基于无线传感器网络的智能灌溉系统研究

1 引 言

　　世界各国越来越认识到水已成为21世纪可持续发展的一个关键问题。中国水资源已处于相当紧缺的程度，加上全国90％的废、污水未经处理或处理未达标就直接排放的水污染，11%的河流水质低于农田供水标准。水是农业的命脉，是生态环境的控制性要素，同时又是战略性的经济资源，因此采用水泵抽取地下水灌溉农田，实现水资源合理利用，发展节水供水，改善生态环境，是我国目前精确农业的关键。

　　采用节水和节能的灌水方法是当今世界供水技术发展的总趋势。智能供水系统在国外发达国家推广得比较快，技术发展也比较成熟，起步也比较早，特别是以色列、美国和加拿大等国，先进的电子技术、计算机和控制技术运用到了农业供水中，大大提高了用水效率和生产力。而随着我国经济和科技的发展，节水供水系统发展得很快，但大多停留在单片机控制为核心技术基础上，与国外发达国家有一定的差距。

　　农田供水的任务是适时适量地将水自水源送至农田，满足作物生长的需要。供水从天然状态到被作物吸收最终形成产量可归结为以下三大环节：

　　(1)通过供水取、输、配水系统将水引至田间；

　　(2)然后以适当的灌水技术将水变成可供作物吸收的土壤水；

　　(3)作物根系自土壤中吸收水分(包括养分)，经过光合作用将辐射能转化为化学能最后形成干物质(碳水化合物)。

　　前两个环节可依靠一系列工程技术和管理措施来实现。节水供水增产的目标应是极大地提高上述两个环节中水的转化及产出效率。本设计论文是针对第一个环节而研究设计的。如果再根据作物农田实际情况结合滴灌、喷洒、施肥、除害等技术合理运用，我国农业的前景将非常乐观。

　　2 系统工作原理与硬件结构

　　2.1 系统工作原理

　　本文研究单片机系统通过多个传感器对湿度、温度、降雨量、酸碱度、水分蒸发量(风速)和空气温度等多种信息的采集来实现对农田的精确自动灌溉控制，输出A的信号信息通过无线全双工数传收发模块传送给控制中心(嵌入式系统)来确定是否启动水泵为农田供水，同时将此供水与否信息由GPRS通信通过Internet传送到远方控制中心实现远程监控，并通过计算机中的一些模型来处理信息，作出供水计划。

　　2.2 系统的硬件结构

　　该系统由两个子系统组成，其一为控制中心：一个控制主机和无线传感器网络节点组成。其二是远程控制系统：GPRS通信模块、Internet网络传输与监控中心主机。图1是系统的总体结构简图，图中的无线通讯模块结构完全相同。控制主机由基于MiniARM嵌入式微控制器的开发平台和无线通讯模块组成。主机与无线传感器网络节点构成星型拓扑无线网络；远程控制系统由GPRS模块Mini-WG23实现Internet接入(本系统可以扩展，使GPRS通信网络成星型拓扑接入)后传到远程控制中心。

　　2.3 无线传感器网络硬件设计

　　无线传感器网络模型(如图1所示)是不同于传统无线网络的基础设施网，通过在监测区域内随意布撤大量传感器节点(简称节点)，由各节点自行协调并迅速组建通信网络，在能量利用率优先考虑原则下进行工作任务划分以获取监视区域信息。网络的自组织特性体现在当节点失效或新节点加入时网络能够自适应重新组建，以调整全局的探测精度，充分发挥资源优势，即网络中的各节点除具备数据采集功能外兼有数据转发实现多跳的路由功能。无线传感器网络馥类节点的组成一般都由数据采集、数据处理、数据传输和电源这四部分组成。其中每一个单片机系统的硬件设计和软件设计都是一样。本设计的研究设计方案是只针对一个单片机系统的。被监测物理信号的形式决定了传感器的类型。处理器通常选用嵌入式CPU，如MOTOROLA公司的68HC16、C51系列单片机等。数据传输单元可以选择由低功耗、短距离的无线通信模块组成，但考虑防盗与自然损坏，本系统选择功耗较大、传输距离较远的SA68D21DL，农民可以在办公室或家中安放主控制器。图2描述了节点的组成，其中，箭头的方向表示数据在节点中的流动方向。

　　2.4 无线通信模块选择

　　对于移动或便携式数据采集测控系统而言，采用无线数据传输是一种较好的选择方案。由北京捷麦通信器材有限公司生产的SA68D21DL无线数据报警收发模块就是一款可在微机与微机之间，或微机与单片机之间进行全双工远距离无线通信的收发模块。该模块还可组成最多65535点的单发多收或多发单收形式无线局域网。其上位机硬件接线电路如图3所示。

　　2.5 电源

　　在该系统中，SA68D21DL为较高电压器件，电压要求为6 V，为了与之接口，AT89S51也工作在6 V(AT89C2051是宽电压器件)电压下。该系统用+6 V电源供电，可以通过支流稳压电源得到，考虑干扰与系统稳定，建议用干电池供电。