精准节水灌溉远程无线智能控制系统的制作方法
【专利摘要】精准节水灌溉远程无线智能控制系统，包括监控中心站与无线控制站、智能控制与通讯模块、传感器节点和终端执行节点，监控中心站包括带有监控程序的PC机和以太网传输设备；中心无线控制站和现地无线控制站分别有智能控制与通信模块进行无线通信，智能控制与通信模块、传感器节点、终端执行节点通过网状网络无线通信相连；智能控制与通讯模块获得的信息通过网络无线通信、中心无线控制站、以太网传送给上位机；传感器节点向智能控制与通讯模块传送土壤墒情信息，现地无线控制站向终端节点发送电磁阀开度信息。本发明具有布线小，易扩展，低功耗、灌溉模式灵活多样，数据通信稳定可靠，并易于实现精准灌溉控制并有效降低建设和维护成本。
【专利说明】
精准节水灌溉远程无线智能控制系统
技术领域
[0001]本发明涉及农、林业的野外或温室节水灌溉，特别涉及精准节水灌溉远程无线智能控制系统。
【背景技术】
[0002]
据有关数据表明，灌溉用水占我国全部消费用水80%左右，我国灌溉用水的有效利用率非常低，平均为40?50%。节水灌溉是保证粮食、经济、生态综合可持续发展的必由之路。在国家高度重视节能减排的背景下，政府把节约水资源摆在重要的战略位置，鼓励发展节水技术，以构建“资源节约型、环境友好型”的两型社会。把计算机技术、物联网技术和无线通信技术应用到节水灌溉是大势所趋。众所周知，农田、林地等灌溉区域相关信息的采集工作量很大，传统的数据采集及控制方式已无法胜任，需要一种既能实现远距离数据传输，又能实现智能化节水的灌溉技术，且由于灌溉区域面积比较大，利用无线网络传感器网络技术构成的远程无线智能控制成为当前最为有效的方式。
[0003]中国专利公开号CN204014671 U“一种基于ZIGBEE的太阳能节水灌溉控制装置”用于农田水利的节水灌溉，虽然采用了太阳能供电，采用ZigBee技术实现本地自组网无线通讯，并将墒情、管道流量监测、管道压力监测以及阀门控制功能集成，但土壤墒情数据的采集、阀门控制信息都是通过485总线等有线传输，而灌溉区域存在着范围大、土壤墒情检测点多且极分散的特点，再者在多分支多阀门的管网结构中，有线传输存在着野外布线困难，扩展性不强，维护成本也较高的缺点，更没有涉及不同种类植物或同种植物在不同生长期的灌溉控制，也没有涉及光照强度、大气温湿度等的监测，也就无法综合考量蒸腾流速、蒸发量对植物需水量的影响及其植物各生长期的需水量与灌溉量匹配关系，无法实现精准灌溉的目的。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是，避免上述技术的不足，解决野外布线难，扩展性不强，维护成本较高的问题，实现不同种类植物或同种植物不同生长期需水量的精准灌溉，提供一种精准节水灌溉的远程无线智能控制系统。
[0005]实现上述目的的技术方案如下:精准节水灌溉远程无线智能控制系统，包括监控中心站与中心无线控制站、智能控制与通讯模块、传感器节点和终端执行节点，其特征在于:监控中心站包括带有监控程序的PC机和以太网传输设备；中心无线控制站和现地无线控制站分别有智能控制与通信模块进行无线通信，智能控制与通信模块、传感器节点、终端执行节点通过网状网络ZigBee无线通信相连;智能控制与通讯模块获得的管道压力、管道流量、空气温湿度、光照强度等信息，通过网状网络无线通信技术、中心无线控制站、以太网传送给上位机;上位机根据获得的当前灌溉区域的植物生长期、土壤墒情、灌溉量的数据信息，发出当前植物生长所需的土壤含水量的标准值以及与当前植物生长期相适应用的模糊控制规则调整修改指令信息，并传送给现地控制站的智能控制与通讯模块;现地控制站根据所获数据信息及控制策略，通过无线通信向终端执行节点发送电磁阀开度信息，传感器节点通过无线通信向智能控制与通讯模块传送土壤墒情信息，由电池供电；现地无线控制站和终端节点采用太阳能供电。
[000?] 紧邻中心无线控制站的现地无线控制站通过ZigBee直接通信，其他现地无线控制站通过网状网络ZigBee技术的中继路由、中继转发与中心无线控制站进行数据通信。
[0007]电磁阀选用低功耗阀门，统一安装在主水管一侧的低功率流量传感器、压力传感器之前，电磁阀、流量传感器、压力传感器采用太阳能供电。
[0008]ZigBee网状网络中的智能控制与通信模块在需要收发收据时才工作，一般处于休眠状态;数据采集部分采用周期性自启动设置，即光照强度传感器、大气温湿度传感器每天在6:00与18:00间每两个小时间隔工作一次，传感器节点和终端执行节点的无线收发模块每天在6:00与18:00分别工作一次，流量传感器、压力传感器只在灌溉进行中才工作，其余时刻各采集部件处于休眠状态。
[0009]智能控制与通讯模块选用集成32-bitRISC处理器，可充分兼容2.4GHzIEEE802.15.4协议和ZigBee无线通信技术的JN5139无线微处理模块;空气温湿度传感器选用数字温湿度传感器DHT21;光照强度传感器选用感光模块GY-30，土壤水分传感器选用圆柱状的HM1500;传感器节点和终端执行节点的控制芯片选用集成RF收发器、增强型8051CPU、在线可编程的Flash模块的CC2530单片机，电磁阀选择低功率阀。
[0010]本发明由于采用了上述技术方案，具有布线小，灌溉控制单元易扩展，灌溉模式灵活多样，低功率、上位机使用LabVIEW监控软件可根据作物的水肥情况进行扩展处理，并能有效降低智能灌溉系统的建设成本及维护成本。与现有方法相比，具有以下有益效果:
1、采用了无线传感器技术，土壤墒情信息采集和低电磁阀的控制信息均采用ZigBee无线通信，不仅大大降低了布线的工作量，降低了维护成本，而且使得现地控制节点具有易扩展的特点。
[0011]2、采用了网状拓扑结构，当某节点出现故障时，数据信息可以自动沿着其它的路由传输信息路径进行通讯，即利用ZigBee网状网络具有的自愈能力，使得整个数据通信的稳定性、可靠度大大提高。
[0012]3、根据操作者需要进行智能灌溉、手动灌溉、时间灌溉三种模式选择切换，使用灵活，切换简单。
[0013]4、除了基于土壤水分传感器进行灌溉外，增加了空气温湿度传感器、光照强度传感器，压力传感器、流量传感器，并进一步结合苗木的蒸腾流、蒸发量及当前灌溉量等因素，实现精准灌溉;利用上位机LabVIEW技术的易扩展，易升级的特点，可以根据不同种类植物的需水量、同种植物在不同生长期的需水量等多种情况进行扩展。
[0014]5、采用了低功率软件设计技术，系统中主要耗能为收发数据的通信功能部分，在设计中只在需要收发收据时才正常工作，一般处于低功耗状态。而数据采集部分采用周期性自启动设置，即光照强度传感器、大气温湿度传感器每天6:00与18:00间每两个小时间隔工作一次，传感器节点和终端执行节点的无线收发模块每天6:00与18:00分别工作一次，流量传感器、压力传感器只在灌溉进行中才工作，其余时刻，各采集部件处于休眠状态。
【附图说明】
[0015]图1是本发明系统方框示意图；
图2是本发明中心无线控制节点与其他节点拓扑结构示意图；
图3是本发明智能控制与通讯模块结构框图；
图4是本发明传感器节点结构框图；
图5是本发明终端执行节点结构框图。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明:
图1所示为采用无线ZigBee通讯技术的智能控制系统分层分布式结构图，系统分为三层:灌溉监控中心层、灌溉监控控制层和灌溉监控现地层。灌溉监控中心层是指灌溉控制中心站的PC上位机部分，是整个系统的信息数据采集、数据分析、信息管理及远程智能控制，包括信息服务器、工业控制计算机、核心交换机、网络通讯设备及其基于LabVIEW编写的监控软件。管理人员操控LabVIEW监控界面向控制现场发送参数修改指令，特别针对不同种类植物的需水量、同种植物在不同生长期的需水量及其综合考量不同环境中蒸腾流速、蒸发量对植物需水量的影响等多种参量的修改。
[0017]灌溉监控控制层，包括一个中心无线控制站和多个现地无线控制站(图中只画出一个现地无线控制站示意)，各个控制站均有智能控制与通讯模块，中心无线控制站通过以太网与上位机相连，并具有持续接受灌溉监控中心站的控制指令、集中转发各现地无线控制站的数据信息的功能。现地无线控制站实现对灌溉单元区域的多个采集点进行数据采集和对本灌溉区域内的低功率阀门进行智能控制。在适当距离范围内，现地无线控制站可直接与中心无线控制站进行双向通信，也可借助其它现地无线控制站的中继、路由功能实现与中心无线控制站的双向通信。
[0018]无数个现地无线控制站构成灌溉监控现地层，包括多个传感器节点和有限的终端执行节点。传感器节点指分布式安装或分层预埋在现场的灌溉单元的各传感器节点，是对土壤含水量参数实时自动采集的装置，向现地无线控制站单向传送数据。而终端执行节点是指由电磁阀及其配件组成的控制管道灌溉的装置，是实现精准灌溉控制的执行器件，接受现地无线控制站发出的指令。一般一个灌溉单元共享一条灌溉支管、I个分支电磁阀，多个土壤水分传感器，即灌溉监控现地层包括多个土壤水分传感器节点和I个终端执行节点。
[0019]图2所示为中心无线控制节点无线通信的拓扑结构示意图，选用网状拓扑，由网络协调器、路由器、终端节点组成，其中网络协调器是中心无线控制节点I，负责网络的建立、网络位置的分配等所有的网络消息，并通过以太网通信技术实现灌溉控制下层网段与灌溉监控中心站的远程数据传输，同时也具备控制一个终端执行节点2的功能，即主水管的低功率电磁阀；路由器是现地无线控制节点4，主要功能是寻找、建立以及修复路径，并转发信息，并对多个采集点进行数据采集和对本灌溉区域内的低功率阀门进行智能控制。终端节点包括传感器节点3和终端执行节点4，只能收发数据通信信息，不能转发数据通信信息。中心无线控制节点I和现地无线控制节点4都是一个全功能设备，主要是指智能控制与通讯模块。无线通信网络内部通信都是基于802.15.4标准进行数据传输，其特点是可以通过自组多跳路的方法进行无线网络通讯，可以组成比较复杂的无线传输网络系统，并具有自组织和自愈的能力，特别是若有一个路由节点出现故障问题，数据信息也可以自动沿着其它的路由传输信息路径进行通讯。
[0020]图3所示为智能控制与通讯模块结构，负责管道压力、管道流量、空气温湿度、光照强度等参数的自动采集，并接收一个灌溉单元内的所有土壤水分传感器节点的采集数据及其实现中继路由、转发功能，在其软件设计时采用只在需要收发收据时才正常工作，一般处于低功耗状态，并可通过立杆安装在电磁阀附近，同时，光照强度传感器、空气温湿度传感器根据被灌溉子区域的植物高度、叶片密度用可调整高度的支撑杆预置安装，一般地光照强度传感器比植株高50cm，并无阴影阻挡，空气温湿度传感器安装在植株叶片茂密层，只在每天在6:00与18:00间以每两个小时为间隔工作一次。现地无线控制节点中的智能控制与通讯模块，采用灰色预测控制与模糊逻辑控制相结合的模糊智能灌溉，将数据采集单元输入的土壤含水量信号等，经过数据处理，得到一个反映土壤含水量的数据作为输入，输入值与标准值比较，得到输入偏差e，通过若e>0则土壤含水量大于最佳含水量，即土壤不缺水，系统不输出灌溉信号。若e〈0，用偏差e和模糊控制规则R，根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量u，S卩u=e X R，然后将模糊控制量u转换为精确值，去控制终端执行单元设备，其中标准值及模糊控制规则是操作者根据当前植物的种类或生长期所需土壤含水量以及与之相适用的模糊控制规则在LabVIEW监控软件进行修改的参量，并通过以太网、中心无线控制站及其网状网络内其它现地无线控制站传输到本站。除了智能控制之外，控制节点模块还可以通过手动控制、时间控制，其中手动控制，操作者在现场预先选定所需灌溉单元，然后通过手持设备或开关设定对土壤湿度的上限值进行设置，一旦灌溉超出设定的值，无论预设的灌溉持续时间或灌溉截止时间是否达到，都立即自动关闭该分支阀门，而时间控制即在气候变化较小或者肥水耦合灌溉期，操作者只需预先设定好所需参数值即可由系统根据参数进行自动判断是否进行灌溉。系统默认进行模糊智能灌溉模式。
[0021 ]图4为传感器节点结构示意图，负责多点的土壤墒情检测，并通过ZigBee无线技术向本灌溉单元的智能控制与通讯模块传送土壤墒情信息。控制器选用低功耗，低成本的CC2530模块，系统设定其每天在6:00与18:00分别对本灌溉单元的土壤墒情检测一次，再者土壤水分传感器安装虽按照一定规律安置，但分布也极分散，选择通过电池供电。网络状态指示电路，即为LED灯显示电路，并与CC2530的Pl.1引脚相连，当传感器节点与本灌溉单元的现地无线控制节点能够正常通信，即LED灯亮，否则熄灭。FLASH存储器通过SPI接口与CC2530进行数据交换。
?0022]图5为终端执行节点结构示意图，通过ZigBee无线技术接收智能控制与通讯模块发出的控制指令，负责电磁阀的开度大小，实现精准灌溉。电磁阀选用低功耗阀门，统一安装在主水管一侧，一般需要安装在低功率流量传感器、压力传感器之前，且流量传感器、压力传感器只在灌溉进行中才工作，一般处于休眠状态，电磁阀、流量传感器、压力传感器宜采用太阳能供电。
[0023]本系统用于精准灌溉的远程无线智能控制的目的。但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何在本设计原理之内不付出创造性劳动所做的修改、替换、等效改进，均包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1.精准节水灌溉远程无线智能控制系统，包括监控中心站与中心无线控制站、智能控制与通讯模块、传感器节点和终端执行节点，其特征在于:监控中心站包括带有监控程序的PC机和以太网传输设备；中心无线控制站和现地无线控制站分别有智能控制与通信模块进行无线通信，智能控制与通信模块、传感器节点、终端执行节点通过网状网络ZigBee无线通信相连;智能控制与通讯模块获得的管道压力、管道流量、空气温湿度、光照强度等信息，通过网状网络无线通信技术、中心无线控制站、以太网传送给上位机;上位机根据获得的当前灌溉区域的植物生长期、土壤墒情、灌溉量的数据信息，发出当前植物生长所需的土壤含水量的标准值以及与当前植物生长期相适应用的模糊控制规则调整修改指令信息，并传送给现地控制站的智能控制与通讯模块;现地控制站根据所获数据信息及控制策略，通过无线通信向终端执行节点发送电磁阀开度信息，传感器节点通过无线通信向智能控制与通讯模块传送土壤墒情信息，由电池供电;现地无线控制站和终端节点采用太阳能供电。2.根据权利要求1所述的精准节水灌溉远程无线智能控制系统，其特征是，紧邻中心无线控制站的现地无线控制站通过ZigBee直接通信，其他现地无线控制站通过网状网络ZigBee技术的中继路由、中继转发与中心无线控制站进行数据通信。3.根据权利要求1或2所述的精准节水灌溉远程无线智能控制系统，其特征是，电磁阀选用低功耗阀门，统一安装在主水管一侧的低功率流量传感器、压力传感器之前，电磁阀、流量传感器、压力传感器采用太阳能供电。4.根据权利要求1或2所述的精准节水灌溉远程无线智能控制系统，其特征是，ZigBee网状网络中的智能控制与通信模块在需要收发收据时才工作，一般处于休眠状态;数据采集部分采用周期性自启动设置，即光照强度传感器、大气温湿度传感器每天在6:00与18:00间每两个小时间隔工作一次，传感器节点和终端执行节点的无线收发模块每天在6:00与18:00分别工作一次，流量传感器、压力传感器只在灌溉进行中才工作，其余时刻各采集部件处于休眠状态。5.根据权利要求1或2所述的精准节水灌溉远程无线智能控制系统，其特征是，智能控制与通讯模块选用集成32-bit RISC处理器，可充分兼容2.4GHz IEEE802.15.4协议和ZigBee无线通信技术的JN5139无线微处理模块;空气温湿度传感器选用数字温湿度传感器DHT21;光照强度传感器选用感光模块GY-30，土壤水分传感器选用圆柱状的HM1500;传感器节点和终端执行节点的控制芯片选用集成RF收发器、增强型8051 CPU、在线可编程的Flash模块的CC2530单片机，电磁阀选择低功率阀。
【文档编号】A01G25/16GK105830874SQ201610277026
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年4月30日
【发明人】李辉, 邱雄迩, 唐杰, 林立, 刘新波
【申请人】邵阳学院