劉長(zhǎng)亮，李永武，蔣新啟，申兆亮，魏志明

（山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南 250100）

發(fā)展精細(xì)化、智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)，對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉進(jìn)行科學(xué)合理管理，既能節(jié)省人力物力，又可提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，是應(yīng)對(duì)水資源短缺和推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必然選擇。微灌技術(shù)作為一種先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)，具有節(jié)水、低能耗、省工增效等諸多優(yōu)點(diǎn)。大力發(fā)展溫室微灌監(jiān)控系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)和巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)溫室節(jié)水灌溉系統(tǒng)研究逐漸增多，但真正推廣的產(chǎn)品甚少，主因在于使用不便、安裝調(diào)試工作量大、維護(hù)困難且價(jià)格偏高，很難進(jìn)行大規(guī)模普及。針對(duì)這些制約因素，研發(fā)成本低廉、操作簡(jiǎn)單、性能可靠、堅(jiān)固耐用的溫室微灌監(jiān)控系統(tǒng)成為我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)的一個(gè)關(guān)鍵任務(wù)。在實(shí)現(xiàn)ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)無(wú)縫對(duì)接的基礎(chǔ)上，研制一種低成本的無(wú)線溫室微灌監(jiān)控系統(tǒng)，以期達(dá)到適用性強(qiáng)、成本低、易普及的效果。

1 無(wú)線溫室微灌監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 溫室微灌結(jié)構(gòu)

所研發(fā)的溫室微灌系統(tǒng)主要在農(nóng)戶棚室中使用，用于栽培經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高的作物?？煽販厥业墓喔葴锨砂凑?qǐng)D1所示的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)建設(shè)，這種方式可有效利用溫室面積并達(dá)到高效灌溉的效果。

溫室微灌系統(tǒng)可采用滴灌方式。作為微灌的一種，滴灌是一種針對(duì)作物根部或葉面的局部灌溉方式，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)影響較小，水分蒸發(fā)與作物蒸騰量較少，灌水利用率可達(dá)85%～95%。滴灌所用設(shè)備包括毛管、支管和干管。水從干管流向支管，通過(guò)支管流向毛管，再經(jīng)過(guò)毛管均勻流向作物。連接支管和干管的關(guān)鍵部件是電磁閥，通過(guò)控制電磁閥的開(kāi)合，即可使水流向作物或終止供水。溫室區(qū)域面積和支管個(gè)數(shù)決定著電磁閥的個(gè)數(shù)，從而確定控制電路的設(shè)計(jì)思路。

圖1 溫室微灌系統(tǒng)示意圖Figure 1 Schematic diagram of micro-irrigation system in greenhouse

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

溫室監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)高性能傳感器采集土壤濕度、空氣溫濕度、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，可科學(xué)準(zhǔn)確地計(jì)算出作物供水量，進(jìn)而達(dá)到節(jié)水灌溉的目的。

按照網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，溫室監(jiān)控系統(tǒng)可分為現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、本地監(jiān)控中心和遠(yuǎn)程管理中心三層（如圖2所示），主要有以下預(yù)期功能：

圖2 溫室微灌監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Figure 2 Structure diagram of micro-irrigation monitoring system in greenhouse

1）數(shù)據(jù)采集功能：可采集來(lái)自溫度傳感器、濕度傳感器、光照傳感器、土壤濕度傳感器等模擬量或數(shù)字量信號(hào)。

2）控制功能：具有自動(dòng)控制、定時(shí)控制、循環(huán)控制、手動(dòng)控制、短信控制等功能，用戶可以根據(jù)需要靈活選用控制方式。

3）自動(dòng)控制：匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)傳感器檢測(cè)的溫度、濕度和光照計(jì)算灌水量，將土壤濕度值與設(shè)定值比較，越限則自動(dòng)啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的電磁閥進(jìn)行灌溉操作，達(dá)到灌水量后停止灌溉。

4）定時(shí)控制：用戶可對(duì)每個(gè)電磁閥分別設(shè)定起、停時(shí)間，每個(gè)電磁閥最多設(shè)置4個(gè)時(shí)間段，還可設(shè)置間隔天數(shù)。天數(shù)設(shè)為0表示每天，1表示間隔一天，依次類推。

5）循環(huán)控制：用戶可對(duì)每個(gè)電磁閥分別設(shè)定起始時(shí)間和灌溉周期，控制器按設(shè)定好的時(shí)間自動(dòng)循環(huán)灌溉。

6）手動(dòng)控制：用戶可對(duì)任意電磁閥進(jìn)行手動(dòng)起、停。

7）短信控制：用戶可在任意有手機(jī)信號(hào)的地方發(fā)布控制命令，對(duì)電磁閥進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。

2 現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)

現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)主要包括匯聚節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)三部分。端節(jié)點(diǎn)分為數(shù)據(jù)采集器和無(wú)線執(zhí)行器，共同組成星形監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)采集器將環(huán)境參數(shù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示，并對(duì)其分析做出控制決定，然后將控制命令發(fā)給無(wú)線執(zhí)行器，無(wú)線執(zhí)行器接收到控制命令后驅(qū)動(dòng)水泵、電磁閥的開(kāi)關(guān)；匯聚節(jié)點(diǎn)連接GPRS模塊，負(fù)責(zé)與用戶進(jìn)行短信互動(dòng)，使用戶在任意時(shí)間、任意地點(diǎn)均可了解溫室現(xiàn)場(chǎng)的情況并對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。短信控制相比電腦操作更適于農(nóng)民使用。

2.1 控制器選擇

組成現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)三部分的控制器均采用英國(guó)JENNIC公司生產(chǎn)的JN5139R1模塊。該模塊具有以下功能：一是集成了2.4G射頻（免費(fèi)頻段）收發(fā)模塊；二是支持晶振休眠和系統(tǒng)節(jié)能功能；三是內(nèi)置硬件MAC地址和高度安全AES加密算法加速器；四是支持連續(xù)模擬和數(shù)字外設(shè)；五是技術(shù)資料齊全；六是開(kāi)發(fā)工具簡(jiǎn)單易用。其引腳排列圖和內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 JN5139R1系列模塊引腳排列圖Figure 3 JN5139R1 series module pin arrangement diagram

圖4 JN5139R1微控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Figure 4 Schematic diagram of internal structure of JN5139R1microcontroller

2.2 匯聚節(jié)點(diǎn)

匯聚節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)組建ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，允許路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的加入和退出，接受來(lái)自數(shù)據(jù)采集器的環(huán)境信息并加以分析、顯示，發(fā)送控制命令給無(wú)線執(zhí)行器。同時(shí)，增加GPRS模塊，用以負(fù)責(zé)與用戶短信互動(dòng)。

2.2.1 硬件結(jié)構(gòu)和軟件流程 匯聚節(jié)點(diǎn)以 JN5139R1無(wú)線微控制器模塊為核心，GPRS模塊采用SIMCOM公司的SIM300。根據(jù)功能需求，擴(kuò)展硬件通訊接口，增添RS232接口，方便與GPRS模塊直接相連，硬件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)匯聚節(jié)點(diǎn)主程序，流程圖如圖6所示。

圖5 匯聚節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖Figure 5 Structural diagram of hardware of aggregation node

圖6 匯聚節(jié)點(diǎn)主程序流程圖Figure 6 Main program flow chart of aggregation node

2.2.2 人機(jī)交互界面 匯聚節(jié)點(diǎn)擬配備128＊64點(diǎn)陣液晶屏，支持中英文兩種顯示方式，可實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)采集的各種數(shù)據(jù)。但JN5139R1模塊原配備的液晶是美國(guó)BATRON公司生產(chǎn)的黑白屏液晶，其型號(hào)為BTHQ128064AVC1-STF-06-LED02YG-COG，考慮到該液晶屏進(jìn)口價(jià)格太高（約800元/個(gè)），將其替換為MzL02D-12864（約50元/個(gè)）。該液晶為一塊128*64點(diǎn)陣的LCD顯示模組，模組上的LCM采用COG技術(shù)將控制（包括顯存）、驅(qū)動(dòng)器集成在LCM的玻璃上，接口簡(jiǎn)單、操作方便。3.3V的白色LED背光美觀大方?？刹捎貌⑿薪涌?800/8080時(shí)序或串行SPI的MPU接口方式。本設(shè)計(jì)采用SPI接口方式。

2.3 路由節(jié)點(diǎn)

路由節(jié)點(diǎn)以JN5139R1無(wú)線微控制器模塊為核心，無(wú)需進(jìn)行硬件拓展。路由節(jié)點(diǎn)用來(lái)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，實(shí)現(xiàn)多跳網(wǎng)絡(luò)。上電后首先進(jìn)行相應(yīng)的初始化操作，然后節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)。加入網(wǎng)絡(luò)后將獲得一個(gè)網(wǎng)絡(luò)短地址，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)即可。

2.4 終端節(jié)點(diǎn)

2.4.1 數(shù)據(jù)采集器 數(shù)據(jù)采集器作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)，為上層的匯聚節(jié)點(diǎn)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。它以JN5139R1無(wú)線微控制器模塊為核心，擴(kuò)展了通信接口、總線接口、傳感器接口和供電接口設(shè)計(jì)。將不同傳感器分別連接到數(shù)據(jù)采集器的傳感器接口，經(jīng)信號(hào)調(diào)理后接入JN5139R1的A/D通道，通過(guò)標(biāo)定曲線轉(zhuǎn)換得到對(duì)應(yīng)的測(cè)量參數(shù)值，結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖7。主要包括空氣溫濕度傳感器、光照傳感器和土壤濕度傳感器。

空氣溫濕度傳感器采用了瑞士Sensirion公司的產(chǎn)品SHT11，這是一款低功耗的數(shù)字傳感器，外形圖如圖8，其他性能參數(shù)見(jiàn)表1。

圖7 數(shù)據(jù)采集器結(jié)構(gòu)圖Figure 7 Structural diagram of data collector

圖8 SHT11引腳及外形圖Figure 8 SHT11 pin and outline drawing

表1 SHT11的性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of SHT11

光照傳感器選用美國(guó)TAOS公司的TSL2550D，如圖9所示。它是一款采用兩線制串行接線方式的數(shù)字傳感器，其工作電壓為 2.7～5.5V，功耗低典型值是1mW。

圖9 TSL2550D引腳及外形示意圖Figure 9 Schematic diagram of TSL2550D pin and configuration

土壤濕度傳感器采用的是TDR-3土壤水分傳感器，其特點(diǎn)包括：價(jià)格低；支撐材料為環(huán)氧樹(shù)脂，強(qiáng)度高，不容易受腐蝕，使用壽命長(zhǎng)；穩(wěn)定性高，土質(zhì)影響小，大部分地區(qū)均可使用；安裝維護(hù)操作簡(jiǎn)便；抗干擾性強(qiáng)，傳送距離遠(yuǎn)，測(cè)量精度高，相應(yīng)速度快。外形如圖10。

圖10 土壤濕度傳感器外形圖Figure 10 Outside drawing of soil moisture sensor

傳感器選定后可以得出無(wú)線執(zhí)行器硬件結(jié)構(gòu)框圖，見(jiàn)圖11。

圖11 無(wú)線執(zhí)行器硬件結(jié)構(gòu)框圖Figure 11 Hardware structural diagram of wireless actuator

3 GPRS串口數(shù)據(jù)收發(fā)

本系統(tǒng)所采用的GPRS模塊是SIMCOM公司生產(chǎn)的SIM300，可在全球范圍 EGSM9000MHz、DCS1800MHz、PCS1900MHz頻率下工作，能夠提供GPRS多信道類型多達(dá)10個(gè)且支持4種編碼方式，具有結(jié)構(gòu)小巧、功耗低、擴(kuò)展TCP/IP AT指令及單電壓供電等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足系統(tǒng)對(duì)外形、功能、功耗、供電等各方面的要求。

3.1 GPRS模塊應(yīng)用方式選擇

GPRS模塊的常見(jiàn)應(yīng)用方式是利用GPRS模塊進(jìn)行短信收發(fā)和實(shí)現(xiàn)微處理器無(wú)線上網(wǎng)。由于這個(gè)系統(tǒng)利用GPRS所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不是很大且主要應(yīng)用對(duì)象為農(nóng)民，故采用SMS短信息進(jìn)行通訊較為方便。SMS短信息收發(fā)模式包括Block模式、基于AT命令的Text模式和PDU模式。

3.2 硬件構(gòu)成方式

串口通信模式是匯聚節(jié)點(diǎn)的重要組成部分，它既是通過(guò)計(jì)算機(jī)向JN5139R1模塊下載應(yīng)用程序及在線調(diào)試的接口，又是連接GPRS模塊的接口。JN5139R1模塊有UART0和UART1兩個(gè)串口，本設(shè)計(jì)采用UART0接口。

3.3 軟件實(shí)現(xiàn)流程

以基于AT命令的TEXT模式為例，描述GPRS模塊SIM300短信收發(fā)過(guò)程。

1）發(fā)送短信息：首先通過(guò)串口向SIM300模塊發(fā)送一條 AT 指令“AT+CMGF＝1”，若模塊返回“OK”，表示JN5139R1模塊與SIM300的硬件連接成功。然后發(fā)送一條 AT 指令 “AT+CMGS＝’+8613*******’＜回車＞”，輸入短信息內(nèi)容，以Ctrl+Z結(jié)束并發(fā)送。

2）讀取所有信息：先向SIM300模塊發(fā)送一條AT指令，若模塊返回“OK”，表示JN5139R1模塊與SIM300 的硬件連接成功。 再發(fā)送“at+cmgl＝‘a(chǎn)ll’”，讀取所有短信息，成功返回OK，否則ERROR。

4 系統(tǒng)分析

4.1 成本分析

JN5139R1系列模塊的芯片價(jià)格為160元，加上外圍器件的價(jià)格，終端節(jié)點(diǎn)核心裸板的價(jià)格大約在230元左右。匯聚節(jié)點(diǎn)增加液晶屏幕45元和GPRS模塊300元。本系統(tǒng)用到的各設(shè)備成本見(jiàn)表2。

表2 溫室微灌監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備成本估算Table 2 Estimation of equipment cost of micro-irrigation monitoring system in greenhouse

每個(gè)溫室的大小不同，需配備的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)也不同。最小系統(tǒng)需要配備每種類型的節(jié)點(diǎn)各1個(gè)，成本最低達(dá)1 000元，能滿足農(nóng)民用戶對(duì)低成本的要求。

4.2 系統(tǒng)可靠性

為了提高系統(tǒng)的可靠性，匯聚節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)采取間接傳輸方式。采用這種方式獲得數(shù)據(jù)必須先發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)判斷有需要發(fā)送給該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)再發(fā)送，接到數(shù)據(jù)后終端節(jié)點(diǎn)可發(fā)送確認(rèn)信息，這樣可保障數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，且終端節(jié)點(diǎn)大部分共組狀態(tài)均處于休眠狀態(tài)，節(jié)省能耗。

將系統(tǒng)進(jìn)行集成模塊化處理并實(shí)地測(cè)試，結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠基本實(shí)現(xiàn)精確、自動(dòng)灌溉，運(yùn)行狀況良好，為進(jìn)一步研究推廣奠定了基礎(chǔ)。

［1］王智乾.基于PLC的溫室模糊灌溉控制系統(tǒng)研究［D］.昆明理工大學(xué)，2012.

［2］李天來(lái).全國(guó)設(shè)施蔬菜重點(diǎn)區(qū)域發(fā)展規(guī)劃及北方寒區(qū)設(shè)施蔬菜生產(chǎn)基地的地位［R］.遼寧：朝陽(yáng)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展高峰論壇，2012.

［3］陳輝.基于ZigBee與GPRS的溫室番茄遠(yuǎn)程智能灌溉系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［D］.浙江大學(xué)，2013.

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