农业节水灌溉远程监控系统的设计与实现

赵 焱

(渤海大学 大学基础教研部，辽宁 锦州 121003)

农业节水灌溉远程监控系统的设计与实现

赵 焱

(渤海大学 大学基础教研部，辽宁 锦州 121003)

为了提高农业灌溉的效率，节省灌溉成本，进行农业节水灌溉智能监控系统设计，提出一种基于ZigBee多传感器分布式数据采集的监控系统设计方法，系统设计分为硬件和软件两部分;首先进行农业节水灌溉远程监控系统的总体设计构架，灌溉远程监控系统的硬件模块化设计包括农业节水灌溉传感信息采集模块、AD模块、集成控制模块和接口电路;基于FPGA嵌入式设计方法，构建ZigBee多传感器分布式阵列，进行远程多点灌溉控制和监控；软件开发建立在LabWindows/CVI工程开发环境中，通过程序加载控制，实现远程监控系统改进设计;测试结果表明，该系统进行农业节水灌溉远程监控具有较好的人机友好性，监控的覆盖度较高，性能较好。

农业节水灌溉；远程监控；传感器；FPGA嵌入式设计

0 引言

在进行大棚种植和大规模的农田种植中，需要进行人工灌溉，保障农业种植的产量，农业灌溉系统采用多个传感器分布节点进行水量调节，进行多点灌溉，为了节省灌溉的用水量，实现节水灌溉，需要进行智能灌溉的远程监控系统设计，通过监控系统监测灌溉点的出水量，并进行智能调节，保障灌溉效率，因此，研究农业节水灌溉远程监控系统在节省灌溉成本，提高农业产量方面具有重要意义[1]。

农业节水灌溉远程智能监控系统的影响因素多元，控制参数复杂，对农业节水灌溉精确控制和监控的难度较大，传统的农业节水灌溉远程智能监控系统设计方法中，主要有基于PLC可编程逻辑的控系统设计方法[2]、基于RFID技术的农业节水灌溉远程智能监控设计方法等[3]，采用分散DSC控制技术，进行集成智能监控，实现农业节水灌溉远程智能监控系统的可靠性设计[4]，但是目前的监控系统更多的是采用高功耗芯片设计，存在精度不高和监控的定点性不好的问题[5]。对此，本文提出一种基于ZigBee多传感器分布式数据采集的监控系统设计方法，系统设计分为硬件和软件两部分，首先进行监控系统的总体设计和功能技术指标分析，然后进行硬件模块化设计和软件开发，在LabWindows/CVI环境下实现系统的开发和调试，得出有效性结论。

1 系统总体设计构架和功能指标分析

1.1 农业节水灌溉远程监控系统总体设计

为了实现对农业节水灌溉远程监控系统设计，采用多传感器信息采集方法对农业节水灌溉区的出水量、湿度等信息进行实时采集和分析，采用VXI总线数据采集技术，进行农业节水灌溉区域的原始数据信息采集和数据处理。首先启动ZigBee多传感器分布式数据采集系统，在Linux环境中进行监控程序加载，构建用户界面模块、数据处理模块和远程可视化监控模块，实现对农业节水灌溉的远程监控，在嵌入式Linux环境下进行远程监控系统的模块化设计，将采集的数据输入到Linux操作系统中进行节水灌溉的程序加载，实现灌溉信息存储、信号发射、数据采集和波形显示等功能[6]，根据上述分析，得到本文设计的农业节水灌溉远程监控系统总体构架模型如图1所示。

图1 农业节水灌溉远程监控系统总体构架

根据图1所示的农业节水灌溉远程监控系统总体构架模型，进行系统设计。监控信号加载到Linux内核中，Linux是一个类似于Unix的操作系统，系统在用户界面模块进行监控信息参数的设置和初始化操作，采用交叉编译方式进行监控视频信息采集和数据加载，在VisualDSP++集成GCC编译环境中，构建农业节水灌溉远程监控系统应用程序开发环境[7]。监控系统的工程管理应用程序输入到Linux操作系统中，将linuxrc文件拷贝到filesystem进行控制信息的集成开发和控制指令实时传递。为了准确地采集动态环境下农业节水灌溉的视频数据，设置农业灌溉监控的模拟预处理机动态范围：-40～+40 dB，在动态环境下配置自动捕获的增益控制串口，设计 PCI 控制接口，配置空间寄存器，采用M、C、J 3种模式实现远程监控系统高速率数据传输，设计本地总线时钟和 PCI 时钟进行突发状态下的灌溉程序自适应控制，构建PCI 总线操作和LOCAL总线操作的DMA数据通道，在C 模式下将农业节水灌溉远程监控系统的Local-to-PCI指针装入 PCI 配置寄存器，在PCI总线主控单元中实现远程监控。根据上述总体设计构架，进行农业节水灌溉远程监控系统的模块化设计，设计过程包括了系统的硬件设计和软件设计。

1.2 开发环境描述及功能指标分析

根据上述对农业节水灌溉远程监控系统的总体设计构架，进行监控系统的模块化设计和功能技术指标分析，农业节水灌溉远程监控系统的输入电压为±220 V，可配置为4路ZigBee多传感器分布式的联合Cache进行数据采集，系统的稳压状态下的功耗为：140 mW(250 kHz，5 V电源)，系统设计采用16 位微控制器进行嵌入式系统开发设计，从外部程序存储器0FF80H执行程序加载，从片内ROM引入232串口，构建农业节水灌溉远程监控系统的传感器模块，它是半双工形式，实现对灌溉区域的视频信息和地面湿度信息的采集。由此，设计农业节水灌溉远程监控系统的技术指标描述如下：

1)ZigBee多传感器分布式数据采集的幅度范围：-40～+40 dB，远程监控的动态增益放大量为80 dB，传感器模块的输出信号幅度±10 V；

2)农业节水灌溉远程监控系统的采样通道：8通道同步、异步输入；

3)采用并行外设接口(PPI)构建农业节水灌溉远程监控系统的微处理器模块，处理器的采样率：>200 kHz；

4)时钟信号输入引脚的D/A转换的A/D分辨率：12位(至少)；

5)采用bootloader加载方式，JTAG 口连接A/D转换器的分辨率：12位(至少)；

6)采用双缓存的发送寄存器进行数据存储，DMA 控制器的传输速率：>200 kHz；

7)通过6 个引脚连接执行输出控制，输出控制的信号模型包括CW、LFM、HFM等多种形式。

2 系统硬件设计

根据上述功能指标分析，进行系统设计，设计包括了硬件设计和软件设计等部分，灌溉远程监控系统的硬件模块化设计包括农业节水灌溉传感信息采集模块、AD模块、集成控制模块和接口电路，具体设计描述如下：

1)传感信息采集模块电路。传感信息采集模块采用ZigBee多传感器分布式数据采集方法，由于系统对环境信息的采样率至少为200 kHz，由Mux101多路开关选择输出信号，达到程序控制第一级放大倍数的要求，采用ST 超低功耗 的AD8021作为ZigBee多传感器分布式数据的主控芯片[8]，由DSP控制VCA810的电压，选用合适的晶振滤掉高频干扰，选用不同的稳压块来调节反馈动态增益控制码，通过(R/X)DATDLY设置接收和发送数据的时钟中断字，采用±10 V的双极性输入MSB接+5 V高电平，得到传感信息采集模块设计的结构如图2所示。

图2 传感信息采集模块设计的结构框图

在图2所示的传感信息采集模块中，McBSP 提供了全双工的通信机制，农业节水灌溉远程监控数据经DMA 控制器直接进入内存，在CLKP 和CLKX上检测农业节水灌溉远程监控的视觉信息，于CPU 与DAM 控制器读取/写入 DRR，按照DSP串口0的引脚执行ZigBee多传感器分布式数据采集，得到ZigBee多传感器分布式数据采集的接口设计。

2)AD模块。AD模块执行农业节水灌溉远程监控系统采样数据的数模转换，采用低功耗设计方法进行AD模块设计，农业节水灌溉远程智能监控系统功耗主要来自静态功耗Pspc和动态功耗Pdpc，即：

Pspc=VddIdd

(1)

(2)

其中:Vdd表示ZigBee射频识别的额定电压，单位为V；Idd表示农业节水灌溉远程智能监控系统输出漏电流值，单位为A；ITC表示同步串行触发电流，CT表示负载电容；fp表示监控系统对监控区域信息采集的频率，由式(1)可知，系统的Vdd越低，其输出的动态功耗Pspc就越低，根据上述原理，设计监控系统的AD模块，监控系统的传输基阵通过AD采样，将农业节水灌溉的脉冲信号转化为电信号，产生的导纳B=jωC，农业节水灌溉远程监控系统的外部I/O设备包括A/D转换器AD7864两片，通过信号输入设置，将12位A/D结果转换成16位，得到系统的AD模块硬件设计框图如图3所示。

图3 系统的AD模块硬件设计

3)集成控制模块。集成控制模块是整个农业节水灌溉远程监控系统的核心模块，通过7864/CS和/WR写入控制信息指令，采用4片AD8582进行主控模块的控制系统设计，根据AD8582数据手册，得到农业节水灌溉远程智能监控系统集成控制执行的输入输出码字，描述见表1 。

表1 智能监控系统集成控制执行的输入输出码字

由于5409A的外部接口具有强耦合性，采用TI公司的DC-DC芯片进行AD设计，其中，A4～A0和/IOSTRB译码→/CS，通过DAC变换，转化成模拟信号，得到集成控制模块电路设计如图4所示。

图4 集成控制模块电路设计

4)接口电路。本系统对接口电路的转换频率精度要求很高，因此在接口电路设计中，需要采用波形存储器ROM转化成数字化输出的COS，采用50MHz的参考时钟输入作为控制时钟，采用高性能的MAX7000AE系列器件作为时钟输出信号，EPM7128AETI100与其余芯片的硬件连线通过外部双端口RAM和FLASH设计[9]，逻辑门建立DSP中断控制，单独输出+3.3V和+1.6V的电压，使得收发转换电路按照地址线A0控制，MSB接+5V高电平，DSP的数据线与7864的数据线均连至CPLD，由CPLD实现接口电路设计，得到农业节水灌溉远程智能监控系统接口的电路设计如图5所示。

图5 系统的接口的电路设计

在上述进行系统模块化设计的基础上，系统用DDS(直接数字合成)技术芯片进行硬件集成设计，基于FPGA嵌入式设计方法，构建ZigBee多传感器分布式阵列，进行远程多点灌溉控制和监控设计。

3 系统软件开发实现

在上述进行监控系统硬件设计的基础上，进行软件开发和调试，软件开发建立在LabWindows/CVI工程开发环境中，采用外部程序存储器PCR引入控制指令，进行远程监控的程序执行，由此实现系统的软件开发设计，实现农业节水灌溉远程智能监控的程序加载和监控信息的写入，借助LabWindows/CVI进行程序加载，执行加载代码：

voidrgre(keyggfregd,vgegeDvfegBgid)

{

G-Lisgegeg();

nogegervp=G-LgegeetGrfegGid(ehr);

Loht5e=nh4FPcehed(Null);

Fgry54chTingeggid

{

HggeHP=necggeecece();

LogPGcgege(Lvceujnte.rvfevet,ite,HP);

fvevachpaceninHP

Ojntrvdswet();

}

获得监控系统软件的实现流程如图6所示。

图6 软件实现流程图

4 试验结果与分析

为了测试系统的性能，采用不同方法进行农业节水灌溉监控性能测试，在LabWindows/CVI工程开发环境中，Bootloader 程序位于片内ROM，设置FSXM=1，通过程序加载控制，实现远程监控系统改进设计，构建程序加载模块，以监控的覆盖度为测试指标，得到对比结果如图7所示。

图7 性能对比

分析图7可知，采用本文方法进行农业节水灌溉设计，能以较小的节点数实现大范围的灌溉覆盖，性能较好。

5 结束语

本文研究了农业节水灌溉智能监控系统设计优化问题，提出基于ZigBee多传感器分布式数据采集的监控系统设计方法，系统设计分为硬件和软件两部分，灌溉远程监控系统的硬件模块化设计包括农业节水灌溉传感信息采集模块、AD模块、集成控制模块和接口电路，基于FPGA嵌入式设计方法，构建ZigBee多传感器分布式阵列，进行远程多点灌溉控制和监控。软件开发建立在LabWindows/CVI工程开发环境中，通过程序加载控制，实现远程监控系统改进设计。测试结果得出，本文设计的监控系统进行农业节水灌溉远程控制和监测，监控的覆盖度较高，性能较好，具有较高的实际应用价值。

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Design and Implementation of Remote Monitoring System for Agricultural Water Saving Irrigation

Zhao Yan

(Department of Foundation Education,Bohai University,Jinzhou 121013,China)

In order to improve the efficiency of agricultural irrigation,saving irrigation cost,the design of intelligent monitoring system of agricultural water-saving irrigation,puts forward a design method of distributed ZigBee monitoring system based on data acquisition system,the design is divided into hardware and software,the first overall design framework of agricultural water-saving irrigation remote monitoring system,hardware module design of remote monitoring system of irrigation including agricultural water-saving irrigation sensor information acquisition module,AD module,integrated control module and interface circuit,FPGA embedded design method to construct distributed ZigBee array based on remote multi-point monitoring and control irrigation.Software development is based on the LabWindows/CVI project development environment,through the program loading control,to achieve remote monitoring system design.The test results show that the system has good performance in the remote monitoring and control of agricultural water-saving irrigation.

agricultural water-saving irrigation;remote monitoring;sensor;FPGA embedded design

2016-11-18；

2016-12-01。

赵 焱(1977-)，男，辽宁锦州人，在职研究生，讲师，主要从事计算机软件与信息系统方向的研究。

1671-4598(2017)04-0080-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.04.023

TN911

A