專利名稱：基于無線傳感器網絡的精細滴灌測控系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及農業生產過程中使用的精細滴灌測控系統，特別是一種基于無線傳感器網絡的精細滴灌測控系統。
背景技術：
精細灌溉是解決由水資源日益緊缺而導致的各類供求矛盾的有效方案之一，它可以在不影響作物產量的前提下根據作物需水信息適時、適量地進行灌溉，從而達到大幅度減少農業用水的目的。在精細灌溉作業中，以土壤含水率為代表的土壤墑情是計算需水信息的一個重要指標。因此，對包括土壤含水率在內的土壤墑情進行連續、大范圍、準確的監測在精細灌溉及水資源合理利用中具有重要的意義。目前在精細滴灌中已經開始采用無線測控技術。如，中國實用新型專利 CN201533524U公開了一種太陽能光伏驅動及GPRS無線通訊監控的大規模節水灌溉網。該系統包括置于土壤中的土壤濕度傳感器，該傳感器測量信號輸入單元測控模塊，計算機智能管理中心采用無線通訊的方式通過單元測控模塊和土壤濕度傳感器對土壤濕度進行監測，以決定是否啟動相關水泵和分流閥對測點地塊實施澆灌。計算機智能管理中心采用無線通訊的方式通過單元測控模塊對儲水器的儲水量通過水位計進行檢測，并對單元水泵執行操控。但是，現有的滴灌控制系統在實際應用中仍然存在以下問題測量點上土壤含水率的測量一般局限于地表下單一深度，沒有對測量點地表下植物根部多個深度土壤含水率進行立體監測，無法完整和準確地反映監測區域的土壤濕度情況；土壤含水率信息來源單一，容易受外界偶然因素的影響，未實現根據地表下多個測量點的土壤含水率信息進行綜合分析并根據結果進行滴灌控制。土壤需水信息和滴灌啟停控制信號通過GPRS等無線服務進行傳輸，對固定通信網依賴較大，大規模使用時通信成本較高，且安裝和維護都不方便，特別是在信號覆蓋較差的農村地區，系統運行不穩定。
發明內容
本發明的目的是克服以上現有技術的不足，提供一種基于無線傳感器網絡的精細滴灌測控系統，該系統能夠對地表下植物根部多個深度土壤含水率進行立體監測，不需要固定網絡支持實現對精細滴灌作業的測控。為了實現上述技術目的，本發明采用如下技術方案一種基于無線傳感器網絡的精細滴灌測控系統，包括布置在田間監測范圍內的若干個土壤墑情監測節點，每個土壤墑情監測節點包括土壤墑情信號處理模塊和數個埋于地底不同深度的土壤含水率傳感器，所述土壤墑情信號處理模塊通過ZigBee無線通信單元向其下級精細滴灌控制節點發送控制信息；所述精細滴灌控制節點包括ZigBee低功耗短程無線通信模塊、單片機和控制執行單元；若干個相鄰土壤墑情監測節點構成一個簇，每個簇包括一個簇首節點。
所述土壤墑情信號處理模塊中，微處理器與信號調理模塊及A/D模塊相連，所述數個埋于地底不同深度的土壤含水率傳感器的激勵信號輸入端與信號調理模塊的輸出端相連，測量信號輸出端與A/D模塊的輸入端相連；所述信號調理模塊包括4個運算放大器， 分別組成4個跟隨器，所述跟隨器的輸入端與微處理器的激勵信號輸出端相連，輸出端則與數個埋于地底不同深度的土壤含水率傳感器的激勵信號引腳相連，微處理器控制信號調理模塊按照一定的時間間隔將激勵信號依次經過跟隨器放大后啟動數個埋于地底不同深度的土壤含水率傳感器，以實現對不同土層的土壤含水率進行立體測量，A/D模塊轉換各傳感器獲得的模擬信號為數字信號后，將數字信號傳送至微處理器，A/D模塊包括4個12位高精度A/D轉換通道，數字信號通過串行通信的方式發送給微處理器，微處理器與存儲器和ZigBee無線通信單元相連。所述土壤墑情信號處理模塊，采用符合ZigBee協議的2. 4GHz短程低功耗無線通信的方式將所述存儲器中的土壤墑情信息通過所述ZigBee無線通信單元向所述簇首節點上傳。所述簇首節點接收到來自所述土壤墑情監測節點的土壤墑情監測信息后，向信息的來源節點發送反饋消息。作為本發明的進一步改進，所述土壤墑情監測節點及簇首節點設置有包括太陽能電池板、充電控制模塊和充電電池在內的獨立太陽能供電模塊組，太陽能電池板與充電控制模塊相連，充電控制模塊與充電電池相連，充電控制模塊根據充電電池的電壓連通或切斷太陽能電池板與充電電池間的充電回路，實現充電控制。所述精細滴灌控制節點中，控制執行單元、ZigBee低功耗短程無線通信模塊與單片機相連；所述ZigBee低功耗短程無線通信模塊，采用符合ZigBee協議的2. 4GHz短程低功耗無線通信的方式接收來自上級土壤墑情監測節點的滴灌控制信息；所述控制執行單元包括順序連接的電磁閥驅動電路、電磁閥和滴灌水管。作為本發明的進一步改進，所述精細滴灌控制節點還包括相連接的多檔位旋鈕開關與鍵盤電路，接觸式按鍵、LED組、第一電源及實時時鐘、LDO穩壓模塊和第二電源，以上部件分別與所述單片機相連，使所述精細滴灌控制節點具備獨立的時間獲取能力；實時時鐘由第一電源獨立供電；LDO穩壓模塊與第二電源相連，為節點其余器件供電。所述土壤墑情監測節點定期向其下級精細滴灌控制節點發送組網信息，所述精細滴灌控制節點收到上級土壤墑情監測節點的組網信息后，精細滴灌測控系統進入組網運行模式；所述精細滴灌控制節點超期未收到來自上級監測節點的存在信息，精細滴灌測控系統自動由組網模式轉變為獨立工作模式。與現有技術相比，本發明具有以下有益技術效果由于監測節點采用布置在不同深度的多個無線傳感器，使本發明的精細滴灌測控系統能夠在每個測量點實現對地表下植物根部多個不同深度的土壤含水率進行立體監測， 更加準確地反映監測區域的土壤濕度情況；系統根據每個測量點地表下多個深度的土壤含水率信息判斷作物需水情況以進行滴灌，能夠在很大程度上排除偶然因素的干擾，控制更加穩定、精確。系統各功能節點間的信息傳輸和指令傳達均通過符合ZigBee協議的2. 4GHz高頻短程低功耗無線通信的方式進行，不需要任何固定網絡的支持，具有快速展開、抗毀性強等特點。大規模使用時通信成本較低，且安裝和維護方便，特別適用于信號覆蓋較差的農村地區。滴灌控制節點具備獨立的時間獲取能力，使滴灌控制系統既可以獨立運行，也可以與土壤墑情監測節點組網運行，應用方式靈活多樣，特別適用于大范圍的土壤信息獲取及精細滴灌控制場合。本發明能夠使精細滴灌根據土壤的缺水情況自動調節滴灌起停時間和時長，能夠有效的節約水資源。
下面結合附圖與具體實施方式
對本發明作進一步說明圖1為本發明基于無線傳感器網絡的精細滴灌測控系統的結構示意圖；圖2為本發明的土壤墑情監測節點構成示意圖；圖3為本發明的精細滴灌控制節點構成示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例，進一步闡述本發明。如圖1所示，本發明包括布置在田間監測范圍內的若干個土壤墑情監測節點100， 若干個精細滴灌控制節點200以及簇首節點300。土壤墑情監測節點100構成如圖2所示。土壤墑情監測節點100包括4個埋于地底不同深度的土壤含水率傳感器110、AVR微處理器121，信號調理模塊126，存儲器123， USB接口電路124，ZigBee無線通信單元125，A/D模塊122，太陽能電池板131，充電控制模塊132，和太陽能電池133。土壤墑情監測節點100中，AVR微處理器121與信號調理模塊1 及A/D模塊122 相連，四個埋于地底不同深度的土壤含水率傳感器Iio的激勵信號輸入端與調理模塊9的輸出端相連，測量信號輸出端與A/D模塊122的輸入端相連。信號調理模塊1 主要包括4 個運算放大器，分別組成4個跟隨器。每個跟隨器的輸入端與AVR微處理器121的激勵信號輸出端相連，輸出端則與土壤含水率傳感器110的激勵信號引腳相連，AVR微處理器121 控制信號調理模塊126按照一定的時間間隔將激勵信號依次經過跟隨器放大后啟動四個土壤含水率傳感器110，可以實現對4個不同土層的土壤含水率進行立體測量。各傳感器測量信號為模擬電壓形式，通過A/D模塊122進行A/D轉換后，將數字信號傳送至AVR微處理器121。A/D模塊122包括4個12位高精度A/D轉換通道，數字信號通過串行通信的方式發送給AVR微處理器121。USB接口電路IM與AVR微處理器121相連，用于控制程序的下載和測量信息的聯機上傳。AVR微處理器121與存儲器123相連，每次測量完成后AVR微處理器121將土壤含水率信息存儲于存儲器123。AVR微處理器121與ZigBee無線通信單元125相連，ZigBee 無線通信單元125平時處于休眠狀態，AVR微處理器121每天按照一定的時間間隔喚醒 ZigBee無線通信單元125，采用符合ZigBee協議的2. 4GHz短程低功耗無線通信的方式將存儲器123中的土壤墑情信息通過ZigBee無線通信單元125向簇首節點300上傳。簇首節點300定期向土壤墑情監測節點100發送數據上傳請求，土壤墑情監測節點100在多個請求周期后如果未能收到來自簇首節點300的數據上傳請求，則視為簇首節點300失效。土壤墑情監測節點100不再上傳監測信息，轉而將監測信息存儲于自身的存儲器123。簇首節點300接收到來自土壤墑情監測節點100的土壤墑情監測信息后，會向信息的來源節點100發送ACK消息，以告知發送土壤墑情監測信息的土壤墑情監測節點100 其數據傳送成功且告知網絡其處于正常運行的狀態。土壤墑情監測節點100同時向簇首節點300發送監測信息時，簇首節點300丟棄當沖突發生時所收到的監測數據包，并向所有土壤墑情監測節點100廣播沖突信息。土壤墑情監測節點100按照一定的協議進行延時后，重新向簇首節點300上傳監測信息，避免由于通信沖突而導致的數據丟失。土壤墑情監測節點100及簇首節點300設置有包括太陽能電池板131、充電控制模塊132和充電電池133在內的獨立太陽能供電模塊組。太陽能電池板131與充電控制模塊 132相連，充電控制模塊132與充電電池133相連。充電控制模塊132根據充電電池133的電壓連通或切斷太陽能電池板131與充電電池133間的充電回路，實現充電控制。充電電池133為土壤墑情監測節點100及簇首節點300內的相應器件提供正常工作所需的電源。精細滴灌控制節點200結構如圖3所示。精細滴灌控制節點200包括ATMegaSL 單片機211，ZigBee低功耗短程無線通信模塊212，LDO穩壓模塊M2，多檔位旋鈕開關221， 鍵盤電路222，3個接觸式按鍵223，3. 6V電池2241，實時時鐘2M2，電磁閥驅動電路231， 電磁閥232，滴灌水管233，3個LED 225及9V電源Ml。多檔位旋鈕開關221與鍵盤電路 222相連，鍵盤電路222與ATMega8L單片機211相連。3個接觸式按鍵223與ATMega8L單片機211相連，實時時鐘2242與ATMega8L單片機211相連，3個LED 225與ATMega8L單片機211相連，電磁閥驅動電路231與ATMega8L單片機211相連，電磁閥232與電磁閥驅動電路231相連，滴灌水管233與電磁閥232相連。精細滴灌控制節點200的ATMegaSL單片機211與ZigBee低功耗短程無線通信模塊212相連，接收來自上級土壤墑情監測節點100的滴灌控制信息。該類型節點包括獨立工作模式和組網工作模式。獨立工作模式下，ATMegaSL單片機211單片機處于睡眠狀態的省電模式；實時時鐘2242每1秒產生一次中斷信號，ATMegaSL單片機211喚醒后判斷是否累加到30秒，若不是，則直接進入省電模式；若是，則3個LED 225閃爍一次，以表征系統正常運行，并且判斷系統是否處于滴灌狀態。若系統不處于滴灌狀態，則ATMegaSL單片機211讀取實時時鐘 2242的當前時間并與滴灌的啟動時間進行比較若相等，則ATMegaSL單片機211控制電磁閥驅動電路231打開電磁閥232以導通滴灌水管233進行滴灌。同時，ATMegaSL單片機211 檢測鍵盤電路222，以此分析多檔位旋鈕開關221的檔位以確定滴灌的定時時間，從而計算出滴灌結束時刻。若實時時鐘2242的當前時間與滴灌啟動時間不相等，則直接返回到省電模式。若系統處于滴灌狀態，則ATMegaSL單片機211則讀取實時時鐘2242的當前時間并與計算得到的滴灌結束時刻值進行比較若相等，則關閉電磁閥驅動電路231停止滴灌，將滴灌的關閉的狀態寫入EEPROM并返回省電模式；若不相等，則直接返回到省電模式。通過 3個接觸式按鍵223、多檔位旋鈕開關221與鍵盤電路222的配合使用，可以設置精細滴灌控制節點200的實時時鐘2242的當前時鐘值。組網工作模式下，土壤墑情監測節點100的AVR微處理器121對采集到的土壤含水率數據進行處理，如果監測到的土壤含水率高于或低于標準值一定范圍，則通過ZigBee 無線通信單元125向其下級精細滴灌控制節點200發送控制信息，停止或啟動滴灌。組網工作模式下，精細滴灌控制節點200的ZigBee低功耗短程無線通信模塊212 接收來自上級土壤墑情監測節點100的滴灌控制信息，并將該信息傳送至ATMegaSL單片機 211。ATMegaSL單片機211內部的EEPROM存儲了唯一的序列號進行標識，如果土壤墑情監測節點100控制命令中的序列號與自身序列號相同，則無線滴灌控制命令的優先級高于定時滴灌，ATMegaSL單片機211根據該信息控制電磁閥驅動電路231的閉合以停止或啟動滴灌。所述的土壤墑情監測節點100定期向其下級精細滴灌控制節點200發送組網信息，精細滴灌控制節點200收到上級土壤墑情監測節點100的組網信息后，進入組網運行模式。如果精細滴灌控制節點200超期未收到來自上級土壤墑情監測節點100的存在信息， 則自動地由組網模式轉變為獨立工作模式。以上所述，僅是本發明的較佳實施例，并非對本發明的技術范圍作任何限制，故凡是依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何細微修改、等同變化與修飾，均仍落在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種基于無線傳感器網絡的精細滴灌測控系統，其特征在于該系統包括布置在田間監測范圍內的若干個土壤墑情監測節點(100)，每個土壤墑情監測節點包括土壤墑情信號處理模塊(120)和數個埋于地底不同深度的土壤含水率傳感器(110)，所述土壤墑情信號處理模塊(120)通過ZigBee無線通信單元(12 向其下級精細滴灌控制節點(200)發送控制信息；所述精細滴灌控制節點(200)包括ZigBee低功耗短程無線通信模塊QlO)、 單片機(211)和控制執行單元Q30)；若干個相鄰土壤墑情監測節點(100)構成一個簇，每個簇包括一個簇首節點(300)。
2.根據權利要求1所述的精細滴灌測控系統，其特征在于所述土壤墑情信號處理模塊(120)中，微處理器(121)與信號調理模塊(126)及A/D模塊(122)相連，所述數個埋于地底不同深度的土壤含水率傳感器(110)的激勵信號輸入端與信號調理模塊(126)的輸出端相連，測量信號輸出端與A/D模塊(12 的輸入端相連；所述信號調理模塊(126)包括4 個運算放大器，分別組成4個跟隨器，所述跟隨器的輸入端與微處理器(121)的激勵信號輸出端相連，輸出端則與數個埋于地底不同深度的土壤含水率傳感器(110)的激勵信號引腳相連，微處理器(121)控制信號調理模塊(126)按照一定的時間間隔將激勵信號依次經過跟隨器放大后啟動數個埋于地底不同深度的土壤含水率傳感器(110)，以實現對不同土層的土壤含水率進行立體測量，A/D模塊(12 轉換各傳感器獲得的模擬信號為數字信號后， 將數字信號傳送至微處理器(121)，A/D模塊(12 包括4個12位高精度A/D轉換通道， 數字信號通過串行通信的方式發送給微處理器(121)，微處理器(121)與存儲器(123)和 ZigBee無線通信單元(125)相連。
3.根據權利要求2所述的精細滴灌測控系統，其特征在于所述土壤墑情信號處理模塊(120)采用符合ZigBee協議的2. 4GHz短程低功耗無線通信的方式，將所述存儲器(123) 中的土壤墑情信息通過所述ZigBee無線通信單元(125)向所述簇首節點(300)上傳。
4.根據權利要求3所述的精細滴灌測控系統，其特征在于所述簇首節點(300)接收到來自所述土壤墑情監測節點(100)的土壤墑情監測信息后，向信息的來源節點發送反饋消息。
5.根據權利要求1-4任一項所述的精細滴灌測控系統，其特征在于所述土壤墑情監測節點(100)及簇首節點(300)設置有包括太陽能電池板(131)、充電控制模塊(13 和充電電池(133)在內的獨立太陽能供電模塊組，太陽能電池板(131)與充電控制模塊(132) 相連，充電控制模塊(13 與充電電池(13 相連，充電控制模塊(13 根據充電電池 (133)的電壓連通或切斷太陽能電池板(131)與充電電池(133)間的充電回路，實現充電控制。
6.根據權利要求1所述的精細滴灌測控系統，其特征在于所述精細滴灌控制節點 (200)中，控制執行單元(230)、ZigBee低功耗短程無線通信模塊(212)與單片機(211)相連；所述ZigBee低功耗短程無線通信模塊012)，采用符合ZigBee協議的2. 4GHz短程低功耗無線通信的方式接收來自上級土壤墑情監測節點(100)的滴灌控制信息；所述控制執行單元(230)包括順序連接的電磁閥驅動電路031)、電磁閥(23 和滴灌水管033)。
7.根據權利要求6所述的精細滴灌測控系統，其特征在于所述精細滴灌控制節點 (200)還包括相連接的多檔位旋鈕開關021)與鍵盤電路022)，接觸式按鍵023)、LED 組(225)、第一電源(2241)及實時時鐘(2242)、LDO穩壓模塊(242)和第二電源(241)，以上部件分別與所述單片機(211)相連，使所述精細滴灌控制節點(200)具備獨立的時間獲取能力；實時時鐘0 由第一電源OMl)獨立供電；LDO穩壓模塊042)與第二電源 (241)相連，為節點其余器件供電。
8.根據權利要求7所述的精細滴灌測控系統，其特征在于所述土壤墑情監測節點 (100)定期向其下級精細滴灌控制節點(200)發送組網信息，所述精細滴灌控制節點(200) 收到上級土壤墑情監測節點(100)的組網信息后，精細滴灌測控系統進入組網運行模式； 所述精細滴灌控制節點(200)超期未收到來自上級監測節點(100)的存在信息，精細滴灌測控系統自動由組網模式轉變為獨立工作模式。
全文摘要
本發明公開了一種基于無線傳感器網絡的精細滴灌測控系統，包括布置在田間監測范圍內的若干個土壤墑情監測節點，每個土壤墑情監測節點包括數個埋于地底不同深度的土壤含水率傳感器和土壤墑情信號處理模塊，所述土壤墑情信號處理模塊通過ZigBee無線通信單元向其下級精細滴灌控制節點發送控制信息；所述精細滴灌控制節點包括ZigBee低功耗短程無線通信模塊、單片機和控制執行單元。該系統能夠對地表下植物根部多個深度土壤含水率進行立體監測，不需要固定網絡支持實現對精細滴灌作業的測控。具有快速展開、抗毀性強等特點，大規模使用時通信成本較低，且安裝和維護方便，特別適用于信號覆蓋較差的農村地區。
文檔編號A01G25/16GK102172195SQ20111004321
公開日2011年9月7日 申請日期2011年2月22日 優先權日2011年2月22日
發明者馮瑞玨, 岳學軍, 文韜, 李加念, 李震, 洪添勝 申請人:華南農業大學