王福平　馮盼盼

摘要：為解決目前我國農業(yè)領域中水資源利用率低等問題，結合igBee無線傳感器網絡和GPRS技術，設計了1套以GPRS +igBee無線組網技術為核心的智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)。igBee無線傳感器網絡由終端節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點（網關節(jié)點基于IEEE 802154/igBee協(xié)議構建，終端節(jié)點對土壤、環(huán)境等信息讀取和傳輸來自上層的指令，協(xié)調器節(jié)點基于TCP/IP協(xié)議連接到監(jiān)控服務器形成遠程灌溉監(jiān)控網絡，將數據經過處理后發(fā)送至監(jiān)控中心及手機用戶，實現對作物的精準灌溉。

關鍵詞：智能灌溉；無線傳感器網絡；GPRS技術；igBee

中圖分類號： TP2772；S126文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（201412-0404-03[HS][HT9SS]

收稿日期：2014-01-10

基金項目：國家自然科學基金（編號：61261045。

作者簡介：王福平（1963—，男，寧夏銀川人，教授，碩士生導師，研究方向為計算機控制技術。E-mail：w_fuping@126com。

目前我國農業(yè)領域由于水資源利用率低以及耕地管理效率低等問題，制約了農業(yè)的發(fā)展。在灌溉期澆水全憑農民的經驗和感覺，造成水資源的嚴重浪費，也使農作物不能得到最佳的生長環(huán)境，影響了農作物的產量和質量。近幾年來，物聯(lián)網技術在農業(yè)領域的應用逐步頻繁，集成短距離igBee、藍牙、蜂窩移動、衛(wèi)星通訊等各種無線通訊技術和互聯(lián)網技術實現了信息的多尺度傳輸[1]。在農田灌溉中數據的傳輸要可靠及時，對灌水量的控制要精確。igBee具有短距離、低成本、低功耗的特點，主要適合應用于監(jiān)控點密集又難于布線的場合；而GPRS網絡不受通訊距離的限制，通信可靠并使底層的igBee網絡與Internet網絡實現可靠的數據傳輸。本研究充分發(fā)揮2種無線技術的優(yōu)勢，設計1套以GPRS+igBee無線組網技術為核心的智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)。

1系統(tǒng)框架設計

基于GPRS+igBee無線組網技術的智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)的總體結構如圖1所示，主要由無線傳感器網絡、中央監(jiān)控服務器和終端監(jiān)控系統(tǒng)組成。無線傳感器網絡通過對終端節(jié)點采集的數據信息進行處理，然后將處理后的數據通過igBee協(xié)議傳輸至協(xié)調器節(jié)點，將數據融合并打包傳輸到監(jiān)控中心來完成數據的采集、處理和傳輸。中央監(jiān)控服務器對接收到的數據結合氣象信息進行分析，并與專家決策系統(tǒng)信息按照一定算法（模糊控制得出決策信息，來控制電磁閥的開關。管理員可以采用PC機作為客戶端來進行用戶管理、信息查看和控制灌溉；通過登錄權限設置，用戶也可以通過PC機或手機來登錄終端監(jiān)控系統(tǒng)，查看耕地的土壤墑情、灌水量及水費剩余等信息。

設計的智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)具有以下主要功能：（1精準灌溉，上傳到服務器端的數據經過解析存儲到數據庫，通過專家系統(tǒng)利用模糊算法處理數據并結合作物在各個生長時期的不同需求，得出最佳的灌水時間和灌水量，以確保作物始終處于最優(yōu)的生長環(huán)境，進而來保證作物的品質和產量。（2遠程管理，系統(tǒng)管理員和用戶可通過聯(lián)網以Web形式訪問監(jiān)控中心，來進行管理。（3移動控制，持有手機移動終端的用戶可通過開通GPRS業(yè)務來查看所屬農田的信息、灌水量信息等，若遇特殊情況需要灌溉而系統(tǒng)不予灌溉時，用戶可通過手機終端界面來控制閥門，實施灌溉。（4智能施肥，通過對灌溉管道中灌溉肥水pH值、EC值的檢測，結合專家系統(tǒng)設定的適合各個作物生長時期的pH值和EC值，來控制施肥管道的開度以達到調整肥水的pH值、EC值的目的。

2無線傳感器網絡的設計

傳統(tǒng)的無線傳感器網絡組網方案是將節(jié)點隨機的放置在需要進行監(jiān)控的地點，各個節(jié)點對自己的覆蓋區(qū)域進行數據采集，然后向匯聚節(jié)點進行數據傳送，離匯聚節(jié)點近的節(jié)點因數據采集和轉發(fā)的任務最重，能量消耗也最大。鑒于灌溉區(qū)域環(huán)境的面積廣闊，土壤條件差異大特點，設計了基于分簇結構的兩層無線傳感器網絡構成。無線傳感器網絡包括協(xié)調器節(jié)點和終端節(jié)點，利用基于igBee技術的協(xié)調器節(jié)點實現農田近距離數據采集傳輸，通過終端節(jié)點的GPRS模塊實現數據的遠程傳輸。適用于無線控制和自動化應用的較低速率的IEEE 802153技術，即igBee技術，每個igBee網絡最多可以設置254個從設備和一個主設備，節(jié)點間的距離可從標準的75 m，到擴展后的幾百米，甚至幾千米[5]。

21igBee節(jié)點硬件設計

igBee終端節(jié)點是無線傳感器網絡的基本單元，由數據采集模塊、信息處理模塊、射頻天線和電源模塊4部分組成（圖2。根據系統(tǒng)需求設計數據采集模塊由溫濕度傳感器、降雨量傳感器等組成。采用翻斗式雨量傳感器來測量降水量、降水強度和降水起止時間，并將脈沖信號傳輸到采集系統(tǒng)；信息處理模塊采用CC2430芯片，能滿足以igBee為基礎的24 GHz ISM波段應用對低成本，低功耗的要求。在單個芯片上整合了igBee射頻（RF前端、內存和微控制器， 結合[FL]

[F（W23][TPWFP1tif][F]

[FL（22]一個高性能24 GHz DSSS射頻收發(fā)器核心和一個小巧高效的8051控制器，CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。電源模塊采用高能大容量的堿性電池來提供電能[6]。

[F（W9][TPWFP2tif][F]

22GPRS協(xié)調器節(jié)點設計

igBee網絡面向的是短距離通信，GPRS面向的是遠距離通信，傳輸距離遠且數據可靠，兩者優(yōu)勢互補，可以實現大范圍的農田數據監(jiān)測。協(xié)調器節(jié)點主要負責igBee網絡與GPRS網絡的雙向數據傳輸，實際是一個基于igBee協(xié)議和GPRS協(xié)議的轉換網關（網關節(jié)點。本系統(tǒng)采用華為的GTM900無線模塊實現無線發(fā)送、接受和數據處理等功能，支持EGSM900/GSM1800頻段，內嵌TCP/IP協(xié)議，使用AT指令集，通過UART接口與外部CPU進行串口通信。GTM900模塊與數據處理模塊存儲CC2430芯片通過RS232接口連接，完成GPRS網絡的鏈接、數據的接受和發(fā)送等。

傳輸到GPRS模塊的數據經過內置的嵌入式處理器進行處理和協(xié)議封裝后發(fā)送到GPRS網上，由于GPRS網與互聯(lián)網都是基于IP協(xié)議且是互相連接的[7]，所以只要灌溉監(jiān)控中心通過任意方式聯(lián)網就能通過GPRS網絡接收監(jiān)測數據，并將數據信息保存到監(jiān)控服務器的數據庫中。同時，監(jiān)控中心中由專家系統(tǒng)得出的決策信息經過Internet和GPRS網絡發(fā)送到GPRS模塊中，再由GPRS模塊傳送至閥門控制器來控制遠端灌溉系統(tǒng)的運行。GPRS上電復位后，首先要對模塊進行初始化設置，如工作模式、接入網關、協(xié)議類型、通信波特率等，初始化設置后就可以發(fā)送撥號命令進行GPRS網絡連接，GPRS模塊初始化如下：（1設置通訊波特率，使用“AT+IPR=115200”命令設置波特率為115 200 bps；（2設置接入[JP2]網關，使用“AT+CGDCONT=1，”IP“，”CMNET命令設置為移動夢網的接入網關；（3測試是否開通，使用“AT+CGACT=1”命令，激活GPRS功能。如果返回O，可GPRS連接成功；如果返回ERROR，則表示GPRS連接失敗；（4與監(jiān)控中心建立TCP連接；使用“AT+CIPSTART=”TCP“，”1721855107“，”2020”命令建立TCP連接，其中“2020”為接入端口號；（5設置移動終端的類別，使用“AT+CGCLASS=B”命令設置移動終端的類別為B類，在同一時間只能運行一種業(yè)務，GPRS或GSM。

3中央監(jiān)控服務器設計

中央監(jiān)控服務器是整個系統(tǒng)信息管理和監(jiān)控中心，是數據處理的重要環(huán)節(jié)，能夠為管理者提供充足的信息和快捷的查詢手段，大大方便管理者的管理。服務器端監(jiān)控軟件采用Java語言來實現，實現數據的實時顯示。采用SQL Server 2000數據庫來存儲灌溉現場采集的信息及水費管理信息，數據庫存儲使數據的存儲結構化，不僅增加了存儲的效率，還使數據查詢更加高效。

31中央監(jiān)控服務器的功能

建立的友好的人機交互平臺，可以實現監(jiān)管中心與底層傳感器和閥門控制器的通信、數據傳輸及監(jiān)控功能。利用GSM的SMS短消息業(yè)務實現向用戶發(fā)送灌溉控制信息；同時，用戶可向監(jiān)管中心發(fā)送強制灌溉控制指令和土壤墑情數據提取指令，完成對灌溉的遠程監(jiān)控[8-9]；其智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)結構框圖如圖3。[FL]

[F（W16][TPWFP3tif][F]

[FL（22]32專家系統(tǒng)

灌溉專家決策系統(tǒng)采用模糊控制技術實現，設計了一個雙輸入-單輸出的二位節(jié)水灌溉控制器?？刂破鞯妮斎肓繛樵O定值與實際測量計算得到的差值（E，及其變化率（EC，輸出量為灌溉時間（U，并分別定義了7個語言變量，即NB、NM、NS、0、PS、PM、PB，采用簡單的三角形隸屬函數，選用的模糊推理條件語句為“if A and B then C”。根據作物不同生長階段的不同需求得出各階段的模糊控制表，查詢該表便可得到輸出量的量化等級，對輸出量去模糊化，即乘以比例因子，便可以得到灌溉時間。模糊控制系統(tǒng)結構示意圖如圖4所示。[FL]

[F（W10][TPWFP4tif][F]

[FL（22]4結論

本研究設計了一種基于igBee和GPRS技術的智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)，具體研究了利用無線傳感器網絡實現農田信息的采集和智能節(jié)水灌溉的控制，設計了無線傳感器網絡和智能灌溉系統(tǒng)的具體實現方案。igBee技術不但具有低成本、低功耗的特點，而且避免了灌溉現場布線帶來的各種問題。并且利用Internet使用戶通過計算機訪問中央監(jiān)控服務器，或通過手機利用用戶名登陸，隨時隨地查看農田信息及水費使用情況等，該智能灌溉系統(tǒng)可以實現節(jié)水灌溉，并有效改善農業(yè)生產及管理模式。

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