基于无线传感器网络的微灌监控系统研究.pdf

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1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/收稿日期:2008-09-11基金项目:国家自然科学基金资助项目(60574015)作者简介:王益祥(1965),男,四川成都人,副教授,主要研究方向为嵌入式系统的硬件与软件应用开发、机电一体化技术;吴林(1984),男,江苏丰县人,硕士研究生,主要研究方向为嵌入式系统的硬件与软件应用开发。基于无线传感器网络的微灌监控系统研究王益祥,吴 林,段俊丽(南京理工大学 机械工程学院,江苏 南京 210094)摘要:根据农业灌溉

2、中的实际需求,结合Zigbee无线传感器网络技术设计了一个由嵌入式测控终端和中央监控计算机组成的灌溉监控网络系统。首先对微灌系统进行了总体设计,给出了系统总体架构;其次设计开发了系统网络总节点和终端节点的软硬件;设计了终端监控软件及其操控平台,实现了对微灌的远程监控。并进行了系统实验,实验结果表明微灌监控系统满足农业灌溉需求,提高了农业灌溉的自动化水平。关键词:ZigBee;农业灌溉;无线传感器网络;嵌入式;监控系统中图分类号:TP212.9;TP393 文献标识码:A 文章编号:1000-8829(2009)03-0064-04M on itoring System ofM icro2Irr

3、igation Based on W ireless Sensor NetworkWANG Yi2xiang,WU Lin,DUAN Jun2li(School ofMechanical Engineering,NanjingUniversity of Science and Technology,Nanjing 210094,China)Abstract:According to the physical demand in agricultural irrigation and with the development of the wirelesssensor network techn

4、ology,a micro2irrigation monitoring network system which is composed of the embedded ob2servation ter minal and the centralmonitoring computer is designed.Firstly,the overall design of the micro2irriga2tion system and the system overall framework are given.Secondly,the hardware and software of nodes

5、 of the mi2cro2irrigation systems are designed.The ter minal monitoring software and control platfor m are designed,and thelong2distance monitoring is realized.Through system experiment,the result indicates thatmicro2irrigation monito2ring network system meets the agricultural irrigation need and ra

6、ises the agricultural irrigation automation level.Key words:ZigBee;agricultural irrigation;wireless sensor net work;embedded;monitoring system 我国是一个水资源贫乏的国家,其中农业用水量约占总用水量的75%,但目前我国农业灌溉用水的利用率仅为45%,而水资源利用率高的国家已达到70%80%。发展节水灌溉是解决我国农业灌溉用水问题的重要方法,也是实现可持续发展的一项重要战略举措1,2。结合农业灌溉用水现状和我国的实际国情,提出了一种基于ZigBee无线传感

7、器网络的微灌控制系统。当采用了传感器和ZigBee网络后,微灌将可以逐渐地转向以信息和软件为中心的系统,经由ZigBee网络将监测的数据传递到中央控制设备供用户决策和参考,这样用户能够及早而准确地发现问题。1ZigBee技术及其在微灌监控系统中的应用 随着无线通信技术的不断发展,近年来出现了面向低成本设备无线联网要求的ZigBee技术。它是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术3。其传输距离约为数十米,使用频段为免费的2.4 GHz与900 MHz频段,传输速率为20250 kb/s,网路架构具备Master/Slave属性,并可达到双向通信功用。它主要具有以下几个

8、特性:省电;可靠度高;高度扩充性。由于具有以上这些特点,因此在数字家庭、医疗护理、智能交通控制、农作物环境监测、远程控制及家用设备联网等领域,ZigBee技术都得到了很好的应用47。为了使微灌监控系统能大范围推广,首先要求设备成本低;其次,一般工作环境不便放置较大的充电电池或者电源模块,所以要求设备体积小、低功耗;而当46 测控技术 2009年第28卷第3期 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/大面积自动灌溉时网络中的设备非常多,需要较大范围的通信覆盖;控制

9、系统传输的数据量很小。将Zig2Bee无线传感器网络应用于微灌监控系统,可以很好地解决以上问题,并且提高微灌监控系统的自动化、网络化、智能化和远程控制的程度。2 基于ZigBee的微灌监控系统总体设计一个有效的微灌监控系统必须具有以下功能:采集湿度、雨量并通过网络传输,将终端节点采集的数据传到总节点再传到上位机;同时终端节点能够根据从上位机接收到的精确灌溉计划设置参数,将采集的数据与设置的参数比较,当达到设定灌溉开启(关闭)值时,向电磁阀发出开(闭)指令实施灌溉。根据以上功能,本设计的基于ZigBee的微灌监控系统主要是实现终端节点和总节点之间的数据传输,以及和上位机的数据传输,能够根据上位机

10、反馈回来的信息控制电磁阀,定时定量地对农作物进行灌溉。整个微灌系统主要包括以下几个主要组成部分:中央监控计算机、无线传感器网络节点(总节点、路由节点及终端节点)、实现无线传感器网络和计算机通信的GPRS模块8,9、土壤温湿度传感器、控制灌溉的电磁阀等。整个微灌监控系统的总体结构如图1所示。图1 微灌系统总体结构在该框架中,可以看出系统主要分3个部分:(1)前端为ZigBee无线传感器网络。网络中有惟一的一个网络总节点(协调器),具有管理网络中所有微灌控制器的功能,用于接收传感器终端节点的数据上报,通过GPRS网络传递给中央信息控制中心。路由节点对信息进行路由、转发、允许其他节点加入网络。终端节

11、点具有可采集温、湿度信息及执行控制命令的基本功能。在该树状网络中,作为ZigBee终端节点的微灌控制器定时向总节点发送采集的信息,总节点通过GPRS模块和上位机通信,将采集的结果传给上位机并接收来自上位机的命令。(2)中端GPRS数据网关主要实现ZigBee网络和Internet网络的互联,实现ZigBee网络数据的上传和中央监控计算机指令的下传。GPRS通信模块与ZigBee网络总节点通过串行口进行通信,通信速率最快可以高达115 200 b/s。(3)中央监控计算机既是调度中心的服务器,又是客户机,实时采集、存储、监视和处理来自智能传感器的信号,完成采集数据的网络传输,并且能够随时设定超限

12、报警等参数;通过GPRS网络获取采集到的相关信息,实现对现场的有效控制和管理。远端数据接收处理总站主要由两部分组成:数据监控模块。监控指定Socket端口,接收来自ZigBee网络采集的信息,把相应数据写入数据库;接收来自客户管理的指令,按照指令帧格式配置指令,通过Socket端口把指令发给GPRS网关,命令ZigBee网络做相应动作。数据管理模块。通过数据库可浏览、查询当前ZigBee网络的数据信息,如:当月土壤信息、超限报警高峰期等。3 微灌系统节点硬件设计基于无线传感器网络的微灌监控系统是由多个ZigBee节点所构成的网络。总节点和终端的硬件结构完全相同,只是网络层不一样。总节点是网络组

13、织者,负责网络组建和信息路由只能由ZigBee模块担任。每个ZigBee节点的硬件均由最基本的两部分构成:微控制器和无线接收发送部分。硬件具体实现的功能则由烧写入单片机的程序来决定。根据系统设计的要求,考虑到单片机与高频芯片的通信,以及系统以后的性能扩展的要求,本系统选用Microchip的PI C18F4620芯片作为处理器核心。本设计是通过无线传感器网络来实现微灌,系统总体硬件结构如图2所示。图2 系统总体硬件结构ZigBee终端节点控制器将土壤温、湿度传感器采56基于无线传感器网络的微灌监控系统研究 1994-2010 China Academic Journal Electronic

14、Publishing House.All rights reserved.http:/集到的数据通过ZigBee网络发送给ZigBee总节点控制器,ZigBee总节点再通过GPRS模块将数据上传到农场的计算机监控中心。中央监控计算机将采集的信息进行处理,结合作物的生长周期、需水情况等安排灌溉计划然后再通过GPRS网络将灌溉控制命令传给ZigBee总节点控制器。ZigBee总节点控制器同ZigBee网络将灌溉的控制命令传给各个ZigBee终端节点。终端节点控制器在判断参数超限后控制微喷阀门(电磁阀)动作,对农作物进行远程灌溉的自动调节与控制。4 微灌系统软件设计对于农场这种大面积的微灌系统,将无

15、线传感器网络与GPRS技术相结合起来,在终端通过编制软件就可以达到精确控制灌溉,在办公室远程监控整个灌溉系统。系统软件设计包括总节点程序设计、终端节点程序设计、上位机监控管理系统程序设计。总节点软件流程图如图3所示。图3 总节点软件流程图总节点程序启动,通过函数aplFormNet work()创建一个网络,网络建立成功后允许节点加入网络。有节点加入网络后,程序将对从终端节点接收到的数据帧和其中断事件进行处理。终端节点软件流程图如图4所示。终端节点通过调用函数aplJoinNetwork()来加入网络,加入网络成功后,从其父节点分配到一个短地址,完成采集传感器数据、传送、比较、判断等工作。当没

16、有数据发送接收时,转入休眠模式,节点功耗降到最低。图4 终端节点软件设计流程图5 监控管理信息系统微灌监控系统用来对农田信息进行采集实现远程自动控制灌溉,因此系统监控中心的管理软件应该方便用户进行数据在线监测、实时数据采集显示、数据备份、历史查询、报表打印等管理,同时实现远程通信的管理,软件界面如图5所示。图5 微灌监控中心数据监测图在以后扩展中还可以在中央监控计算机上进行灌溉专家系统的设计,接收室外实时的天气温湿度情况,及时通过Internet获取近期的天气情况综合起来设置66 测控技术 2009年第28卷第3期 1994-2010 China Academic Journal Electr

17、onic Publishing House.All rights reserved.http:/灌溉参数。如图6所示。图6 微灌监控中心软件模块图从图6可以看出,监测管理系统具有很强的模块化特点,灌溉监控系统软件设计全部采用图形化的操作方式,为了更好地服务于灌溉预报、决策等的需求;用户可以设定每个控制区域灌水决策,实现区域定时、定量、按需灌水;用户也可以通过系统界面精确地控制灌溉的区域以及灌水量,操作直观明了,使用方便。6 结束语本研究针对目前微水灌溉控制系统技术和设备的现状,将ZigBee应用于微水灌溉控制系统,设计和开发性能好、价格低的微灌监控系统。采用ZigBee无线传感器网络来设计微灌

18、监控系统显著改善系统的性能。不仅很好地实现了微水灌溉的自动控制,在家中或办公室对灌溉水的精确控制,而且对节水灌溉起到了很好的推动作用。可以预计无线传感器网络的广泛应用是一种必然的趋势,而将其用于现代农业的节水灌溉由于具有技术新、成本低、控制容易、实时性好、体积小等优点,将会有非常好的应用前景。参考文献:1 彭世彰.国内外节水灌溉技术比较与认识J.水利水电科技进展,2004,(4):49-52.2 傅琳.微灌工程技术指南势M.北京:水利水电出版社,1998.3 任秀丽,于海斌.ZigBee无线通信协议实现技术的研究J.计算机工程与应用,2007,43(6):143-145.4 李文仲,段朝玉.Z

19、igBee无线网络技术入门与实战M.北京:北京航空航天大学出版社,2007204.5 崔莉,鞠海玲,苗勇,等.无线传感器网络研究进展J.计算机研究与发展,2005,(1):163-174.6 郭世富,马树元,吴东平.基于Zigbee技术在的无线传感器网络在远程家庭监控系统中的应用研究J.电子技术应用,2006,(6):28-30.7 姜文峰,郑文刚,等.城市绿地自动化节水灌溉系统的研究J.节水灌溉,2005,(1):12-13.8 何希才,任力颖,杨静.实用传感器接口电路实例M.北京:中国电力出版社,2007.9 安兴亚,童小念.基于GPRS的单片机无线接入Internet方式J.计算机与数字

20、工程,2005,(4):116-119.(上接第63页)图5 某导弹虚拟试验系统网络结构图参考文献:1Claxton J D,Cavoli C,Johnson C.Test and evaluation man2agement guide(Fifth edition)M.Defense Acquisition U2niversity Press,2005.2DMSO.Introduction to the High Level Architecture 1997 EB/OL.http:/www.dmso.ml.3 美国Ardence公司.RTX技术白皮书 Z.北京美斯比科技有限公司,译.2004.4 缪学勤.实时以太网技术现状与发展J.自动化博览,2005,(2):21-26.5 王琼,杜承烈.基于DS M技术的VS M中间件的研究与开发J.计算机应用研究,2005,(12):201-203.6 杜承烈,尤涛.大规模虚拟试验网间信息传输评价模型研究J.系统仿真学报,2008,(6):3 179-3 182.76基于无线传感器网络的微灌监控系统研究