基于无线技术的农田自动喷灌系统的设计

董妍汝

(山西大学商务学院，山西 太原 030031)

0 引言

随着我国农业和经济的快速发展，水资源短缺问题日益严重。水资源可持续利用是我国经济社会发展的战略问题，核心是提高用水效率，把节水放在突出位置。农业是第一用水大户，我国农业用水约占全国用水总量的65%左右，发展智能化的农业用水方式可以减缓我国水资源紧缺问题，并促进农业的可持续发展。农业自动喷灌系统可以在无人干预的情况下，通过检测土壤层中的湿度进行自动喷灌，从而满足农作物对水分的需求，节约水资源和人工劳动力，并得到较好的经济效益。

1 需求分析

传统的农业灌溉中，人们主要采用漫灌或手动开关阀门的喷灌方式，这些方法不仅耗费人力，而且对水资源造成很严重的浪费。因此，田间自动喷灌系统应运而生。该系统应实现以下功能[1]：

1) 实时监测土壤湿度，需要采集节点。

2) 将采集到的信息传输到PC控制台，需要组网传输。

3) 将采集的数据分析，做出判断，需要PC控制台程序。

4) 进行对强电，大电流的抽水泵进行控制，需要喷灌节点。

5) 控制喷灌节点进行喷灌，需要控制节点。

6) 将采集节点和PC控制台进行信息交互，需要在PC端中继节点。

2 概要设计

2.1 硬件设计

1) 采集节点电路设计：采集节点设计了电阻式土壤湿度检测传感器，用高可靠性的可充电锂电池和太阳能板混合供电，采用单片机中的A/D转换，将转换后的土壤湿度值通过采集节点传输至PC端中继节点,主要包含以下几部分：处理器电路、电源管理电路、湿度传感器电路、蜂鸣器电路、无线模块接口电路[2]。

2) 控制节点电路设计：控制节点用来控制喷灌节点，主要包含以下几部分：处理器电路、光电隔离电路、电流驱动电路、无线模块接口电路。

3) 喷灌节点电路设计：喷灌节点，即继电器驱动板，主要用来控制220 V的抽水机通断电或者控制12 V的电磁阀打开或者关闭。主要包含：继电器电路1，继电器电路2。

4) PC端中继节点电路设计：PC端中继节点主要是将接收到的数据，通过电脑的USB传送给控制中心，或将控制中心的数据和控制命令传送到具体的节点。主要包含：处理器电路，串口-USB接口转换电路，无线模块接口电路。

2.2 硬件底层软件设计

采集节点手触两次后开机，内嵌自动组网协议，通过无线模块接收、发送数据。发送方发送数据后，接收到接收方的应答才算发送成功，若发送失败时，再尝试循环发送3次，防止两个模块同时发送数据，产生无线碰撞。每个采集节点都是网络节点，作为中继站转发接收的数据，可以申请、注销、修改本节点地址，建立通信链路，修改父亲、儿子节点，接收、回复应答，获取湿度数据。

2.3 软件设计

1) 配置软件设计：技术人员使用配置软件使采集节点、控制节点、PC中继节点之间进行自动组网，并在农田图片上生成直观的逻辑布局。主要功能包含：串口配置，运行显示，导入背景图(实际的农田图片)，生成物理布局图(实际的农田图片中添加传感器)，删除数据信息，查看逻辑布局图(查看节点逻辑布局以及对节点的常用操作)[3]。配置软件功能模块结构图如图1所示。

图1 配置软件功能模块结构图

2) 采集软件设计：客户使用采集软件配置系统参数，通过采集节点传回的数据实时监控田间湿度，以及查看田间历史湿度，并对湿度值做出相应判断，当湿度超过配置参数下上限时，控制水泵是否喷灌，从而使田间湿度处于最佳水平。主要功能包含：串口配置，功能提示，系统参数配置、手动或自动运行，查看田间湿度。采集软件功能模块结构图如图2所示。

3 数据库设计

本系统的数据库共有5个表，分别为农田数据表(Farm)、节点路径记录表(NodeCommPath)、传感器逻辑布局表(SensorLayout)、传感器信息表(SensorNodeInfo)、农田湿度信息表(WetCollectInfo)。一个农田数据表对应多个农田湿度信息表，包含多个传感器信息表；一个传感器信息表对应一个节点路径信息表，产生一个传感器逻辑分布表[4]。

4 详细设计

4.1 硬件PCB电路设计

1) 湿度传感器电路图：本系统通过测量土壤的电阻值来对应相应的湿度值。经测量土壤(沙土)的电阻在4k-2M的范围内。其中4k最湿，2M完全干燥。在实际测控中，直接采集的是土壤电压值，然后通过A/D转化为0-1023之间的一个数字，在控制台软件中显示。湿度传感器电路图如图3所示。

2) 喷灌节点电路设计：该通道可以接220 V的强电线，也可以接12 V的弱电线，其中已经使用了相关的电路，使得继电器产生的火花和干扰降低到了最小。继电器电路如图4所示。

3) PC端中继节点电路设计：PC端中继节点主要是将接收到的数据，通过电脑的USB传送给控制中心，或将控制中心的数据和控制命令传送到具体的节点[5]。

本节点使用的是ATmega16L-8AI型单片机，串口-USB接口转换部分使用了PL2303芯片。串口转USB接口电路图如图5所示。

图3 湿度传感器电路图

图4 继电器电路图

图5 串口转USB接口电路图

5 无线自动组网设计

无线自动组网的设计使得本系统组网更加的安全快捷，省去了人工组网的繁琐和失误。同时也可以人工修改节点。

Zigbee是一种基于IEEE802.15.4协议的一种短距离无线通信技术，所以对于不支持IEEE802.15.4协议的无线芯片并不适用。本系统组网技术适用于不支持IEEE802.15.4协议的无线芯片，例如NRF24L01无线芯片[6]。

本系统协议应用于本系统的应用层级，使用系统开放的命令完成各种需求。下面是实际使用中的样例数据包和完成的相应操作：

1) 初始单片机申请地址(系统标识默认为00，节点默认为FF，申请地址命令为41，数据终止位默认为0F)

00 FF 00 FF FF FF 41 FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF 07 0F

2) PC应答数据包(应答命令为08，源地址为00，目的地址为FF)

00 00 FF 00 00 FF 08 FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF 07 0F

3) 初始单片机应答(应答命令为08，源地址为FF，目的地址为00)

00 FF 00 FF FF FF 08 FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF 07 0F

4) 获取湿度数据(获取湿度数据命令为47,源地址为01，目的地址为02，自己节点为00，儿子节点为01，返回02节点湿度数据)

00 01 02 00 00 01 47 FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF 07 0F

5) 回传湿值数据(回传数据命令为48，08是将A/D转换的8个通道全部打开，分别为各层的土壤湿度和电阻，电压和时间信息)

00 02 00 00 01 FF 48 08 2A 08 21 08 1B 0A 16 0A 17 0A 17 06 4A 07 44 00 00 00 0D 05 05 FF 07 0F

6) 控制单片机(控制命令为0C，将02号节点设置为01，01为采集节点，将A/D转换通道的电源全部关闭)

00 01 02 00 00 01 0C 01 00 00 00 00 00 00 00 00 FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF 07 0F

7) 打开节点控制继电器(控制命令为0C，节点信息为02，02为控制节点，将A/D转换的8个通道的电源全部打开)

00 01 02 00 00 01 0C 02 01 02 04 08 10 20 40 80 FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF 07 0F

8) 关闭节点控制继电器(控制命令为0C，节点信息为02，02为控制节点，将A/D转换的8个通道的电源全部关闭)

00 01 02 00 00 01 0C 02 00 00 00 00 00 00 00 00 FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF FF 07 0F

6 测试

本系统对湿度采集的值按图形的方式显示。三种不同颜色的曲线是传感器对应的三种不同深度的湿度值。当湿度值为偏干区时，喷头自动打开进行喷灌。当湿度值为偏湿区时，喷头自动关闭，使土壤湿度维持在最佳湿度区。田间湿度图如图6所示。

图6 田间湿度图

7 结语

整个系统包括三个用于采集田间湿度等信息的采集节点；一个用于控制田间喷灌的控制节点；一套用C#语言开发的PC控制台软件；一个PC端串口-USB接口转换的PC端中继节点。本系统经过大量室内调试和试运行，已基本满足本田间自动喷灌的设计要求。

本系统研发过程中大量采用了自主选材和软硬件设计制作，对组网协议采用了自主设计，完成了不含IEEE802.15.4协议的无线收发组网技术，使本系统的造价及成本远低于使用Zigbee模块组网的系统造价。

随着时间的推移和技术的进步，政府和社会的包容性进一步增强，智能农业将推动我国进入农业现代化转型期，而农业物联网将发挥举足轻重的作用，农业智能化管理技术也将成为我国农业发展的热点。