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1系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

系統(tǒng)由上位機和下位機組成。其中，上位機安裝了組態(tài)軟件服務(wù)器，負責接收發(fā)回來的數(shù)據(jù)和發(fā)送相應(yīng)的命令;下位機由網(wǎng)關(guān)和節(jié)點組成。其中，節(jié)點是由電源模塊、ZigBee模塊、傳感器、太陽能板、電磁閥等部分組成。在稻田池塊處放置節(jié)點，根據(jù)水稻生長時期和土壤狀況確定傳感器埋設(shè)深度，實時監(jiān)測池塊變化。設(shè)計時，在池塊中布置8個節(jié)點，網(wǎng)關(guān)與節(jié)點中采用ZigBee樹狀網(wǎng)絡(luò)通訊，網(wǎng)關(guān)與上位機采用GPRS通訊，系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)和節(jié)點都通過太陽能板供電。節(jié)點實時采集傳感器的數(shù)值，經(jīng)ZigBee傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，數(shù)據(jù)實時顯示在組態(tài)屏上，網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)融合后由GPRS傳送到上位機。上位機軟件接收并處理數(shù)據(jù)，根據(jù)相應(yīng)的預設(shè)參數(shù)和采集回來的參數(shù)，會自動控制電磁閥啟停功能。同時，網(wǎng)關(guān)還可以監(jiān)測電池電量的參數(shù)，并傳送至上位機。

2系統(tǒng)設(shè)計

2．1網(wǎng)關(guān)控制芯片的設(shè)計

STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍;內(nèi)部集成了MAX810專用復位電路、2路PWM、8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/s)，針對電機控制，適用于強干擾場合。

2．2節(jié)點驅(qū)動電路的設(shè)計

采用驅(qū)動繼電器控制電磁閥的方式。為了提高系統(tǒng)的可靠性，采用5V繼電器。繼電器使用ULN2803驅(qū)動，ULN2803使用5V供電，STV12C5A60S2的輸出信號經(jīng)74HC14傳輸?shù)経LN2803。

2．3傳感器的選擇

傳感器測量部分包括土壤水分、池塊溫度和池塊水位。各部分的選型如下:1)測量池塊溫度。選用DSl8B20溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻不同，其可直接將被測溫度轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字信號，供單片機處理。測量溫度范圍為－55～+125°C，在－10～+85°C范圍內(nèi)精度為±0．5°C，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。2)測量池塊水位。選用GB2100A液位傳感器，供電范圍5～12V，具有信號隔離放大、截頻干擾設(shè)計及抗干擾能力強等特點。根據(jù)寒地水稻控制灌溉技術(shù)規(guī)范，水稻生育轉(zhuǎn)換期要提前曬田，并在生育期轉(zhuǎn)換問題上提出“時到不等苗苗到不等時”的調(diào)控方法。“時到不等苗”，即不管水稻處于哪個生育期(分蘗末期除外)，土壤水分到了土壤控制下限則灌水至上限，土壤水分未達到控制下限，不需要灌水;“苗到不等時”即水稻生長發(fā)育到分蘗末期，不管土壤水分是否控制到下限，都要及時排水曬田。過了分蘗末期，到了拔節(jié)孕穗期，(需水敏感期)則必須灌水至土壤水分上限。因此，采用HS－102STR土壤水分傳感器，它是一款基于頻域反射原理，利用高頻電子技術(shù)制造的高精度、高靈敏度的測量土壤水分的傳感器，通過測量土壤的介電常數(shù)，能直接穩(wěn)定地反映各種土壤的真實水分含量。

2．4ZigBee網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計

ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用TI公司最新一代ZigBeeSOC芯片，芯片供電電壓為3．3V，內(nèi)部已集成了一個8051微處理器與高性能的RF收發(fā)器。該芯片在無外加功放情況下通信距離可以達到1600m。采用TI公司的ZigBee2007/PRO協(xié)議棧作為開發(fā)背景，在IAREmbeddedWorkbench環(huán)境下開發(fā)。啟動網(wǎng)關(guān)后允許采集節(jié)點與其連接，接收節(jié)點的數(shù)據(jù)信息;然后，數(shù)據(jù)通過ZigBee傳送至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)將其打包成規(guī)定的數(shù)據(jù)幀格式，經(jīng)由GPRS傳送至上位機。

2．5通訊協(xié)議

在網(wǎng)關(guān)與上位機之間通過GPRS通訊，設(shè)計的數(shù)據(jù)格式參考了常見的Modbus－RTU協(xié)議的格式，由設(shè)備地址、功能碼、數(shù)據(jù)、結(jié)束符組成。采用求和校驗方式，即將功能碼和數(shù)據(jù)位的5個字節(jié)數(shù)據(jù)(BIT2－BIT6)相加求和，取低16位寫入校驗位。設(shè)備地址為設(shè)定的網(wǎng)關(guān)地址，在本設(shè)計中定義為4A01，功能碼用于區(qū)分實現(xiàn)不同的功能，包括繼電器控制、讀取采集節(jié)點數(shù)值、讀取電池電量等。其中，功能碼4B1x用于實現(xiàn)繼電器控制，數(shù)據(jù)位000000表示繼電器閉合，F(xiàn)FFFFF表示繼電器斷開;讀取電池電量檢測功能碼531x，即數(shù)據(jù)位000000表示電量低，F(xiàn)FFFFF表示電量高;采集傳感器數(shù)據(jù)功能碼73xx，即功能碼7311代表1號節(jié)點的1號溫度傳感器。例如，上位機發(fā)送:4A014B110000005C0D0A，即表示發(fā)送繼電器1閉合命令。

2．6節(jié)點供電電路的設(shè)計

對于分散在池塊的采集節(jié)點，由于距離控制室較遠，因此供電采用太陽能電池板與鉛蓄電池相結(jié)合的方式。在陽光良好、太陽能電池板輸出充足的時候，采用太陽能電池板供電，同時對鉛蓄電池進行浮充;當太陽能電池板輸出不足或者出現(xiàn)故障時，切換到鉛蓄電池端，利用電池進行供電。在系統(tǒng)的設(shè)計上，采用一只1N5819二極管作為太陽能電池板與鉛蓄電池的切換開關(guān):當太陽能電池板輸出充足時，則太陽能電池板具有優(yōu)先權(quán);當太陽能電池板輸出不足不能為系統(tǒng)正常供電時，則二極管導通，采用鉛蓄電池供電，以保證系統(tǒng)能夠連續(xù)工作。

2．7系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要是靠對單片機編程實現(xiàn)。其中，對上位機無線通信時，響應(yīng)幀在上位機鏈接單元中自動生成，在單片機中無需用戶再編寫通信程序。因此，單片機編程主要解決的是現(xiàn)場電磁閥的開啟和關(guān)閉控制、模擬量的數(shù)據(jù)的采集和處理，同時也可接收上位機發(fā)送的控制指令完成相應(yīng)的控制操作。系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)可以讓操作員位于監(jiān)控中心的計算機終端，進行遠程手動、半自動和全自動控制，各項操作無需人進行，節(jié)省了人力資源，操作的準確性、連貫性比以往得到顯著提高，從而大幅度提高了生產(chǎn)效率。

2．8上位機組態(tài)程序設(shè)計

MCGS是北京昆侖通態(tài)自動化軟件科技有限公司研發(fā)的一套基于Windows平臺的、用于快速構(gòu)造和生成上位機監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)。該產(chǎn)品以搭建戰(zhàn)略性工業(yè)應(yīng)用服務(wù)平臺為目標，可以為企業(yè)提供一個對整個生產(chǎn)流程進行數(shù)據(jù)匯總、分析及管理的有效平臺，使企業(yè)能夠及時有效地獲取信息，及時地做出反應(yīng)，以獲得最優(yōu)化的結(jié)果。MCGS軟件具有網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集和處理、趨勢曲線、報表輸出、動畫顯示等功能，同時支持多種GPRS模塊，能夠在灌溉遠程控制中發(fā)揮其優(yōu)越性。

3安裝調(diào)試

本研究選用方正研究院的試驗地塊，地勢較平坦，選取8個下位機基站對水稻內(nèi)環(huán)境進行監(jiān)測，檢驗系統(tǒng)的各項性能指標。節(jié)點無線通訊模塊的天線高度為1．5m，與上位機間距分別為45～55m，每個工作節(jié)點下設(shè)1個溫度傳感器、1個液位傳感器和1個土壤水分傳感器，分別監(jiān)測池塊的溫度、水位和土壤水分。

4結(jié)果與分析

對系統(tǒng)進行連續(xù)7天試驗，運行狀況良好，當時為水稻分蘗前期。

5結(jié)論

自動灌溉系統(tǒng)通過無線數(shù)據(jù)傳輸對農(nóng)田灌溉中的主要參數(shù)進行實時采集，與事先設(shè)定的水位上下限進行比較，實現(xiàn)自動灌溉。本文結(jié)合單片機、ZigBee等技術(shù)設(shè)計的遠程灌溉監(jiān)控系統(tǒng)可實時精確地自動灌溉和監(jiān)控，在保證作物用水的同時有效防止了水資源的浪費，減少了人力資源使用，能夠滿足灌溉自動化的需求，對于精準農(nóng)業(yè)的發(fā)展有重要的意義。

作者：李野 董守田 黃丹丹 單位：東北農(nóng)業(yè)大學電氣與信息學院