基于物联网技术的农田节水灌溉系统的研究

6 物联网采集单元的设计
物联网采集单元的设计为本系统的终端采集单元,由于在农田灌溉上检测范围比较大,数量多、布点不固定并只在农耕季节使用等特点考虑,采集终端需要设计成可灵活移动、易于安装的方式,其次在每一个采集终端上安装GPS定位模块,使发送到监控中心计算机上的数据带有地理位置下标,中心计算机根据上传的数据的地理位置下标来确定采集点具体地理位置,从而实现准确的数据采集。另外,由于数据采集单元放置在农田里,采用“太阳能电池板+蓄电池”的形式为采集单元供电。
采集终端主要由MCU单元、采集单元、太阳能供电单元、通信单元、GPS定位单元等部分组成,其结构如图3所示。其中,采集单元利用土壤湿温度传感器采集土壤墒情数据,数据经嵌入式微控制器MCU(MicroControUer Unit)处理后,通过GPRS网络发送至监控中心计算机上,中心计算机收集温湿度数据,并自动显示相关信息。土壤传感器输出的信号被信号调理电路处理后传送到子系统内部的模数转换器ADC(AnMog—to—DistalConvener)。MCU定时启动ADC,进行模数转换并取走数据,然后把经过处理的数据通过串行口传送到GPRS模块,并启动该模块将数据发送到GPRS无线网络。数据被GPRS网络接收后经由网关转送至Internet,最后被连接到Intemet的中心站计算机接收[2]。

采集终端的核心控制MCU是整个采集系统的核心,考虑到成本和处理性能的要求,嵌入式MCU选用ATMEL公司生产的低功耗8位微处理器ATmega128作为数据采集子系统的处理器芯片。该芯片硬件资源丰富,具有功耗低、功能多、价格便宜和性能强大等优点。在该终端中核心处理器ATmega128单片机通过COM0直接与GPRS模块相连接,完成对GPRS模块的初始化和基于GPRS网络的数据传输功能。系统中的GPS模块则通过ATmega128的COM1进行通信。ATmega128自身带有128K字节FLASH存储器,下位机程序可直接通过编程器下载到片内FLASH中。同时ATmega128再带4K字节的EEPROM存储器,传感器采集数据直接存放在EEPROM中。在该设计中采用的GPRS通信模块和GPS模块接口均为TTL电平接口,可以直接与ATmega128单片机的串行接口进行连接,接口电路如图4、图5所示:

嵌入式GPRS模块的供电为直流5V供电,TXD、RXD为通信接口,在本设计中可直接连接至AVR单片机的串行接口上, ONLINE为在线指示接口,当连接到网络以后该端口输出一个低电平信号,通过74ALS04进行反向以后驱动D1发光二极管,当发光二极管点亮以后便证明现在控制器已连接网络。GPS模块通过单片机的COM2口连接,如图5所示。
在该采集终端中,土壤湿度传感接口为0～5V模拟量接口,所以传感器选择昆仑海岸公司生产的JWSL一5VB保护型温湿度变送器,其输出信号为直流电压信号,范围为0～5V,温度与湿度信号从各自的通道输出,相互独立。传感器输出的信号经过线性转换处理后输入到ATmega128的ADC1引脚,由ATmega128内部的ADC进行模数转换。ATmega128内部的ADC具有8个通道,每通道的分辨率为10bit,输入电压范围为0～5V,能够满足该系统数据巡回采集的需要。传感器信号调理及与ATmega128的接口电路如图6所示。传感器输出的电压信号进入该电路之后,首先经过低通滤波。传感器输出的电压信号本身可能有不稳定因素,加上经过长电缆传送,此过程中还会受到其他设备的干扰,很多中高频噪声叠加到信号中,所以在信号进入处理器的ADC之前,先通过低通滤波器尽可能地把噪声和干扰滤除。这里使用一阶RC低通滤波器进行滤波,截止频率为15．92Hz,可以有效地衰减中高频干扰成分,较好地反映出信号的变化。传感器输出信号通过滤波器后,再经一级电压跟随器缓冲,由R1和R3组成的分压电路转换成0—4.09V的电压信号后,再经一级缓冲,最后送人处理器的ADC1端口(温度信号送ADC1,湿度信号送ADC2)[2]。

7 结束语
本文设计的基于物联网技术的节水灌溉控制系统依据土壤墒情和作物需水情况制定最优灌溉方案,对作物实行按需灌溉,最大限度的降低水资源的消耗,缓解水资源日趋紧张的矛盾,并且还为作物提供了更好的生长环境,充沛发扬现有节水配备的作用,优化调度,提高效益。

参考文献:
[1]常波,基于无线传感器网络的节水灌溉智能监测系统设计[J].安徽农业科学,2010,38(27):23.
[2]黄伟峰等,森林土壤温湿度嵌入式远程实时监测系统[J].农业化研究,2009,(12):107-108.

作者简介:赵寒涛(1974-),男,高级工程师,从事机电一体化等方面的科研工作。