基於ZigBee的溫室自動灌溉系統的製作方法
2023-09-12 23:59:45 1
專利名稱：基於ZigBee的溫室自動灌溉系統的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於溫室大棚內土壤水分補給控制技術領域，涉及一種基於ZigBee的溫室自動灌概系統。
背景技術：
溫室大棚已經突破了農作物種植受地域、氣候等因素的限制，提高了農產品附加值，成為我國農民冬季增加收入的一項重要手段。溫室大棚環境中的土壤溼度和營養程度主要靠灌溉來控制，科學的灌溉與合理調節棚內土壤溼度是保證作物優質高產的重要措施。然而我國目前大部分溫室大棚主要使用傳統粗放無控灌水方式，澆水不及時、不均勻、灌水不足或過量灌水現象時有發生，水資源利用效率低，短缺與浪費現象並存，並且很難保證及時、準確地調節土壤溼度。在現有灌溉技術基礎上，以作物實際需水為依據，應用先進的智能自動化控制技術實施精確灌溉，能夠顯著提高灌溉精準度，便於實施合理的灌溉制·度，提高水的利用率，同時能夠減少灌溉用工，降低管理成本，顯著提高效益。近些年來，國內外許多學者對溫室自動灌溉進行了大量研究，取得了一些成果，其中比較典型的成果有程文鋒的基於PLC的自動噴灌器、任文濤的溫室節點式滲灌自動控制系統、袁巧霞的溫室集雨灌溉系統等。很多研究成果已經在一些商業果園和高檔溫室的灌溉管理系統中加以應用，然而從應用現狀來看，現有溫室灌溉系統還存在明顯不足I)在實際的農業生產應用時，需要密布傳感器節點，才能實現對監測區域的有效覆蓋，這將導致農業設施內部線纜縱橫交錯，系統安裝及維護成本急劇增加；2)溫室大棚布線條件不好，設備工作在有線方式，部署複雜，且不便於大棚作業；3)設備工作環境條件惡劣，設備處於溫室內高溫、潮溼的環境，極容易導致通信電纜的老化，從而降低系統的可靠性；4)設備使用者多為農民，一般不具備維護和維修能力。以上因素極大地限制了這些研究成果在生產實際中的推廣應用。
發明內容為了克服上述現有技術的不足，本實用新型的目的在於提供一種基於ZigBee的溫室自動灌溉系統，將ZigBee技術應用於溫室灌溉系統，克服了傳統灌溉系統的不足，具有設備成本低、可維護性高、可靠性好等獨特的優勢，並能通過軟體處理給用戶提供預警支持，從而減少農民勞作強度，增加產量，能夠滿足我國智能節水灌溉發展的迫切需要。為了實現上述目的，本實用新型採用的技術方案是基於ZigBee的溫室自動灌溉系統，包括多個用以採集土壤溼度數據的檢測模塊，所述檢測模塊上設置無線通信模塊，檢測模塊與協調器之間通過ZigBee網絡通信，協調器還通過ZigBee網絡與驅動灌溉設備的控制模塊通信，控制模塊上也設置無線通信模塊，協調器接收檢測模塊採集數據並通過多跳方式與管理平臺通信，管理平臺通過GPRS或者Internet與遠程監控中心的伺服器通信連接，管理平臺與手機之間通過GSM網絡通信並接受手機發出的指令。[0007]所述檢測模塊包括土壤水分傳感器，其上設置的無線通信模塊採用微處理器CC2430，土壤水分傳感器的數據輸出埠接微處理器CC2430的數據輸入埠。所述控制模塊包括一個24VDC電磁閥，其上設置的無線通信模塊採用微處理器CC2430,電磁閥通過驅動電路接微處理器CC2430的控制端。所述管理平臺以接有通信模塊的處理器S3C2410為核心。與現有技術相比，本實用新型能夠實現現場實時監測、遠程監控報警、灌溉閾值設置靈活以及休眠等功能，並為用戶提供直觀的系統管理平臺來完成節點管理和數據處理功能。設備使用證明其具有良好的穩定性，並能滿足不同作物不同時期灌溉的需要。同時具有系統誤差低、響應速度快、部署靈活、成本低廉、維護簡單等特點。該設備的研製和使用為建立大型遠程智能灌溉系統提供經驗和技術支持。
·[0011]圖I為本實用新型系統示意圖。圖2為本實用新型微處理器CC2430硬體電路。圖3為本實用新型控制模塊硬體電路圖。圖4為本實用新型管理平臺硬體結構圖。圖5為本實用新型工作流程圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型做進一步詳細說明。如圖I所示，本實用新型為基於ZigBee的溫室自動灌溉系統，包括多個用以採集土壤溼度數據的檢測模塊、驅動灌溉設備的控制模塊、協調器、管理平臺以及遠程監控中心，其中檢測模塊、控制模塊和協調器上均設置有無線通信模塊CC2430，檢測模塊與協調器之間、控制模塊與協調器之間均是通過ZigBee網絡進行通信，為保證通信，還設置有路由節點。協調器將採集的數據通過多跳的方式匯聚到管理平臺。管理平臺收到所有節點周期性匯聚的土壤溼度數據後採用SQLite資料庫對採集的數據進行存儲、查詢等管理，並可以通過GPRS或Internet網絡將監測數據發送到遠程監控中心的伺服器上，使得用戶可以隨時通過Internet登錄到伺服器網站查閱或分析處理數據，為多個灌溉區域的環境信息集中管理和和綜合應用提供支持。此外，還可以對寫入資料庫的每一個土壤溼度數據進行判斷，當超過管理人員設置的閾值時，通過啟動聲光報警器、GSM簡訊等多種方式預警，並根據設計的算法將不同的控制命令發送到控制節點，由控制節點驅動相應的執行機構，完成相應的灌溉策略。如圖2所示，微處理器CC2430共有21個數字輸入/輸出引腳，可以配置為通用數字I/O 口或外設I/O信號，配置為連接到ADC，計數器或USART外設。微處理器模塊主要包括微處理器電路和調試電路。數據發送通過單極天線(ANT)來實現，非平衡變壓器及配套元件(LI、L2、L3、C6)優化了天線性能，使節點間的最遠傳輸距離可達120米。晶振XTAL2滿足組網需要，晶振XTALl用於終端節點休眠。仿真器通過JTAG接口連接CC2430內部JTAG調試模塊。埠 P2. I為調試時鐘接口，P2. 2為調試數據接口。通過該兩埠可對片上快閃記憶體編程，訪問存儲器和寄存器，並可以設置斷點、單步操作和修改寄存器。Pl 口作為數據輸出端，與IXD液晶顯示模塊相連，為節省微處理器的I/O 口，將CC2430的Pl. 3、Pl. 5、P2. O與移位寄存器74HC595相連，寄存器的輸出口與IXD數據口(DB0-DB7)連接作為數據輸入，再通過軟體模擬0CM12864-9的時序，實現實時數據的查詢與顯示。本實用新型的檢測模塊由傳感器及其接口電路組成，主要完成作物根系處土壤溼度數據採集，傳感器需具備較高的精度及較低的功耗，完成土壤溼度的準確測量。按傳感器工作特性設計外圍接口電路，通過數據線採集數據、電源線驅動傳感器。本系統所採用的土壤水分傳感器型號為FDS-100，其技術參數為工作電壓5 12V，工作電流25mA，測量精度彡3%，探針長度5. 3cm，輸出模擬信號。由於CC2430內部集成了 8通道的8 14位ADC，所以無需外置A/D轉換器，通過PO. 2 口即可實現信號的傳輸。如圖3所示，本實用新型的控制模塊主要由執行機構及其驅動電路組成。本系統的執行機構採用了 24VDC電磁閥，它按照微處理器的命令執行相應的操作。而驅動電路是連接微處理器與執行機構的橋梁，在本電路中連接了 CC2430和24V電磁閥。功率驅動部分 主要由光電耦合器TLP521和MOS功率管IRF540構成。光電耦合器TLP521由VCC33供電，主要起隔離作用，把微處理器的控制信號和電磁閥的功率信號隔離開來，提高系統抗幹擾性。TLP521的輸入為來自微處理器CC2430的小功率信號，經過隔離後把該信號輸出至MOS功率管IRF540。IRF540的作用是放大從處理器CC2430輸出的控制信號，把其變成可以驅動電磁閥的信號。IRF540是一個三弓I腳S0T78封裝晶片，是一個功率型晶片，在工作時容易發熱，在應用時要給其配上散熱片，以免長時間工作把晶片燒毀。如圖4所示，本實用新型管理平臺作為信息集中處理和無線傳感器網絡的本地化管理平臺，需要具有較強的數據處理功能、較快的處理速度和豐富的硬體外圍接口資源。管理平臺以S3C2410為核心，接有通信模塊以及必要的接口單元，按功能模塊劃分為五個部分嵌入式處理器模塊、存儲器模塊、通用外圍接口模塊、通信模塊和電源供應模塊。嵌入式處理器是整個系統的核心，用來完成所有的運算和控制工作。存儲器模塊中，SDRAM主要用作程序運行空間，Flash用來存儲嵌入式系統作業系統和應用程式和設置參數，另外還拓展了 SD卡接口用作外部存儲器。通信模塊是基地管理平臺傳輸數據的部分，實現了平臺與無線傳感器網絡內部網絡和Internet等外部網絡的通信。ZigBee協調器節點完成溫室無線傳感器網絡的數據匯聚並通過串口與基地管理平臺進行通信。GPRS模塊用來實現包括簡訊預警和數據傳輸在內的遠程通信。圖5為本實用新型系統工作流程，系統啟動時，首先進行初始化，該過程包括給各個變量賦初值和初始化中斷等。系統主程序主要實現控制算法編程，協調器、路由器、控制節點相關程序由C語言編程，主要是ZigBee協議的移植，實現控制命令的發送、接收和執行。監測模塊採集土壤溼度數據，並將這些數據發送給協調器，協調器再發送給基地管理平臺，然後與設定值進行比較，若超出閾值，給出相應的控制信號，控制信號經協調器、路由器，傳送給控制節點，驅動相關控制設備(灌溉閥門或者水泵)，從而實現對土壤溼度的自動控制。
權利要求1.基於ZigBee的溫室自動灌溉系統，包括多個用以採集土壤溼度數據的檢測模塊，其特徵在於，所述檢測模塊上設置無線通信模塊，檢測模塊與協調器之間通過ZigBee網絡通信，協調器還通過ZigBee網絡與驅動灌溉設備的控制模塊通信，控制模塊上也設置無線通信模塊，協調器接收檢測模塊採集數據並通過多跳方式與管理平臺通信，管理平臺通過GPRS或者Internet與遠程監控中心的伺服器通信連接，管理平臺與手機之間通過GSM網絡通信並接受手機發出的指令。
2.根據權利要求I所述的溫室自動灌溉系統，其特徵在於，所述檢測模塊包括土壤水分傳感器，其上設置的無線通信模塊採用微處理器CC2430，土壤水分傳感器的數據輸出埠接微處理器CC2430的數據輸入埠。
3.根據權利要求I所述的溫室自動灌溉系統，其特徵在於，所述控制模塊包括一個24VDC電磁閥，其上設置的無線通信模塊採用微處理器CC2430，電磁閥通過驅動電路接微處理器CC2430的控制端。
4.根據權利要求I所述的溫室自動灌溉系統，其特徵在於，所述管理平臺以接有通信 模塊的處理器S3C2410為核心。
專利摘要基於ZigBee的溫室自動灌溉系統，包括多個用以採集土壤溼度數據的檢測模塊，所述檢測模塊上設置無線通信模塊，檢測模塊與協調器之間通過ZigBee網絡通信，協調器還通過ZigBee網絡與驅動灌溉設備的控制模塊通信，控制模塊上也設置無線通信模塊，協調器接收檢測模塊採集數據並通過多跳方式與管理平臺通信，管理平臺通過GPRS或者Internet與遠程監控中心的伺服器通信連接，管理平臺與手機之間通過GSM網絡通信並接受手機發出的指令，本實用新型能夠實現現場實時監測、遠程監控報警、灌溉閾值設置靈活以及休眠等功能，並為用戶提供直觀的系統管理平臺來完成節點管理和數據處理功能，並能滿足不同作物不同時期灌溉的需要。
文檔編號A01G25/16GK202773601SQ2012203920
公開日2013年3月13日 申請日期2012年8月9日 優先權日2012年8月9日
發明者李皓 申請人:楊凌乾泰電子科技有限責任公司