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无线传感器群集在智能浇灌系统中的应用

已有 168 次浏览2019-5-13 16:17

  天下各国愈来愈熟悉到水已成为21世纪可一连生长的一个要害效果。中国水资源已处于相当紧缺的水平,加上天下90%的废、污水未经处置赏罚赏罚或处置赏罚赏罚未达标就直接排放的水污染,11%的河流水质低于农田供水尺度。水是农业的命脉,是生态情形的控制性要素,同时又是战略性的经济资源,是以接纳水泵抽取地下水浇灌农田,完成水资源公正应用,生长节水供水,刷新生态情形,是我国现在准确农业的要害。
  接纳节水和节能的灌水措施是铛铛代界供水手艺生长的总趋势。智能供水系统在海内蓬勃国家推行得较量快,手艺生长也较量成熟,起步也较量早,特殊是以色列、美国和加拿年夜等国,先进的电子手艺、盘算机和控制手艺应用到了农业供水中,年夜年夜前进了用水效力和临盆力。而随着我国经济和科技的生长,节水供水系统生长得很快,但年夜多停留在单片机控制为焦点手艺基础上,与海内蓬勃国家有一定的差距。
  农田供水的义务是适时过量地将水自水源送至农田,知足作物生长的须要。供水从自然状态到被作物吸收事实组成产量可归结为以下三年夜环节:
  (1)经由历程供水取、输、配水系统将水引至田间;
  (2)然后以适当的灌水手艺将水酿成可供作物吸收的土壤水;
  (3)作物根系自土壤中吸收水分(网罗养分),经由光相助用将辐射能转化为化学能最后组成干物质(碳水化合物)。
  前两个环节可依附一系列工程手艺和治理措施来完成。节水供水增产的目的应是极年夜地前进上述两个环节中水的转化及产出效力。本设计论文是针对第一个环节而研究设计的。假定再凭证作物农田现内情形联络滴灌、喷洒、施肥、除害等技偶公正应用,我国农业的远景将异常乐不雅不雅。
  2 系统使命原理与硬件结构
  2.1 系统使命原理
  本文研究单片机系统经由历程多个传感器对湿度、温度、降雨量、酸碱度、水分蒸发量(风速)和空气温度等多种信息的搜集来完成对农田的准确自动浇灌控制,输入A的旌旗暗记信息经由历程无线全双工数传收发模块传送给控制中央(嵌入式系统)来一定能否启动水泵为农田供水,同时将此供水与否信息由GPRS通讯经由历程Internet传送到远方控制中央完生远程监控,并经由历程盘算机中的一些模子来处置赏罚赏罚信息,作出供水妄图。
  2.2 系统的硬件结构
  该系统由两个子系统组成,其一为控制中央:一个控制主机和无线传感器群集节点组成。其二是远程控制系统:GPRS通讯模块、Internet群集传输与监控中央主机。图1是系统的全体结构简图,图中的无线通讯模块结构完全类似。控制主机由基于MiniARM嵌入式微控制器的开发平台和无线通讯模块组成。主机与无线传感器群集节点组成星型拓扑无线群集;远程控制系统由GPRS模块Mini-WG23完成Internet接入(本系统可以扩年夜,使GPRS通讯群集成星型拓扑接入)后传到远程控制中央。
  2.3 无线传感器群集硬件设计
  无线传感器群集模子(如图1所示)是不合于传统无线群集的基础行动措施网,经由历程在监测区域内随便布撤年夜量传感器节点(简称节点),由各节点自行协调并迅速组建通讯群集,在能量应用率优先推敲准绳下阻拦使命义务划分以取得监视区域信息。群集的自组织特点展现在当节点掉落效或新节点加入时群集能够自顺应重新组建,以调剂全局的探测精度,充实验展资源优势,即群集中的各节点除具有数据搜集功效外兼有数据转发完成多跳的路由功效。无线传感器群集馥类节点的组成浅易都由数据搜集、数据处置赏罚赏罚、数据传输和电源这四部门组成。其中每个单片机系统的硬件设计和软件设计都是一样。本设计的研究设计妄图是只针对一个单片机系统的。被监测物理旌旗暗记的形式决议了传感器的类型。处置赏罚赏罚器通常选用嵌入式CPU,如MOTOROLA公司的68HC16、C51系列单片机等。数据传输单元可以选择由低功耗、短距离的无线通讯模块组成,但推敲防盗与自然破损,本系统选择功耗较年夜、传输距离较远的SA68D21DL,农夷易近可以在办公室或家中安置主控制器。图2形貌了节点的组成,其中,箭头的偏向体现数据在节点中的运动偏向。
  2.4 无线通讯模块选择
  关于移动或便携式数据搜集测控系统而言,接纳无线数据传输是一种较好的选择妄图。由北京捷麦通讯器材无限公司临盆的SA68D21DL无线数据报警收发模块就是一款可在微机与微机之间,或微机与单片机之间阻拦全双工远距离无线通讯的收发模块。该模块还可组成最多65535点的单发多收或多发单收形式无线局域网。其上位机硬件接线电路如图3所示。
  2.5 电源
  在该系统中,SA68D21DL为较高电压器件,电压请求为6 V,为了与之接口,AT89S51也使命在6 V(AT89C2051是宽电压器件)电压下。该系统用+6 V电源供电,可以经由历程主流稳压电源取得,推敲滋扰与系统稳固,建议用干电池供电。
  3 主控系统
  在该系统中,控制主机作为毗连Internet网和无线传感器群集之间的协定转换网关。其硬件接纳致远电子公司MiniARM嵌入式工控模块。MiniISA系列搜集板卡接纳智能型板卡结构,即在板卡上内置MCU。板载MCU对板卡上I/O端口阻拦控制,完成I/O数据的缓存,从而降低板卡关于MiniISA接口主机的依附,节俭主机处置赏罚赏罚数据的时间,保证MiniISA系统加倍高效的运转。此外板载MCU可以对搜集的数据或许输入数据阻拦进一步的处置赏罚赏罚。系统电路图如图4所示。
  3.1 MiniISA-8016A数字量输入继电器输入板卡
  MiniISA-8016A是一款用于MiniISA总线的继电器输入和隔离数字量输入卡,该卡供应8路隔离数字量输入,在噪声情形下为搜集数字量供应1 500 VDC的隔离掩护;它带有8个继电器,可以用作开/关控制装备或小型电力开关;此外它还带有2个可由用户自界说的隔离脉宽调制PWM输入。
  3.2 MiniISA-GMT05001人机界面板卡
  MiniISA-GMT05001是一款基于MiniISA总线的人机界面板卡,适用于任何具有MiniISA总线主控电路的底板上。
  接纳5.7英寸、分辨率为320×240的单色屏,支持触摸屏操作功效,供应了六个按键输入。经由历程操作MiniISA总线完成照顾的显示和按键功效。
  3.3 MiniISA GPRS无线数传装备MiniISA-WG23
  MiniISA-WG23是基于GPRS群集的智能型无线数传装备(DTU),具有MiniISA并行接口,能够便利地嵌入到用户的装备中,供应透明的数据传输功效,可以便利地完成无线的数据传输。
  4 远程控制系统
  远程控制系统主要设计GPRS通讯系统、GPRS与Internet群集接入系统、监控中央主机友好界面显示控制系统。这一部门硬件部门可以应用现有的移动公司与电信等互联网资源,软件推敲资源和专业功效可以自主开发,建议应用现有远程软件,如《波尔远程控制》软件、湖南省远程监控装备无限公司的RC-2000可视化远程控制软件系统。
  5 水泵电机驱动电路
  推敲强电弱电隔离作用,水泵供电系统可以推敲与一切系统脱离设计。应用系统板上的继电器控制电机电源便可完成,电路如图5所示。
  6 系统软件设计
  系统软件网罗两年夜部门:传感器群集接点系统法式模范模范与主机控制系统法式模范模范。
  6.1 采小我私人系法式模范模范
  无线传感器群集节点系统法式模范模范由主法式模范模范、数据搜集子法式模范模范、与上位机通讯的子法式模范模范等部门组成。这里简介主法式模范模范的设计框图。
  6.2 通讯协定研究
  上位PC机作为控制中央必须具有群集叫醒、数据处置赏罚赏罚、路由掩护功效。C++Builder、Delphi和微软的Visual Basic都是可选的快速开发工具。下层软件功效由Delphi完成,推敲到点对点通讯的可靠性,数据在底层无线传输中须要增添须要的协定尺度。设计中对有用数据阻拦打包,名堂为:前导码、地址、有用数据载荷、校验码。
  6.2.1 串口通讯名堂
  上位机与模块间的通讯是经由历程异步串口来完成的。异步串口接纳尺度的串口名堂,即1个肇端位、8个数据位和1个阻拦位,传输速率为1 200 b/s。上位机与模块间的通讯内容有两类,一类是数据,一类是敕令。
  6.2.2 数据及敕令的分辨
  当上位机向模块传送信息时,DTR真个功效是指导串口信息的性子。若串口信息为敕令,DTR端应置为逻辑“0”,若串口信息为数据,则DTR端应置为逻辑“1”。
  当模块向上位机传送信息时,DSR端可用来指导串口信息的性子,若串口信息为敕令,DSR端为逻辑“0”,若串口信息为数据,DSR端为逻辑“1”。当模块串口有数据收回时,DSR真个功效可指导模块能否可以吸收上位机的信息,当模块准备好,可以吸收上位机的信息时,此端为逻辑“0”;当模块不克不及吸收盘算机的数据时,此端为逻辑“1”。
  6.2.3 敕令和数据传送名堂
  SA68D21DL的敕令传送名堂为:
  D7H 敕令码H 参数H
  其中,D7H为敕令码的特点码,即字头。敕令码为一字节长度,代表敕令的性子。不合的敕令码有不合的参数,模块在收到敕令后,将凭证敕令码的不合,剖析参数并推行敕令。关于有些须要发送信令的敕令,模块将凭证敕令的性子来发送照顾的信令。当SA68D21DL在阻拦数据传送时,岂论是上位机传给模块,照样模块传给上位机的数据,都接纳无名堂传送要领。
  基于农田现实工程,接纳平面路由协定DD(Directed Diffusion)定向疏散路由是一种以数据为中央的信息撒播协定,与已有的路由算法有着截然不合的完成机制,运转DD的传感器节点应用基于属性的命名机制来形貌数据,并经由历程向一切节点发送对某个命名数据的INTEREST(义务形貌符)来完成数据群集。在撒播INTEREST的历程当中,指定规模内的节点应用缓存机制静态掩护吸收数据的属性及指向信息源的梯度矢量等信息,同时激活传感器来搜集与该INTEREST相婚配的信息。节点对搜集的信息阻拦质朴的预处置赏罚赏罚后,应用当地化规则和增强算法培植一条到达目的节点的最好蹊径。
  6.3 主控软件法式模范模范设计
  系统软件接纳分层设计,网罗硬件装备驱动层、操作系统层、应用法式模范模范接口层和应用软件层。软件系统结构如图7所示。操作系统选择小型的实时操作系统μC/OS-II是基于以下推敲:广州致远公司MiniARM嵌入式工控模块供应正版μC/OS-II实时操作系统在内的富厚软件资源,完全的软硬件架构只需专注于编写产物的应用法式模范模范。几行代码便可完成TCP/IP通讯、CAN-BUS现场总线通讯、USB通讯和年夜容量存储等严重年夜功效,使嵌入式系统设计加倍精练便利。TCP/IP协定分为4层:链路层(ARP协定)、群集层(IP协定、ICMP协定)、传输层(TCP协定、UDP协定)、应用层(HTTP协定)。本系统的TCP/IP协定栈选择UIP1.0。
  7 结语
  本文研究了基于嵌入式系统而设计出来的智能广域农田供水系统,当检测到农田缺水信息时能够经由历程自动控制继电器来启动供水水泵,而且完成了远程GPRS通讯,可以经由历程PC机来明确系统的运转状态并可对其控制,能够自动搜集土壤信息来自行一定能否启动水泵为农田供水,这正切合我国墟落的基本国情。
  本系统操作质朴,对系统刷新一下,可以设计整天井自动供水系统、温室自动供水系统和花园自动供水系统等,故本系统的可扩年夜性较量好,远景较量辽阔。
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