基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水稻自動灌溉系統(tǒng)應(yīng)用研究

趙榮陽，王　斌，姜重然

(1．欽州學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院， 廣西 欽州　535000；2．佳木斯大學(xué) 信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯　154007)

?

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水稻自動灌溉系統(tǒng)應(yīng)用研究

趙榮陽1，王斌2，姜重然2

(1．欽州學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院， 廣西 欽州535000；2．佳木斯大學(xué) 信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯154007)

摘要：介紹了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水稻自動灌溉系統(tǒng)，用戶可以在水稻生長的不同時期，通過GPRS模塊，利用控制器網(wǎng)關(guān)、ZigBee協(xié)調(diào)器，發(fā)送短信控制命令，設(shè)置ZigBee終端節(jié)點水位的上、下限閾值。節(jié)點依據(jù)水位傳感器檢測隔田水位與設(shè)定閾值的比較結(jié)果，控制節(jié)點電磁閥的通斷，選擇開/關(guān)隔田引水口水槽閘門，實現(xiàn)自動灌溉。此外，系統(tǒng)用戶能夠通過短信遠程控制電井的電機啟/停，實現(xiàn)水井的自動提水。該系統(tǒng)具有實施簡單、功耗低、功能完善、可靠性高等優(yōu)點，具有較好的推廣前景。

關(guān)鍵詞：水稻；自動灌溉；物聯(lián)網(wǎng)；GPRS；ZigBee

0引言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中以滴灌、澆灌、噴灌等灌溉方式為主，隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的提高，灌溉自動化水平也有了顯著的改善。例如，新疆地區(qū)的自動化節(jié)水灌溉系統(tǒng)取得了較為廣泛的應(yīng)用；但國內(nèi)主要糧食產(chǎn)區(qū)的自動化灌溉廣度與深度還有待提高。近年來，受環(huán)境惡化、水資源短缺、人力成本逐年上升等因素的影響，自動化節(jié)水灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用需求更加迫切。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

自動灌溉系統(tǒng)通常包括控制終端節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、網(wǎng)關(guān)控制器及人機通信模塊等幾部分。其中，有線網(wǎng)絡(luò)受到距離、環(huán)境、布線等因素的影響較為嚴(yán)重，因而在自動灌溉系統(tǒng)中使用無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)將是一種良好的解決途徑?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的水稻田自動灌溉系統(tǒng)包括引水口的終端控制節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點、網(wǎng)關(guān)控制器及電井遠程控制單元等功能模塊，如圖1所示。

2ZigBee灌溉系統(tǒng)

本文基于Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GPRS通信技術(shù)，將ZigBee終端節(jié)點嵌入水稻隔田引水口水槽，從而實現(xiàn)降低水渠建設(shè)的成本，提高終端節(jié)點在水渠建設(shè)不完善、隔田分布不規(guī)則環(huán)境下的實施靈活性。用戶可以通過控制器網(wǎng)關(guān)，發(fā)送控制命令設(shè)置引水口水槽節(jié)點灌溉水位的上、下限閾值；當(dāng)節(jié)點水位傳感器檢測隔田水位達到設(shè)定閾值時，通過通/斷電磁閥,控制引水口水槽閘門打開、關(guān)閉,完成隔田的自動引水灌溉工作[1]。隔田引水口水槽裝置包括引水槽、閘門及ZigBee節(jié)點控制電路單元等。引水口水槽裝置外觀圖如圖2所示。

2.1ZigBee節(jié)點設(shè)計

ZigBee無線通訊技術(shù)具有應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)、MAC、物理等4層結(jié)構(gòu)，能夠工作在通用的2.4G頻段及915、868MHz等多個頻段，支持星型、樹型、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；組網(wǎng)接入簡單、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點容量大，非常適用于成本低、功耗小、數(shù)據(jù)通信不頻繁的自動遠程控制系統(tǒng)[2-4]。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計簡單，不同類型節(jié)點之間的結(jié)構(gòu)差異小。本文采用CC2530作為節(jié)點核心，它是TI公司的二代SOC解決方案，支持ZigBee2006、ZigBee 2007等多種類型協(xié)議棧，內(nèi)部集成了8051處理器、RF射頻器，具有多種電源管理模式、傳輸距離遠、可靠性較高等諸多優(yōu)點[5]。ZigBee灌溉系統(tǒng)啟動、組網(wǎng)完成后，終端節(jié)點向用戶發(fā)送隔田水位的當(dāng)前值，等待接收用戶的門限值設(shè)置、確認(rèn)啟動等控制命令。此外，為確保電磁閥正常工作、減少電磁干擾、提高可靠性，本文使用ADUM140完成CC2530與電磁閥驅(qū)動電路之間的電平轉(zhuǎn)換，隔離輸入輸出，降低驅(qū)動電路對電磁閥的影響[6]。ZigBee節(jié)點電路原理圖如圖3所示。

圖1　自動灌溉系統(tǒng)框圖

1.電磁閥接線槽　2.傳感器接線槽　3.天線引槽

圖3　ZigBee節(jié)點電路原理圖

2.2GPRS網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計

GPRS模塊與ZigBee灌溉系統(tǒng)主控制網(wǎng)關(guān)通過串口連接，ZigBee節(jié)點與用戶之間能夠通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)雙向通信。當(dāng)ZigBee節(jié)點反饋水位信息時，首先通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)將信號發(fā)送給主控制網(wǎng)關(guān)，然后由控制器網(wǎng)關(guān)將信號編輯為短信，通過GPRS模塊發(fā)送到用戶手機；當(dāng)用戶管理終端節(jié)點時，可以通過編寫短信命令，設(shè)定終端節(jié)點水位上、下限閾值，控制終端節(jié)點電磁閥的導(dǎo)通與斷開，實現(xiàn)自動灌溉[7]。

GPRS技術(shù)普遍被認(rèn)為是2.5G無線通信網(wǎng)絡(luò),通過支持節(jié)點、業(yè)務(wù)節(jié)點，GPRS通信網(wǎng)絡(luò)兼容幾乎所有GSM網(wǎng)絡(luò)軟、硬件平臺。與GSM相比，GPRS用戶的接入時間更短、通信速度更快、可靠性也更高，并能夠支持TCP/IP 協(xié)議，可以與分組數(shù)據(jù)網(wǎng)直接互通[8-9]。本系統(tǒng)中，ZigBee灌溉系統(tǒng)的GPRS模塊設(shè)計選用了Siemens推出的MC35i，工作電壓為3.3～4.8V，具有較低的功耗，能夠支持電話薄功能、AT命令集,接線簡單，通過ZIF連接電源、SIM卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的控制傳輸[10]。GPRS接口電路原理圖如圖4所示。

圖4　GPRS接口電路原理圖

3電井遠程控制單元設(shè)計

在水稻灌溉過程中，通過江河、水庫等地上水源的引水灌溉受到地理位置、施工等因素的影響較大，所以通過深水電井引地下水灌溉的方式在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也具有較為廣泛的應(yīng)用。本文在水稻自動灌溉系統(tǒng)中引入電井遠程控制單元，用戶能夠通過手機發(fā)送短信，控制繼電器通/斷，啟動/停止電井潛水泵電機，實現(xiàn)電井提水灌溉的遠程控制，并能夠及時反饋電井控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。電井遠程灌溉單元采用STM32F103VC系列處理器作為主控制器，結(jié)合通信芯片SIM900A，實現(xiàn)電井的遠程控制,具有高性能、低功耗等優(yōu)良特性，且性價比較高，利于今后的產(chǎn)品升級[11]。

3.1電源模塊設(shè)計

電井采用380V供電電壓，啟動潛水泵，實現(xiàn)電井的提水灌溉。本文在電源模塊設(shè)計中，采用工頻變壓器將380V電壓降壓到6V再整流得到直流電壓；經(jīng)SPX29302T5穩(wěn)壓后，為SIM900A供電。單元的控制核心STM32最高工作電壓為3.6V，最低工作電壓為2V,所以單獨為其配備了具有0.34V低壓差的SPX3819M5-3.3穩(wěn)壓芯片，保證其工作穩(wěn)定、可靠，確保輸出電壓不受鋰電池電壓跌落影響。此外，模塊降壓設(shè)計中采用的SS34二極管，常溫下流過2A峰值電流時，正向壓降為0.4V。SS34正向特性分析圖如5圖所示。

圖5　SS34正向特性分析圖

電井遠程控制系統(tǒng)采用的通信芯片SIM900A最低工作電壓為3.1V，當(dāng)鋰電池電壓降至3.5V時，將可能導(dǎo)致SIM900A無法穩(wěn)定工作。為提高穩(wěn)定性，控制單元外部由1節(jié)鋰離子電池作為后備電源，充電芯片采用MCP73831T，其PROG引腳通過一個2k電阻連接至STM32引腳；當(dāng)設(shè)置IO口為低電平時，鋰電池充電；當(dāng)設(shè)置IO為高阻態(tài)時，鋰電池停止充電。結(jié)合控制器ADC獲得電池電壓信息，可實現(xiàn)程序控制充電范圍，使鋰電池保持在淺充淺放工作狀態(tài)，最大限度延長電池使用壽命。系統(tǒng)工作時，通過比較器比較外接電源電壓與控制器核心供電電壓；當(dāng)外接電源失效時，觸發(fā)控制器中斷，向用戶發(fā)送掉電提醒短信，并轉(zhuǎn)入關(guān)機狀態(tài)斷開鋰電池供電，進入休眠模式。系統(tǒng)模塊功耗如表1所示。

表1　系統(tǒng)功耗分析表

3.2電井控制單元可靠性設(shè)計

考慮工作環(huán)境的復(fù)雜性，電井控制單元的外殼采用密閉防水外殼，無風(fēng)扇設(shè)計，內(nèi)部做好對流設(shè)計，利用有限的體積為高溫器件降溫。例如，控制單元安裝方向有固定要求：將最易升溫的器件放于底部，熱空氣會上升，由外殼將熱量散發(fā)出去，冷空氣回流到底部，循環(huán)帶走器件熱量，均勻密閉外殼內(nèi)部的溫度。SMA天線端子、電源接線端子、SIM卡座、繼電器端子及串口都集中排布在正下方。面板上方設(shè)置若干工作狀態(tài)指示燈。

380V電源端子是電源的輸入端，為系統(tǒng)供電；繼電器端子用來控制接觸器等電器設(shè)備，啟/停潛水泵電機，實現(xiàn)電井的遠程提水操作；232/485接口用于與計算機、傳感器模塊通信的接口；SIM卡座放置SIM卡；GSM天線端子需連接延長天線到空曠位置，以利于達到最佳信號質(zhì)量。各接口采用磁珠+TVS瞬態(tài)抑制二極管做浪涌防護，以避免人體靜電對設(shè)備造成損壞。電井控制單元外部接口結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　電井控制單元外部接口結(jié)構(gòu)圖

為確保電井控制單元的可靠性，可以通過開啟看門狗硬件電路：當(dāng)軟件系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，由看門狗將系統(tǒng)復(fù)位；當(dāng)外部供電出現(xiàn)故障掉電時，自動轉(zhuǎn)由備用鋰電池供電，向用戶發(fā)送掉電提示并自主關(guān)機，重新上電后，自動開機恢復(fù)工作。電井控制單元的現(xiàn)場環(huán)境有電機等強電磁干擾，為加強屏蔽效果，可將鋁箔粘附在外殼內(nèi)壁并接地，以降低電磁干擾?？紤]環(huán)境濕度較大，需采用密閉外殼封裝。

4軟件設(shè)計方案

本文采用開源、免費的嵌入式Linux內(nèi)核，經(jīng)過交叉編譯由Bootloader引導(dǎo)，構(gòu)建軟件系統(tǒng)平臺，能夠支持ZigBee、TCP/IP協(xié)議棧等多種通訊協(xié)議[12]。系統(tǒng)主程序在系統(tǒng)上電后，首先完成GPRS網(wǎng)絡(luò)的初始化，ZigBee灌溉系統(tǒng)的啟動、自動組網(wǎng)，終端節(jié)點數(shù)據(jù)信息的反饋等工作[13]；電水井遠程控制單元，向用戶發(fā)送電井工作狀態(tài)信息，進入待機模式，等待用戶命令。其主程序流程如圖7所示。

圖7　主程序流程圖

4.1ZigBee灌溉單元軟件設(shè)計

本文選用了CC2530支持的免費ZigBee協(xié)議棧, 支持IEEE 802.15.4、ZigBee聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)議棧層次結(jié)構(gòu)的功能定義完整，節(jié)點設(shè)計簡單。ZigBee灌溉單元的軟件設(shè)計，主要完成ZigBee節(jié)點類型注冊、設(shè)備定義等應(yīng)用層開發(fā)[14]。ZigBee節(jié)點軟件流程圖如圖8所示。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立之后，用戶通過GPRS通信網(wǎng)絡(luò)、ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點，管理ZigBee終端節(jié)點，設(shè)定隔田灌溉水位的上下限值。當(dāng)終端節(jié)點檢測到隔田水位，低于用戶設(shè)定下限值時，導(dǎo)通電磁閥，打開引水槽閘門，實現(xiàn)農(nóng)田的自動灌溉，否則發(fā)送隔田水位當(dāng)前值到用戶端；當(dāng)隔田水位高于設(shè)定水位上限值時，系統(tǒng)斷開電磁閥，關(guān)閉注水槽閘門，停止灌溉[15]。

圖8　ZigBee節(jié)點軟件流程圖

4.2電井遠程控制單元軟件設(shè)計

電井遠程控制單元上電后自動聯(lián)網(wǎng)并待機，接收用戶手機發(fā)送的控制信息啟/停電機，并及時回復(fù)；當(dāng)外部供電失效后，立即切換到鋰電池供電，發(fā)送報警信息。電井灌溉模塊主要功能包括如下：

1)接收用戶發(fā)送的start命令，啟動電機，回復(fù)start ok；

2)接收用戶發(fā)送的stop命令， 電機停轉(zhuǎn)，回復(fù)stop ok；

3)當(dāng)380V電源無效時，發(fā)送power off到用戶，電機停轉(zhuǎn)、關(guān)機；

4)當(dāng)重新上電時，回復(fù)短信power on，保證電機停轉(zhuǎn)；

5)設(shè)有復(fù)位按鍵，按下2s后能夠清空電話本和所有設(shè)置；

6)接收用戶發(fā)送的admin命令，自動記錄發(fā)送人的電話號碼，此號碼將被賦予管理員權(quán)限。

電井遠程控制單元軟件流程圖如圖9所示。

圖9　電井遠程控制軟件流程圖

5結(jié)束語

本文采用了獨立的ZigBee終端節(jié)點設(shè)計，將控制節(jié)點嵌入引水口水槽裝置中，提高了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)實施靈活性。作為節(jié)點核心的CC2530芯片，支持ZigBee協(xié)議棧，提供了ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的解決方案，簡化了系統(tǒng)各類型節(jié)點的設(shè)計。此外，用戶能夠通過系統(tǒng)的電井遠程控制單元，發(fā)送短信命令遠程控制電井的自動提水灌溉，進一步完善了水稻自動灌溉系統(tǒng)的功能，增強了系統(tǒng)的實用性。

參考文獻：

[1]李野，董守田，黃丹丹. 基 于 ZigBee技術(shù)的水稻自動灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)機化研究,2015,37(2)：226-229.

[2]王權(quán)平,王 莉. ZigBee技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代電信科技,2004(1):33-37.

[3]于海業(yè)，羅 瀚，任 順,等.ZigBee技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用進展與展望[J].農(nóng)機化研究,2012,34(8)：1-5.

[4]胡培金，江 挺，趙燕東. 基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的土壤墑情監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2011,27(4)：230-234.

[5]章偉聰,俞新武,李忠成. 基于CC2530及ZigBee協(xié)議棧設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點[J].計算機系統(tǒng)應(yīng)用,2011,20(7)：184-187.

[6]翁演生. 基于STM32的電磁閥控制電路研究[J]. 筑路機械與施工機械化,2012(4)：89-92.

[7]包啟明，陳益民，蘇保蘭. 基于ZigBee和3G的遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機測量與控制，2014,22(10)：3171-3173.

[8]曲廣強,李 丹,常國權(quán). GPRS無線通信模塊MC35I及其外圍電路設(shè)計[J].東北電力大學(xué)學(xué)報，2006,26(2)：80-82.

[9]傅中君.嵌入式GPRS無線通信模塊的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與應(yīng)用，2004(5)：162-164.

[10]趙孔新,欒天,劉麗偉，等. MC35i外圍電路設(shè)計及應(yīng)用 [J].電子產(chǎn)品世界，2006(2)：70-72.

[11]孫書鷹,陳志佳,寇超.新一代嵌入式微處理器STM32F103開發(fā)與應(yīng)用[J].微計算機應(yīng)用，2010,31(12)：59-61.

[12]楊祥,張遠翼,趙榮陽，等.嵌入式家庭網(wǎng)絡(luò)測控系統(tǒng)研究與設(shè)計[C]//中國儀器儀表與測控技術(shù)報告大會論文集.湘潭：中國儀器儀表學(xué)會，2008:751-754.

[13]過 怡. 基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實驗室監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報，2014,25(1)：27-30.

[14]王利崗，張達，楊小聰，等.某尾礦庫基于ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)的在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].有色金屬工程，2014,4(3)：74-77.

[15]孫彥景,丁曉慧,于滿，等.基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)信息化系統(tǒng)研究與設(shè)計[J].計算機研究與發(fā)展,2011,48(S2)：326-331.

Application Research of Automatic Irrigation System of Rice Based on IoT

Zhao Rongyang1，Wang Bin2， Jiang Zhongran2

(1.School of Electronic and Information Engineering，Qinzhou University，Qinzhou 535000，China; 2．School of Information and Electronic Technology, Jiamusi University, Jiamusi 154007,China )

Abstract：The paper introduces an automatic irrigation system of rice based on IoT.User could set values of the water level about terminals of ZigBee through GPRS module, gateway and coordinator with sending control command in different rice growing periods.It controls electromagnetic valve to irrigate automatically basis of results about values from water level sensor compare with the user’s setting. In addition,users could control motor to start or stop for water pumping from well remotely by short message service. The system implement simply with low power dissipation, perfect function,high reliability and so on.It has good prospects for popularization.

Key words：rice; automa ticirrigation; IoT; GPRS； ZigBee

文章編號：1003-188X(2016)04-0226-05

中圖分類號：S275;TP273

文獻標(biāo)識碼：A

作者簡介：趙榮陽(1982-)，男，哈爾濱人，講師。通訊作者：王斌(1979-)，男，黑龍江佳木斯人，副教授，(E-mail)jmsuwang@163.com。

基金項目：廣西高?？茖W(xué)技術(shù)項目(KY2015LX516，YB2014410，2013YB259)；佳木斯大學(xué)基礎(chǔ)研究類重點項目(Lz2014-005)

收稿日期：2015-06-03