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【技術分享】物聯網系統在農業供水中的應用設計

2019-04-30 09:15 eccn

導讀:世界各國越來越認識到水已成爲21世紀可持續發展的一個關鍵問題。

世界各國越來越認識到水已成爲21世紀可持續發展的一個關鍵問題。中國水資源已處于相當緊缺的程度,加上全國90%的廢、汙水未經處理或處理未達標就直接排放的水汙染,11%的河流水質低于農田供水標准。水是農業的命脈,是生態環境的控制性要素,同時又是戰略性的經濟資源,因此采用水泵抽取地下水灌溉農田,實現水資源合理利用,發展節水供水,改善生態環境,是我國目前精確農業的關鍵。

采用節水和節能的灌水方法是當今世界供水技術發展的總趨勢。智能供水系統在國外發達國家推廣得比較快,技術發展也比較成熟,起步也比較早,特別是以色列、美國和加拿大等國,先進的電子技術、計算機和控制技術運用到了農業供水中,大大提高了用水效率和生産力。而隨著我國經濟和科技的發展,節水供水系統發展得很快,但大多停留在單片機控制爲核心技術基礎上,與國外發達國家有一定的差距。

農田供水的任務是適時適量地將水自水源送至農田,滿足作物生長的需要。供水從天然狀態到被作物吸收最終形成産量可歸結爲以下三大環節:

(1)通過供水取、輸、配水系統將水引至田間;

(2)然後以適當的灌水技術將水變成可供作物吸收的土壤水;

(3)作物根系自土壤中吸收水分(包括養分),經過光合作用將輻射能轉化爲化學能最後形成幹物質(碳水化合物)。

前兩個環節可依靠一系列工程技術和管理措施來實現。節水供水增産的目標應是極大地提高上述兩個環節中水的轉化及産出效率。本設計論文是針對第一個環節而研究設計的。如果再根據作物農田實際情況結合滴灌、噴灑、施肥、除害等技術合理運用,我國農業的前景將非常樂觀。

2 系統工作原理與硬件結構

2.1 系統工作原理

本文研究單片機系統通過多個傳感器對濕度、溫度、降雨量、酸堿度、水分蒸發量(風速)和空氣溫度等多種信息的采集來實現對農田的精確自動灌溉控制,輸出A的信號信息通過無線全雙工數傳收發模塊傳送給控制中心(嵌入式系統)來確定是否啓動水泵爲農田供水,同時將此供水與否信息由GPRS通信通過Internet傳送到遠方控制中心實現遠程監控,並通過計算機中的一些模型來處理信息,作出供水計劃。

2.2 系統的硬件結構

該系統由兩個子系統組成,其一爲控制中心:一個控制主機和無線傳感器網絡節點組成。其二是遠程控制系統:GPRS通信模塊、Internet網絡傳輸與監控中心主機。圖1是系統的總體結構簡圖,圖中的無線通訊模塊結構完全相同。控制主機由基于MiniARM嵌入式微控制器的開發平台和無線通訊模塊組成。主機與無線傳感器網絡節點構成星型拓撲無線網絡;遠程控制系統由GPRS模塊Mini-WG23實現Internet接入(本系統可以擴展,使GPRS通信網絡成星型拓撲接入)後傳到遠程控制中心。

2.3 無線傳感器網絡硬件設計

無線傳感器網絡模型(如圖1所示)是不同于傳統無線網絡的基礎設施網,通過在監測區域內隨意布撤大量傳感器節點(簡稱節點),由各節點自行協調並迅速組建通信網絡,在能量利用率優先考慮原則下進行工作任務劃分以獲取監視區域信息。網絡的自組織特性體現在當節點失效或新節點加入時網絡能夠自適應重新組建,以調整全局的探測精度,充分發揮資源優勢,即網絡中的各節點除具備數據采集功能外兼有數據轉發實現多跳的路由功能。無線傳感器網絡馥類節點的組成一般都由數據采集、數據處理、數據傳輸和電源這四部分組成。其中每一個單片機系統的硬件設計和軟件設計都是一樣。本設計的研究設計方案是只針對一個單片機系統的。被監測物理信號的形式決定了傳感器的類型。處理器通常選用嵌入式CPU,如MOTOROLA公司的68HC16、C51系列單片機等。數據傳輸單元可以選擇由低功耗、短距離的無線通信模塊組成,但考慮防盜與自然損壞,本系統選擇功耗較大、傳輸距離較遠的SA68D21DL,農民可以在辦公室或家中安放主控制器。圖2描述了節點的組成,其中,箭頭的方向表示數據在節點中的流動方向。

2.4 無線通信模塊選擇

對于移動或便攜式數據采集測控系統而言,采用無線數據傳輸是一種較好的選擇方案。由北京捷麥通信器材有限公司生産的SA68D21DL無線數據報警收發模塊就是一款可在微機與微機之間,或微機與單片機之間進行全雙工遠距離無線通信的收發模塊。該模塊還可組成最多65535點的單發多收或多發單收形式無線局域網。其上位機硬件接線電路如圖3所示。

2.5 電源

在該系統中,SA68D21DL爲較高電壓器件,電壓要求爲6 V,爲了與之接口,AT89S51也工作在6 V(AT89C2051是寬電壓器件)電壓下。該系統用+6 V電源供電,可以通過支流穩壓電源得到,考慮幹擾與系統穩定,建議用幹電池供電。

3 主控系統

在該系統中,控制主機作爲連接Internet網和無線傳感器網絡之間的協議轉換網關。其硬件采用致遠電子公司MiniARM嵌入式工控模塊。MiniISA系列采集板卡采用智能型板卡結構,即在板卡上內置MCU。板載MCU對板卡上I/O端口進行控制,實現I/O數據的緩存,從而降低板卡對于MiniISA接口主機的依賴,節省主機處理數據的時間,保證MiniISA系統更加高效的運行。此外板載MCU可以對采集的數據或者輸出數據進行進一步的處理。系統電路圖如圖4所示。

3.1 MiniISA-8016A數字量輸入繼電器輸出板卡

MiniISA-8016A是一款用于MiniISA總線的繼電器輸出和隔離數字量輸入卡,該卡提供8路隔離數字量輸入,在噪聲環境下爲采集數字量提供1 500 VDC的隔離保護;它帶有8個繼電器,可以用作開/關控制設備或小型電力開關;此外它還帶有2個可由用戶自定義的隔離脈寬調制PWM輸出。

3.2 MiniISA-GMT05001人機界面板卡

MiniISA-GMT05001是一款基于MiniISA總線的人機界面板卡,適用于任何具有MiniISA總線主控電路的底板上。

采用5.7英寸、分辨率爲320×240的單色屏,支持觸摸屏操作功能,提供了六個按鍵輸入。通過操作MiniISA總線完成相應的顯示和按鍵功能。

3.3 MiniISA GPRS無線數傳設備MiniISA-WG23

MiniISA-WG23是基于GPRS網絡的智能型無線數傳設備(DTU),具有MiniISA並行接口,能夠方便地嵌入到用戶的設備中,提供透明的數據傳輸功能,可以方便地實現無線的數據傳輸。

4 遠程控制系統

遠程控制系統主要設計GPRS通信系統、GPRS與Internet網絡接入系統、監控中心主機友好界面顯示控制系統。這一部分硬件部分可以應用現有的移動公司與電信等互聯網資源,軟件考慮成本和專業功能可以自主開發,建議應用現有遠程軟件,如《波爾遠程控制》軟件、湖南省遠程監控設備有限公司的RC-2000可視化遠程控制軟件系統。

5 水泵電機驅動電路

考慮強電弱電隔離作用,水泵供電系統可以考慮與整個系統分開設計。利用系統板上的繼電器控制電機電源即可實現,電路如圖5所示。

6 系統軟件設計

系統軟件包括兩大部分:傳感器網絡接點系統程序與主機控制系統程序。

6.1 采集系統程序

無線傳感器網絡節點系統程序由主程序、數據采集子程序、與上位機通信的子程序等部分組成。這裏介紹主程序的設計框圖。

6.2 通信協議研究

上位PC機作爲控制中心必須具備網絡喚醒、數據處理、路由維護功能。C++Builder、Delphi和微軟的Visual Basic都是可選的快速開發工具。上層軟件功能由Delphi實現,考慮到點對點通信的可靠性,數據在底層無線傳輸中需要增加必要的協議規範。設計中對有效數據進行打包,格式爲:前導碼、地址、有效數據載荷、校驗碼。

6.2.1 串口通信格式

上位機與模塊間的通信是通過異步串口來完成的。異步串口采用標准的串口格式,即1個起始位、8個數據位和1個停止位,傳輸速率爲1 200 b/s。上位機與模塊間的通信內容有兩類,一類是數據,一類是命令。

6.2.2 數據及命令的區分

當上位機向模塊傳送信息時,DTR端的功能是指示串口信息的性質。若串口信息爲命令,DTR端應置爲邏輯“0”,若串口信息爲數據,則DTR端應置爲邏輯“1”。

當模塊向上位機傳送信息時,DSR端可用來指示串口信息的性質,若串口信息爲命令,DSR端爲邏輯“0”,若串口信息爲數據,DSR端爲邏輯“1”。當模塊串口無數據發出時,DSR端的功能可指示模塊是否可以接收上位機的信息,當模塊准備好,可以接收上位機的信息時,此端爲邏輯“0”;當模塊不能接收計算機的數據時,此端爲邏輯“1”。

6.2.3 命令和數據傳送格式

SA68D21DL的命令傳送格式爲:

D7H 命令碼H 參數H

其中,D7H爲命令碼的特征碼,即字頭。命令碼爲一字節長度,代表命令的性質。不同的命令碼有不同的參數,模塊在收到命令後,將根據命令碼的不同,分析參數並執行命令。對于有些需要發送信令的命令,模塊將根據命令的性質來發送相應的信令。當SA68D21DL在進行數據傳送時,不論是上位機傳給模塊,還是模塊傳給上位機的數據,都采用無格式傳送方式。

基于農田實際工程,采用平面路由協議DD(Directed Diffusion)定向擴散路由是一種以數據爲中心的信息傳播協議,與已有的路由算法有著截然不同的實現機制,運行DD的傳感器節點使用基于屬性的命名機制來描述數據,並通過向所有節點發送對某個命名數據的INTEREST(任務描述符)來完成數據收集。在傳播INTEREST的過程中,指定範圍內的節點利用緩存機制動態維護接收數據的屬性及指向信息源的梯度矢量等信息,同時激活傳感器來采集與該INTEREST相匹配的信息。節點對采集的信息進行簡單的預處理後,利用本地化規則和加強算法建立一條到達目的節點的最佳路徑。

6.3 主控軟件程序設計

系統軟件采用分層設計,包括硬件設備驅動層、操作系統層、應用程序接口層和應用軟件層。軟件系統結構如圖7所示。操作系統選擇小型的實時操作系統μC/OS-II是基于以下考慮:廣州致遠公司MiniARM嵌入式工控模塊提供正版μC/OS-II實時操作系統在內的豐富軟件資源,完整的軟硬件架構只需專注于編寫産品的應用程序。幾行代碼即可實現TCP/IP通信、CAN-BUS現場總線通信、USB通信和大容量存儲等複雜功能,使嵌入式系統設計更加簡潔方便。TCP/IP協議分爲4層:鏈路層(ARP協議)、網絡層(IP協議、ICMP協議)、傳輸層(TCP協議、UDP協議)、應用層(HTTP協議)。本系統的TCP/IP協議棧選擇UIP1.0。

7 結語

本文研究了基于嵌入式系統而設計出來的智能廣域農田供水系統,當檢測到農田缺水信息時能夠通過自動控制繼電器來啓動供水水泵,而且實現了遠程GPRS通信,可以通過PC機來了解系統的運行狀況並可對其控制,能夠自動采集土壤信息來自行確定是否啓動水泵爲農田供水,這正符合我國農村的基本國情。