低成本无线温室微灌监控系统研究

2017-05-02刘长亮李永武蒋新启申兆亮魏志明

农业科技与装备 2017年11期

刘长亮，李永武，蒋新启，申兆亮，魏志明

（山东省农业机械科学研究院，济南 250100）

发展精细化、智能化节水灌溉系统，对农业灌溉进行科学合理管理，既能节省人力物力，又可提高劳动生产率，是应对水资源短缺和推进农业现代化的必然选择。微灌技术作为一种先进的节水灌溉技术，具有节水、低能耗、省工增效等诸多优点。大力发展温室微灌监控系统，具有广阔的应用市场和巨大的社会经济效益。目前，国内对温室节水灌溉系统研究逐渐增多，但真正推广的产品甚少，主因在于使用不便、安装调试工作量大、维护困难且价格偏高，很难进行大规模普及。针对这些制约因素，研发成本低廉、操作简单、性能可靠、坚固耐用的温室微灌监控系统成为我国设施农业的一个关键任务。在实现ZigBee技术和GPRS技术无缝对接的基础上，研制一种低成本的无线温室微灌监控系统，以期达到适用性强、成本低、易普及的效果。

1 无线温室微灌监控系统总体结构

1.1 温室微灌结构

所研发的温室微灌系统主要在农户棚室中使用，用于栽培经济价值较高的作物。可控温室的灌溉沟渠可按照图1所示的方式进行设计建设，这种方式可有效利用温室面积并达到高效灌溉的效果。

温室微灌系统可采用滴灌方式。作为微灌的一种，滴灌是一种针对作物根部或叶面的局部灌溉方式，对土壤结构影响较小，水分蒸发与作物蒸腾量较少，灌水利用率可达85%～95%。滴灌所用设备包括毛管、支管和干管。水从干管流向支管，通过支管流向毛管，再经过毛管均匀流向作物。连接支管和干管的关键部件是电磁阀，通过控制电磁阀的开合，即可使水流向作物或终止供水。温室区域面积和支管个数决定着电磁阀的个数，从而确定控制电路的设计思路。

图1 温室微灌系统示意图Figure 1 Schematic diagram of micro-irrigation system in greenhouse

1.2 监控系统结构

温室监控系统通过高性能传感器采集土壤湿度、空气温湿度、光照强度等数据，可科学准确地计算出作物供水量，进而达到节水灌溉的目的。

按照网络结构，温室监控系统可分为现场无线监控网络、本地监控中心和远程管理中心三层（如图2所示），主要有以下预期功能：

图2 温室微灌监控系统结构图Figure 2 Structure diagram of micro-irrigation monitoring system in greenhouse

1）数据采集功能：可采集来自温度传感器、湿度传感器、光照传感器、土壤湿度传感器等模拟量或数字量信号。

2）控制功能：具有自动控制、定时控制、循环控制、手动控制、短信控制等功能，用户可以根据需要灵活选用控制方式。

3）自动控制：汇聚节点根据传感器检测的温度、湿度和光照计算灌水量，将土壤湿度值与设定值比较，越限则自动启动对应的电磁阀进行灌溉操作，达到灌水量后停止灌溉。

4）定时控制：用户可对每个电磁阀分别设定起、停时间，每个电磁阀最多设置4个时间段，还可设置间隔天数。天数设为0表示每天，1表示间隔一天，依次类推。

5）循环控制：用户可对每个电磁阀分别设定起始时间和灌溉周期，控制器按设定好的时间自动循环灌溉。

6）手动控制：用户可对任意电磁阀进行手动起、停。

7）短信控制：用户可在任意有手机信号的地方发布控制命令，对电磁阀进行开关操作。

2 现场无线监控网络

现场无线监控网络主要包括汇聚节点、路由节点和终端节点三部分。端节点分为数据采集器和无线执行器，共同组成星形监控网络。数据采集器将环境参数发送给汇聚节点，汇聚节点将数据实时显示，并对其分析做出控制决定，然后将控制命令发给无线执行器，无线执行器接收到控制命令后驱动水泵、电磁阀的开关；汇聚节点连接GPRS模块，负责与用户进行短信互动，使用户在任意时间、任意地点均可了解温室现场的情况并对其进行远程控制。短信控制相比电脑操作更适于农民使用。

2.1 控制器选择

组成现场无线监控网络三部分的控制器均采用英国JENNIC公司生产的JN5139R1模块。该模块具有以下功能：一是集成了2.4G射频（免费频段）收发模块；二是支持晶振休眠和系统节能功能；三是内置硬件MAC地址和高度安全AES加密算法加速器；四是支持连续模拟和数字外设；五是技术资料齐全；六是开发工具简单易用。其引脚排列图和内部结构示意图见图3和图4。

图3 JN5139R1系列模块引脚排列图Figure 3 JN5139R1 series module pin arrangement diagram

图4 JN5139R1微控制器内部结构示意图Figure 4 Schematic diagram of internal structure of JN5139R1microcontroller

2.2 汇聚节点

汇聚节点主要负责组建ZigBee无线网络，允许路由节点和终端节点的加入和退出，接受来自数据采集器的环境信息并加以分析、显示，发送控制命令给无线执行器。同时，增加GPRS模块，用以负责与用户短信互动。

2.2.1 硬件结构和软件流程汇聚节点以 JN5139R1无线微控制器模块为核心，GPRS模块采用SIMCOM公司的SIM300。根据功能需求，扩展硬件通讯接口，增添RS232接口，方便与GPRS模块直接相连，硬件结构见图5。根据硬件结构设计汇聚节点主程序，流程图如图6所示。

图5 汇聚节点硬件结构图Figure 5 Structural diagram of hardware of aggregation node

图6 汇聚节点主程序流程图Figure 6 Main program flow chart of aggregation node

2.2.2 人机交互界面汇聚节点拟配备128＊64点阵液晶屏，支持中英文两种显示方式，可实时显示现场采集的各种数据。但JN5139R1模块原配备的液晶是美国BATRON公司生产的黑白屏液晶，其型号为BTHQ128064AVC1-STF-06-LED02YG-COG，考虑到该液晶屏进口价格太高（约800元/个），将其替换为MzL02D-12864（约50元/个）。该液晶为一块128*64点阵的LCD显示模组，模组上的LCM采用COG技术将控制（包括显存）、驱动器集成在LCM的玻璃上，接口简单、操作方便。3.3V的白色LED背光美观大方。可采用并行接口6800/8080时序或串行SPI的MPU接口方式。本设计采用SPI接口方式。

2.3 路由节点

路由节点以JN5139R1无线微控制器模块为核心，无需进行硬件拓展。路由节点用来转发数据，扩大网络规模，实现多跳网络。上电后首先进行相应的初始化操作，然后节点请求加入网络。加入网络后将获得一个网络短地址，然后进行数据转发即可。

2.4 终端节点

2.4.1 数据采集器数据采集器作为无线传感器网络的终端节点，为上层的汇聚节点提供实时数据。它以JN5139R1无线微控制器模块为核心，扩展了通信接口、总线接口、传感器接口和供电接口设计。将不同传感器分别连接到数据采集器的传感器接口，经信号调理后接入JN5139R1的A/D通道，通过标定曲线转换得到对应的测量参数值，结构图见图7。主要包括空气温湿度传感器、光照传感器和土壤湿度传感器。

空气温湿度传感器采用了瑞士Sensirion公司的产品SHT11，这是一款低功耗的数字传感器，外形图如图8，其他性能参数见表1。

图7 数据采集器结构图Figure 7 Structural diagram of data collector

图8 SHT11引脚及外形图Figure 8 SHT11 pin and outline drawing

表1 SHT11的性能参数Table 1 Performance parameters of SHT11

光照传感器选用美国TAOS公司的TSL2550D，如图9所示。它是一款采用两线制串行接线方式的数字传感器，其工作电压为 2.7～5.5V，功耗低典型值是1mW。

图9 TSL2550D引脚及外形示意图Figure 9 Schematic diagram of TSL2550D pin and configuration

土壤湿度传感器采用的是TDR-3土壤水分传感器，其特点包括：价格低；支撑材料为环氧树脂，强度高，不容易受腐蚀，使用寿命长；稳定性高，土质影响小，大部分地区均可使用；安装维护操作简便；抗干扰性强，传送距离远，测量精度高，相应速度快。外形如图10。

图10 土壤湿度传感器外形图Figure 10 Outside drawing of soil moisture sensor

传感器选定后可以得出无线执行器硬件结构框图，见图11。

图11 无线执行器硬件结构框图Figure 11 Hardware structural diagram of wireless actuator

3 GPRS串口数据收发

本系统所采用的GPRS模块是SIMCOM公司生产的SIM300，可在全球范围 EGSM9000MHz、DCS1800MHz、PCS1900MHz频率下工作，能够提供GPRS多信道类型多达10个且支持4种编码方式，具有结构小巧、功耗低、扩展TCP/IP AT指令及单电压供电等优点，可以满足系统对外形、功能、功耗、供电等各方面的要求。