基于無線傳感器網絡的智能灌溉系統研究

1 引 言

世界各國越來越認識到水已成為21世紀可持續發展的一個關鍵問題。中國水資源已處于相當緊缺的程度，加上全國90％的廢、污水未經處理或處理未達標就直接排放的水污染，11%的河流水質低于農田供水標準。水是農業的命脈，是生態環境的控制性要素，同時又是戰略性的經濟資源，因此采用水泵抽取地下水灌溉農田，實現水資源合理利用，發展節水供水，改善生態環境，是我國目前精確農業的關鍵。

采用節水和節能的灌水方法是當今世界供水技術發展的總趨勢。智能供水系統在國外發達國家推廣得比較快，技術發展也比較成熟，起步也比較早，特別是以色列、美國和加拿大等國，先進的電子技術、計算機和控制技術運用到了農業供水中，大大提高了用水效率和生產力。而隨著我國經濟和科技的發展，節水供水系統發展得很快，但大多停留在單片機控制為核心技術基礎上，與國外發達國家有一定的差距。

農田供水的任務是適時適量地將水自水源送至農田，滿足作物生長的需要。供水從天然狀態到被作物吸收最終形成產量可歸結為以下三大環節：

(1)通過供水取、輸、配水系統將水引至田間；

(2)然后以適當的灌水技術將水變成可供作物吸收的土壤水；

(3)作物根系自土壤中吸收水分(包括養分)，經過光合作用將輻射能轉化為化學能最后形成干物質(碳水化合物)。

前兩個環節可依靠一系列工程技術和管理措施來實現。節水供水增產的目標應是極大地提高上述兩個環節中水的轉化及產出效率。本設計論文是針對第一個環節而研究設計的。如果再根據作物農田實際情況結合滴灌、噴灑、施肥、除害等技術合理運用，我國農業的前景將非常樂觀。

2 系統工作原理與硬件結構

2.1 系統工作原理

本文研究單片機系統通過多個傳感器對濕度、溫度、降雨量、酸堿度、水分蒸發量(風速)和空氣溫度等多種信息的采集來實現對農田的精確自動灌溉控制，輸出A的信號信息通過無線全雙工數傳收發模塊傳送給控制中心(嵌入式系統)來確定是否啟動水泵為農田供水，同時將此供水與否信息由GPRS通信通過Internet傳送到遠方控制中心實現遠程監控，并通過計算機中的一些模型來處理信息，作出供水計劃。

2.2 系統的硬件結構

該系統由兩個子系統組成，其一為控制中心：一個控制主機和無線傳感器網絡節點組成。其二是遠程控制系統：GPRS通信模塊、Internet網絡傳輸與監控中心主機。圖1是系統的總體結構簡圖，圖中的無線通訊模塊結構完全相同。控制主機由基于MiniARM嵌入式微控制器的開發平臺和無線通訊模塊組成。主機與無線傳感器網絡節點構成星型拓撲無線網絡；遠程控制系統由GPRS模塊Mini-WG23實現Internet接入(本系統可以擴展，使GPRS通信網絡成星型拓撲接入)后傳到遠程控制中心。

2.3 無線傳感器網絡硬件設計

無線傳感器網絡模型(如圖1所示)是不同于傳統無線網絡的基礎設施網，通過在監測區域內隨意布撤大量傳感器節點(簡稱節點)，由各節點自行協調并迅速組建通信網絡，在能量利用率優先考慮原則下進行工作任務劃分以獲取監視區域信息。網絡的自組織特性體現在當節點失效或新節點加入時網絡能夠自適應重新組建，以調整全局的探測精度，充分發揮資源優勢，即網絡中的各節點除具備數據采集功能外兼有數據轉發實現多跳的路由功能。無線傳感器網絡馥類節點的組成一般都由數據采集、數據處理、數據傳輸和電源這四部分組成。其中每一個單片機系統的硬件設計和軟件設計都是一樣。本設計的研究設計方案是只針對一個單片機系統的。被監測物理信號的形式決定了傳感器的類型。處理器通常選用嵌入式CPU，如MOTOROLA公司的68HC16、C51系列單片機等。數據傳輸單元可以選擇由低功耗、短距離的無線通信模塊組成，但考慮防盜與自然損壞，本系統選擇功耗較大、傳輸距離較遠的SA68D21DL，農民可以在辦公室或家中安放主控制器。圖2描述了節點的組成，其中，箭頭的方向表示數據在節點中的流動方向。

2.4 無線通信模塊選擇