基于物聯網技術的農田節水灌溉系統的研究
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采集終端主要由MCU單元、采集單元、太陽能供電單元、通信單元、GPS定位單元等部分組成,其結構如圖3所示。其中,采集單元利用土壤濕溫度傳感器采集土壤墑情數據,數據經嵌入式微控制器MCU(MicroControUer Unit)處理后,通過GPRS網絡發送至監控中心計算機上,中心計算機收集溫濕度數據,并自動顯示相關信息。土壤傳感器輸出的信號被信號調理電路處理后傳送到子系統內部的模數轉換器ADC(AnMog—to—DistalConvener)。MCU定時啟動ADC,進行模數轉換并取走數據,然后把經過處理的數據通過串行口傳送到GPRS模塊,并啟動該模塊將數據發送到GPRS無線網絡。數據被GPRS網絡接收后經由網關轉送至Internet,最后被連接到Intemet的中心站計算機接收[2]。
采集終端的核心控制MCU是整個采集系統的核心,考慮到成本和處理性能的要求,嵌入式MCU選用ATMEL公司生產的低功耗8位微處理器ATmega128作為數據采集子系統的處理器芯片。該芯片硬件資源豐富,具有功耗低、功能多、價格便宜和性能強大等優點。在該終端中核心處理器ATmega128單片機通過COM0直接與GPRS模塊相連接,完成對GPRS模塊的初始化和基于GPRS網絡的數據傳輸功能。系統中的GPS模塊則通過ATmega128的COM1進行通信。ATmega128自身帶有128K字節FLASH存儲器,下位機程序可直接通過編程器下載到片內FLASH中。同時ATmega128再帶4K字節的EEPROM存儲器,傳感器采集數據直接存放在EEPROM中。在該設計中采用的GPRS通信模塊和GPS模塊接口均為TTL電平接口,可以直接與ATmega128單片機的串行接口進行連接,接口電路如圖4、圖5所示:
嵌入式GPRS模塊的供電為直流5V供電,TXD、RXD為通信接口,在本設計中可直接連接至AVR單片機的串行接口上, ONLINE為在線指示接口,當連接到網絡以后該端口輸出一個低電平信號,通過74ALS04進行反向以后驅動D1發光二極管,當發光二極管點亮以后便證明現在控制器已連接網絡。GPS模塊通過單片機的COM2口連接,如圖5所示。
在該采集終端中,土壤濕度傳感接口為0～5V模擬量接口,所以傳感器選擇昆侖海岸公司生產的JWSL一5VB保護型溫濕度變送器,其輸出信號為直流電壓信號,范圍為0～5V,溫度與濕度信號從各自的通道輸出,相互獨立。傳感器輸出的信號經過線性轉換處理后輸入到ATmega128的ADC1引腳,由ATmega128內部的ADC進行模數轉換。ATmega128內部的ADC具有8個通道,每通道的分辨率為10bit,輸入電壓范圍為0～5V,能夠滿足該系統數據巡回采集的需要。傳感器信號調理及與ATmega128的接口電路如圖6所示。傳感器輸出的電壓信號進入該電路之后,首先經過低通濾波。傳感器輸出的電壓信號本身可能有不穩定因素,加上經過長電纜傳送,此過程中還會受到其他設備的干擾,很多中高頻噪聲疊加到信號中,所以在信號進入處理器的ADC之前,先通過低通濾波器盡可能地把噪聲和干擾濾除。這里使用一階RC低通濾波器進行濾波,截止頻率為15．92Hz,可以有效地衰減中高頻干擾成分,較好地反映出信號的變化。傳感器輸出信號通過濾波器后,再經一級電壓跟隨器緩沖,由R1和R3組成的分壓電路轉換成0—4.09V的電壓信號后,再經一級緩沖,最后送人處理器的ADC1端口(溫度信號送ADC1,濕度信號送ADC2)[2]。
7 結束語
本文設計的基于物聯網技術的節水灌溉控制系統依據土壤墑情和作物需水情況制定最優灌溉方案,對作物實行按需灌溉,最大限度的降低水資源的消耗,緩解水資源日趨緊張的矛盾,并且還為作物提供了更好的生長環境,充沛發揚現有節水配備的作用,優化調度,提高效益。
參考文獻:
[1]常波,基于無線傳感器網絡的節水灌溉智能監測系統設計[J].安徽農業科學,2010,38(27):23.
[2]黃偉峰等,森林土壤溫濕度嵌入式遠程實時監測系統[J].農業化研究,2009,(12):107-108.
作者簡介:趙寒濤(1974-),男,高級工程師,從事機電一體化等方面的科研工作。
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