈, 支持IEEE 802.15.4、ZigBee联盟标准，协议栈层次结构的功能定义完整，节点设计简单。ZigBee灌溉单元的软件设计，主要完成ZigBee节点类型注册、设备定义等应用层开发[14]。ZigBee节点软件流程图如图8所示。

ZigBee网络建立之后，用户通过GPRS通信网络、ZigBee协调节点，管理ZigBee终端节点，设定隔田灌溉水位的上下限值。当终端节点检测到隔田水位，低于用户设定下限值时，导通电磁阀，打开引水槽闸门，实现农田的自动灌溉，否则发送隔田水位当前值到用户端；当隔田水位高于设定水位上限值时，系统断开电磁阀，关闭注水槽闸门，停止灌溉[15]。

图8　ZigBee节点软件流程图

4.2电井远程控制单元软件设计

电井远程控制单元上电后自动联网并待机，接收用户手机发送的控制信息启/停电机，并及时回复；当外部供电失效后，立即切换到锂电池供电，发送报警信息。电井灌溉模块主要功能包括如下：

1)接收用户发送的start命令，启动电机，回复start ok；

2)接收用户发送的stop命令， 电机停转，回复stop ok；

3)当380V电源无效时，发送power off到用户，电机停转、关机；

4)当重新上电时，回复短信power on，保证电机停转；

5)设有复位按键，按下2s后能够清空电话本和所有设置；

6)接收用户发送的admin命令，自动记录发送人的电话号码，此号码将被赋予管理员权限。

电井远程控制单元软件流程图如图9所示。

图9　电井远程控制软件流程图

5结束语

本文采用了独立的ZigBee终端节点设计，将控制节点嵌入引水口水槽装置中，提高了系统的网络实施灵活性。作为节点核心的CC2530芯片，支持ZigBee协议栈，提供了ZigBee无线网络技术的解决方案，简化了系统各类型节点的设计。此外，用户能够通过系统的电井远程控制单元，发送短信命令远程控制电井的自动提水灌溉，进一步完善了水稻自动灌溉系统的功能，增强了系统的实用性。

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Application Research of Automatic Irrigation System of Rice Based on IoT

Zhao Rongyang1，Wang Bin2， Jiang Zhongran2

(1.School of Electronic and Information Engineering，Qinzhou University，Qinzhou 535000，China; 2．School of Information and Electronic Technology, Jiamusi University, Jiamusi 154007,China )

Abstract：The paper introduces an automatic irrigation system of rice based on IoT.User could set values of the water level about terminals of ZigBee through GPRS module, gateway and coordinator with sending control command in different rice growing periods.It controls electromagnetic valve to irrigate automatically basis of results about values from water level sensor compare with the user’s setting. In addition,users could control motor to start or stop for water pumping from well remotely by short message service. The system implement simply with low power dissipation, perfect function,high reliability and so on.It has good prospects for popularization.

Key words：rice; automa ticirrigation; IoT; GPRS； ZigBee

文章编号：1003-188X(2016)04-0226-05

中图分类号：S275;TP273

文献标识码：A

作者简介：赵荣阳(1982-)，男，哈尔滨人，讲师。通讯作者：王斌(1979-)，男，黑龙江佳木斯人，副教授，(E-mail)jmsuwang@163.com。

基金项目：广西高校科学技术项目(KY2015LX516，YB2014410，2013YB259)；佳木斯大学基础研究类重点项目(Lz2014-005)

收稿日期：2015-06-03