自动喷灌控制系统的设计.doc

自动喷灌控制系统的设计 摘要：从灌溉需求和固定管道式喷灌系统的结构特点出发,设计了一个两层无线传感器网络(WSN)体系结构;通过分析传感器传感半径和喷头射程之间的关系,从理论上得到了完全感知覆盖田块所需要最少传感器数的表达式及部署方法。并基于CC2430的无线节水喷灌系统，经过理论分析和数次实践，主要采用温度或湿度的单值比较控制基础上，提出了温度与湿度采集集一体的自动控制系统，综合考虑了农作物生长过程对外部环境温度和湿度的要求。试验期间设定气温和土壤湿度初始值，在理想范围内，当作物缺水时，系统能及时灌溉；当湿度达到作物要求上限时则适时停止灌溉，以减少不必要的浪费。该系统能够监测植物土壤湿度、环境温度的变化，通过无线网络将传感器信号反馈，结合网络结构和节点分工,给出了数据的传输方式,并通过分层故障诊断的方法确保数据传输的可靠性，对喷灌动作做出精确判断。WSN与CC2430无线节水系统的结合能为将来农业灌溉带来新的变革。 Abstract：A system structure for two-layer wireless sensor networks(WSN)was designed to meet the requirements of precision irrigation and characteristics of fixed pipeline type sprinkler irrigation system.Through analyzing the relation between sensors detection radius and sprinklers range,two analysis expressions for minimum number of nodes were theoretically educed under circumstances of full coverage in a region. And based on CC2430 wireless economize water system.,though a serise of theories and practises ,advocate a system combine temper and humidity,which consist the environment influnce include temper and humidity of the crops grows process .Test the a certain period of time and set up temperature and huminity of soilinitial to be ,inside ideal scope,when the system can irrigate in time ;when huminity reach the crop and ask upper limit.The nacessary one wastes be ones turn and can monitor the plant systematically huminity of soil,change of enviromental temperature, (and) feedback the signal of transducer through the network of wireless , (and) combine the structure of network and save Type , and the method diagnoses through statified breakdown ensure the reliability of transmission of data , action of sprinkling irrigation is done the accurate judgement. WSN s network and CC2430 s wireless are save of river system New transform. 关键词: 喷灌网络结构 CC2430 DHTll 无线传感网络Keywords:irrigation netsystem CC2430 DHTll wireless-sensor-system 目录引言 51. 需求分析 5 1.1 设计方案 62. 检测原理综述 63.设计方案 7 3.1硬件设计 7 3.1.1WSN的设计 7 3.1.2网络体系结构具体的设计 7 3.2软件设计 8 3.2.1温度湿度模块设计 8 3.2.2喷灌模块的设计 9 3.3.3整体电路及程序设计 10 3.3.4 .PC机和下位机通信 124 .系统功能介绍13 4.1关于CC2430的节水系统 13 4.1.1灌区的划分13 4.1.2网络结构的建立 14 4.1.3节点部署14 4.1.4数据的可靠传输16 4.2 WSN系统 165. 总结与展望 18 5.1 总结18 5.1.1成果 18 5.1.2存在的问题18致谢19 参考文献 20 喷灌技术是目前世界上最先进的节水灌溉措施之一，采用节水、节能的灌溉方法已成为全世界灌溉技术发展的总趋势，如以色列的微灌技术就以自动化程度高而闻名，在一些发达国家中，现代化灌溉控制技术已经有了很广泛的应用。喷灌是将灌溉水通过由喷灌设备组成的喷灌系统或喷灌机组，形成具有一定压力的水，由喷头喷射到空中，形成细小的水滴，均匀的喷洒到土壤表面，为植物正常生长提供必要水分的一种先进灌水方法与传统的地面灌水方法相比，喷灌具有节水、节能、省工等优点喷灌灌水时期应根据蔬菜的需水规律，气候条件和土壤状况来确定【l。】悬挂式自动喷灌系统是智能温室应用较多的喷灌形式，目前实际应用的温室自动喷灌设备，大多采用国外的喷灌机，配以国产轨道和水泵、输水管等这些温室自动喷灌机，基本功能都是固定的，无法根据用户的需要来定制和增减；控制器随喷灌机行走，喷灌过程中难以控制【4】土壤含水量的测定方法，从传统的烘干法，到电测法，直至应用现代的核技术手段等，共有几十种。本设计由单片机采集传感器DHTl1自动检测到的土壤的温度和湿度，判断并控制继电器的通断控制电磁阀的开与关实现灌溉1需求分析 进入20世纪90年代后，我国对农业灌溉技术利用有所重视，这促进了节水灌溉技术在我国的研究。但长期以来，我国的灌溉方式大多仍采用漫灌方式或者根据农民自己的经验灌溉，不仅导致水资源利用率十分低下且耗费了大量的人力物力。此外，目前绝大多数节水灌溉控制系统不仅功能单一而且在控制方式上主要采用温度或湿度的单值比较控制，忽视了各种农作物对温度和土壤湿度有要求的特点,因而合理的灌溉已成为目前农业方面最为迫切的需要。1.1 设计方案根据所种植农作物的灌溉需求与固定管道灌溉方式出发，在田地内合理地安置无线传感传感网络，无线传感器网络(WSN)不但可实时监测、感知和采集网络分布区域内监测对象信息,并对这些信息进行处理,而且可实时将信息通过无线的方式发送给用户1,将其应用于精确农业可有效解决农田信息的获取问题。2 检测原理综述本研究项目的目标是通过搭建一个无线传输网络平台，以CC2430无线单片机为核心，系统由主站和子站组成(图1)。在模拟环境下，将传感器采集到的土壤环境温湿度信号，经过处理发送给子站节点，子站节点与主站节点进行通信，结合串口通信技术，通过RS232串口线连接到PC上位机上对数据进行存储与显示，并由预先编好的程序控制单片机，最终研制出一套农田无线自动节水喷灌控制系统。 并通过无线传感网络（下图）结构实时监控。3 技术方案3.1硬件设计3.1.1WSN的设计一个完整的基于WSN的精确灌溉控制系统基本结构如图1所示。传感器采集田间土壤墒情(包括土壤温、湿度)后发送至基站,由基站传送给灌溉专家系统,专家系统结合接收到的数据、天气情况和灌溉知识库形成的灌溉决策,并通过基站将生成灌溉控制指令发送给灌溉控制执行机构,控制喷头工作实现适量灌溉。其中土壤墒情的采集和传输以及灌溉控制指令的传输均由WSN来实现。 灌溉控制系统基本结构示意图3.1.2网络体系结构具体的设计网络体系结构的设计是构建网络的基础,而根据应用需求设计网络体系结构有助于提高系统工作效率和网络服务质量。为提高灌溉精度,往往将灌区划分为若干田块实行分块灌溉,因此考虑利用WSN分别获取各田块土壤墒情并独立控制灌溉,根据该思路设计了一个两层结构的网络,如图2所示。 WSN体系结构该结构中,簇为网络的基本组成单元,且与灌区划分后的田块一一对应,每个簇均由一个簇头、若干传感器节点和一个控制节点组成。其中传感器节点周期性地采集土壤墒情并发送给簇头;簇头融合簇内传感器节点采集的数据再将簇数据发送给基站,并将基站发回的控制指令转发给控制节点;控制节点控制喷头阀门的开关。各簇各自构成以簇头为中心的星型网络,作为底层网络;而基站则与所有簇头构成上层网状网络。根据网络结构,作如下假设:灌区内地势平坦,无障碍物。簇头比传感器节点具有更强的通信能力、存储能力和计算能力。所有传感器节点具有相同的功能和资源,且传感区域均为半径R的圆。3.2 软件设计3.2.1温度湿度模块的设计基于温室土壤的环境，传感器的响应时间、抗干扰能力、性价比等综合因素，本文选用数字温湿度传感器【67】DHTl1数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性DHTli数字温湿度传感器包括1个电阻式感湿元件和1个NTC测温元件，并与1个高性能8位单片机相连接DHTl1数字温湿度传感器的规格型号如表1所示表1 DHTl1数字温湿度传感器的规格型号型号测量范围测试精度测温精度分辨率封装DHT1120%90%RH050C5%RH 2C 14针单排直插单片机发送1次开始信号后，DHTl1从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHTl1发送响应信号，送出40bit的数据，并触发1次信号采集，单片机可选择读取部分数据从模式下，DHTll接收到开始信号触发1次温湿度采集，如果没有接收到主机发送开始信号，DHTl1不会主动进行温湿度采集采集数据后转换到低速模式通讯过程如下图 所示总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低等待DHTll响应，主机把总线拉低必须大于18Bs，保证DHTI1能检测到起始信号DHTll接收到主机的开始信号后，等待主机开始信号结束，然后发送80“s低电平响应信号主机发送开始信号结束后，延时等待20一40“s后，读取DHTll的响信号，主机发送开始信号后，可以切换到输入模式，或者输出高电平均可，总线由上拉电阻拉高3.2.2喷灌模块的设计当传感器采集信号经单片机处理后，喷水控制信号由单片机的Po7口输出驱动1个三极管放大驱动信号控制继电器通断为了避免电磁阀关断后产生的浪涌电流损坏继电器，在继电器与电磁阀之间接人发光二级管，当电磁阀接通时发光二极管亮起到指示的作用；当电磁阀关断时产生浪涌电流被发光二级管隔离避免了损坏继电器8-101接口电路如下图所示： 3.3.3整体电路及程序设计传感器采用DHTl1数字温湿度传感器，单片机采用AVRATmegal6，继电器使用DIL干簧继电器，电磁阀使用ZCW电磁阀，液晶屏采用常用的 1602模块电路中除了电磁阀使用12V电源以外，其它各模块均使用5 V电源驱动1I温度湿度可以根据不同的季节不同的农作物而设定不同的阈值洒水不仅与温度有关还与湿度有关，温度与湿度是相互独立的不相关的传 感器检测到温度大于35。时开启电磁阀开始洒水；当湿度超过90时关闭电磁阀停止洒水传感器检测到湿度小于60时开启电磁阀开始洒水；当湿度超过901t,寸关闭电磁阀停止洒水所对的程序框图3所示其对应的核心程序如下：把DHTll的十六进制数据转换成10进制，格式湿度温度校验和删如串口发送数据59002453则湿度为59温度为24校验和为53Wendu_sift=(U8T_data_H%100/10)；wendu_ge=(U8Tdata_H10)shidu _shi=(U8RH_data_H100l0); shidu_ge=(U8RH_data_H%100/10);write _com( ox80+ox00+10);write_dat(shuzuwendu_sh i;DelaymS(5)；write_com(0x80+0x00+11)；write_dat(shuzuwendu_ge);DelaymS(5)；write _com(ox80+ox00+10); write_dat(shuzushidu_shi);DelaymS(5)；write_com(0x80+0x40+11) write_dat (shuzushidu _ge;/如果湿度少于60，则洒水如果湿度大于90,则停止洒水if(shidu_shi=9)DDRD=一BIT(7)；PORTD&=BIT(7)；)if(shidushi=6)DDRDI=BIT(7)；PORTDI=BIT(7)；)/延时2Sfor(U8temp=0；U8tempR),则喷洒域为边长d=2L的正方形,相邻喷头组之间的间距也为d。设整个灌区是一个mdnd(m、n为正整数)的矩形区域,则灌区可划分为mn个边长为d的田块,也就是将整个灌区平均分为m行n列。依据田块所在行和列进行编号,如第i行第j列田块编号为Aij。图3是将一个灌区划分为44个田块的示意图。 灌溉划分示意图4.1.2网络结构的建立当灌区划分为若干田块后,则可依据所设计的网络体系结构构建网络。由于簇和田块是一一对应的,因此每个田块中将部署一个簇头、若干传感器节点和一个控制节点。其中簇头部署在田块中心,由太阳能电池供电,控制节点与喷头阀门相连,传感器节点则散布在田块内,传感器节点和控制节点均由普通电池供电。这些节点组成一个静态簇。基站设在灌区边缘,用于管理整个网络,基站与控制中心直接连接,整个网络拓扑结构如图4所示。灌区划分时的田块编号作为网络中对应簇的簇编号,簇中所有节点ID均包含簇编号,而簇头则直接采用簇编号作为ID。簇编号的使用可实现符号定位,灌溉控制时只需知道簇编号即可控制相应的灌溉执行机构。 4.1.3节点部署簇头和控制节点位置已经确定,这里主要研究传感器节点部署,根据灌区的划分可对各田块分别进行部署。通常会选择一些典型位置埋设传感器,获取的信息具有片面性。要获取全面信息则传感器的传感区域需覆盖整个田块,而一个传感器的传感区域是有限的,埋设过多传感器又将增加成本,因此如何用最少的传感器实现对田块的完全感知覆盖就成为点部署首先需要解决的问题。根据前文假设和描述,田块内节点部署问题可数学描述为:至少需多少个半径为R的圆才能完全无缝覆盖边长为d=2L的正方形。显然节点部署和喷头射程L与传感器传感半径R之间的关系有关。数学上用圆无缝覆盖平面图形的一般方法是用一系列圆的内接正多边形来完整覆盖该平面,要使圆最少,则要求内接正多边形不重叠8,而满足这种要求的正多边形只有正三角形、正方形和正六边形9。据此不难证明如下结论:用半径为R=1nL(n为正整数)的圆无缝覆盖边长为d=2L的正方形时,所需最少圆的个数为L2R2。通过讨论喷头射程L与传感半径R之间的关系,实现传感器节点的部署。(1)当L=nR(n为大于1的正整数)时直接满足上述结论要求,因此实现传感器节点对田块的完全感知覆盖所需最少传感器数为m=L2R2(1)部署节点时将田块划分为m个边长为2R的正方形,各正方形的中心即为传感器节点的部署位置。布置示意图如图5所示,其中“”表示传感器节点,圆表示传感器节点的传感区域。(2)当L=kR+a(k为大于1的正整数,0aR)时这是更为一般的情况,此时田块边长d=2kR+2a,可分两步部署。首先从田块从左下角顶点出发,分别在田块底边和左边截取长为2kR的线段,并以这2个线段为边在田块内划分出一个正方形区域,如图6所示,显然图中c=2a。将划分出的正方形区域看作喷头射程为kR的方形喷洒域,可直接利用前述结论对该正方形区域进行部署。下面的问题就是如何在剩下的2个矩形区域(图6黑线框所示)内部署节点。这2个矩形区域中较短边边长c=2a2R,易证明当采用半径为R的圆内接正方形完全覆盖这2个矩形时所用的正方形数要多于用短边长为c的圆内接矩形完全覆盖该区域需要的矩形数,因此完全覆盖这2个矩形区域所需要的短边长为c的圆内接矩形数即为传感器节点数。 田地内节点布置示意图 一般情况下的节点布置示意图要注意的是在上述2个矩形区域交界的地方会出现2个传器传感区域的大量重叠,如图6右上角所示,在工程应用中完全可少部署1个节点,而在恰当的位置部署1个节点,此时即使有少量区域未被覆盖在工程应用中也是允许的,因此整个田块需要的节点数为m=intLR2+intL2R2-a2+1+intL-a2R2-a2+1-1(2)式中int向下取整运算函数4.1.4数据的可靠传输数据的可靠传输是精确灌溉系统稳定工作的基本要求,网络中的数据传输存在于底层网络的传感器节点、控制节点与簇头之间,以及上层网络的簇头与基站之间,而故障诊断可确保数据传输的可靠性。由于簇头具有更强的计算和存储能力,能量也可得到补充,因此可利用簇头实现在一般WSN中难以完成的故障诊断分析。随着WSN节点成本越来越低,发现故障后可直接更换,而不用判断故障类型。根据网络结构,在数据传输过程中采用分层负责的方法分别对簇成员节点和簇头进行故障诊断,确保数据传输的可靠性。(1)底层网络:传感器节点采用单跳方式向簇头发送采集的土壤墒情,簇头也通过单跳方式向传感器节点和控制节点发送相关指令。簇头在接收数据时,需监控各成员节点的工作状态,根据传感器节点历史数据的发展趋势及相邻节点数据的相似性可判断数据是否正常,一旦发现某节点状态或数据异常,则向基站报告该成员节点ID,基站再将故障状况报告给用户。(2) 上层网络:由于簇头采用太阳能电池,因此不必考虑能量问题。传输时根据簇头与基站之间的距离和簇头的通信能力选择单跳或多跳的方式进行通信。即当簇头与基站的距离在簇头的通信范围以内时以单跳的方式向基站发送数据,此时基站也通过单跳的方式向该簇头发送相关指令;而当簇头与基站的距离超过簇头的通信范围时则选择其他簇头进行中转,采用多跳的方式与基站通信,基站也通过多跳的方式与该簇头通信。基站在数据传输过程中负责监控各簇头的工作状态,一旦发现某簇头状态或数据异常,则立即向用户报告。4.2 WSN系统系统主要由传感器模块(DHTll温湿度传感器)、处理器与无线通信模块(无线单片机CC2430)、驱动模块、上位机模块、试验箱模块等部分组成。无线网络的节点结构如图2所示，每个节点均配备。CC2430无线单片机。数字传感器直接与CC2430的引脚相连，单片机输出的高低电平给驱动电路提供控制信号，主站节点由串口接至上位机，通过2个Zigbee节点实现子站与主站单片机间的无线数据通信。串行通信波特率：9600 biffs；发送接收方8位，无奇偶校验，l位停止位ATmegal6自带2个可编程的UARTEl，用UART0软件设计采用中断方式，AVR单片机【5】定义：UART接收结束中断、UART数据寄存空中断、UART发送结束中断在主程序中开中断，一旦PC机传输数据，单片机执行中断服务子程序在本文所设计的通信系统中，采用的是PC机为主发送端，单片机为主接收端所以单片机主要是进行接收数据处理，没有做更多的数据发送工作；可以根据具体要求进行设计，比如将单片机的各个寄存器内容和信息实时发回到计算机，就可以监视单片机的工作状况，也可以接收计算机发送来的调试