专利名称：一种农田自动灌溉系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种农田自动灌溉系统，尤其是一种基于无线传感器一执行器网络的农田自动灌溉系统。
背景技术：
我国是一个水资源相对贫乏的国家，虽然我国水资源总量丰富，但人均水资源占有量只有2300立方米，仅为世界人均水平的1/5。而农业灌溉是我国的用水大户，其用水量约占总用水量的70%，长期以来，由于技术、管理水平落后，且农村大部分地区仍采用漫灌的方式灌溉，导致灌溉用水浪费十分严重，农业灌溉用水的利用率仅40%。而如果根据监测土壤墒情信息，实时控制灌溉时机和水量，有利于提高用水效率，针对此种方法，有人提出了基于无线传感器网络的农田灌溉系统，其通过无线传感器网络实时监测土壤墒情，以实时控制灌溉量，但考虑到不同灌溉区域会由于地势等因素，水会相互渗透，从而导致某些区域仍缺水，而另一些区域则供水过多的现象，因此该系统仍然不能有效地提高水资源利用率。
发明内容
技术问题:本发明的目的是针对已有技术中存在的问题，提供一种结构简单、使用方便、提高水资源利用率、基于传感器一执行器网络实时监测的农田自动灌溉系统。技术方案:本发明的农田自动灌溉系统，包括多个农田喷水器，所述的每个农田喷水器上均设有一个执行器节点，所述执行器节点以ZigBee标准组成执行器网络，每个执行节点呈放射状连接有多个传感器节点，所述执行器网络通过电信号连接有数据处理单元和与数据处理单元相连的控制单元，所述传感器节点包括顺序连接的土壤湿度传感器、A/D转换器、单片机、无线芯片nRF9E5和GPRS无线通信模块，所述土壤湿度传感器设置在农田土壤中，所述土壤湿度传感器、A/D转换器、单片机、无线芯片nRF9E5通过电源模块供电；所述执行器节点包括顺序连接的流量控制阀、ARM9微处理器、无线芯片nRF905和通信模块，所述流量控制阀、ARM9微处理器、无线芯片nRF905通过电源模块供电，所述的数据处理单元对采集分布在农田内各个区域的土壤信息进行处理数据，通过控制单元对农田区域划分数目的程序及各执行器节点中流量控制阀开口大小和开口时间的程序进行控制，分别向不同的执行器节点发送对应的控制信号，从而控制农田自动定量灌溉。所述的数据处理单元由插入式计算机88F6281和GPRS无线通信模块相互连接组成；3所述的单片机型号为MSP430F1611 ;土壤湿度传感器采用TDR-5型温湿度一体化传感器；通信模块采用kelink-2010GPRS无线通信模块，所述电源模块为蓄电池。 有益效果:本发明通过无线传感器-执行器网络，形成能够执行分布式传感和控制任务的传感器节点和执行器节点组成的无线传感器网络。网络中采用低功耗、低功率的微型传感器节点，这种节点具备有限的信息处理能力和通信能力，而执行器节点则通常携带较多能量，同时具有较强信息处理、传输能力和一定的执行能力。本发明基于传感器一执行器网络对农田实现自动灌溉，考虑土质及地势等因素的影响，能实现农田按需灌溉；无线传感器网络在每一个区域中，采用RECRP路由协议，使各个传感器节点均匀消耗能量，延长了网络寿命；本执行器节点由于不受节点体积的限制，可采用蓄电池供电，以保证能量充足；各个灌溉区域的传感器节点将各自监测到的土壤墒情信息传输给执行器节点，执行器节点经简单的数据处理后再将信息传输到数据处理单元，数据处理单元根据各个区域的信息，综合考虑各个区域之间的相互影响，如水在地下的相互渗透、不同作物需水量不同等因素，来处理数据，然后分别向不同的执行器节点发送对应的控制信号，从而控制农田自动定量灌溉，并且在满足农作物用水需求量的同时尽量减少灌溉量，提高用水效率。
图1为本发明的农田自动灌溉系统的原理框 图2为本发明的传感器节点电路原理 图3为本发明的执行器节点电路原理 图4为本发明的传感器-执行器网络节点布置图。具体实施方案:
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述:
如图1所示，本发明的农田自动灌溉系统，包括布置在农田内的多个农田喷水器，所述的每个农田喷水器上均设有一个执行器节点，所述执行器节点以ZigBee标准组成执行器网络，每个执行节点呈放射状连接有多个传感器节点，所述执行器网络通过电信号连接有数据处理单元和与数据处理单元相连的控制单元，所述传感器节点包括顺序连接的土壤湿度传感器、A/D转换器、单片机、无线芯片nRF9E5和GPRS无线通信模块，每一个节点分配有唯一的ID号，所述土壤湿度传感器设置在农田土壤中，所述土壤湿度传感器、A/D转换器、单片机、无线芯片HR F9E5通过电源模块供电；所述执行器节点包括顺序连接的流量控制阀、ARM9微处理器、无线芯片nRF905和通信模块，所述流量控制阀、ARM9微处理器、无线芯片nRF905通过电源模块供电，每一个节点分配有唯一的ID号，所述的数据处理单元对采集分布在农田内各个区域的土壤信息进行处理数据，然后计算出各个区域土壤的需水量，通过控制单元对农田区域划分数目的程序及各执行器节点中流量控制阀开口大小和开口时间的程序进行控制，分别向不同的执行器节点发送对应的控制信号，从而控制农田自动定量灌溉。工作原理:本明通过无线传感器-执行器网络基于物联网模式将农田分成若干区域，每一个区域内，分布有若干传感器节点和一个执行器节点，其分布如图4所示，多个区域的执行器节点以ZigBee标准组网构成执行器网络。所述传感器网络采用RECRP路由协议将监测到的信号传输到对应的执行器节点。每一个区域内的无线传感器节点构成一个小无线传感器网络。每一个区域内由传感器网络监测农田土壤墒情，然后将信息传输给对应的执行器节点，执行器节点经过简单的数据处理后，将数据传输给数据处理单元，数据处理单元综合考虑当前土壤的墒情信息及土地地势、农作物种类等因素将数据融合，将信息传输给控制单元，控制单元则根据相关信息向执行器发送控制指令以控制相应的流量控制阀的开口，从而保证农田的自动定量灌溉。图2所示为传感器节点原理图，在每一个小区域内，信息监测由若干无线传感器节点构成的小网络完成。每一个无线传感器节点包括电源模块，无线芯片nRF9E5，GPRS无线通信模块，MCU低功耗控制模块，A/D转换器和土壤温湿度传感器。节点由干电池供电，土壤温湿度传感器实时监测土壤墒情，然后经传输A/D转换器将模拟量转换为数字量并传输给MCU低功耗控制模块，MCU低功耗控制模块再控制无线芯片nRF9E5经GPRS无线通信模块将土壤墒情信息及自身ID号打包发送出去。无线传感器网络采用RECRP路由协议，能使各个传感器节点均匀消耗能量，延长了网络寿命。图3所示为执行器节点原理图，每一个小区域内只有一个执行器节点。执行器节点包括电源模块，无线芯片nRF905，GPRS无线通信模块，ARM9未处理器和流量控制阀。每一个执行器节点只能接收该区域内的无线传感器节点发送来的数据包，无线芯片nRF905经GPRS无线通信模块接收到由无线传感器节点发出的信息后，先判断ID号是否在自己接收的范围内，若不在则丢弃数据，若在则将数据传输到ARM9单片机，单片机综合处理该网络内所有传感器节点发送的信息，然后将该区域土壤总体墒情信息及执行器ID号打包发送出去。各执行器节点以ZigBee标准组网将信息传输到数据处理单元，ZigBee网络具有网络自组织、节点功耗低、成本低和信息传输可靠性高等优点，且在无线执行器网络上具有可行性。图4为传感器-执行器网络节点布置图，图中三角形代表执行器节点，圆圈代表传感器节点，各区域内的传感器节点和执行器节点均以上述方式监测该区域土壤墒情，并将所测信息及自身执行器节点ID号打包发送出去。数据处理单元综合处理各个执行器节点发送过来的数据，并融入当前土壤地势、农作物种类及农作物需水量等因素，计算出每一块区域应灌溉水量，然后将相关信息与该区域对应的执行器节点ID号打包传输给控制单元，控制单元根据该信息向执行器网络发送相应的控制信息。执行器网络中各节点在接受到信息时首先根据ID号判断是否是自己的控制指令，若不是 则传输给下一个节点。若是，则根据控制信息控制流量控制阀开口，实现农田的自动灌溉。
权利要求
1.一种农田自动灌溉系统，包括多个农田喷水器，其特征在于:所述的每个农田喷水器上均设有一个执行器节点，所述执行器节点以ZigBee标准组成执行器网络，每个执行节点呈放射状连接有多个传感器节点，所述执行器网络通过电信号连接有数据处理单元和与数据处理单元相连的控制单元，所述传感器节点包括顺序连接的土壤湿度传感器、A/D转换器、单片机、无线芯片nRF9E5和GPRS无线通信模块，所述土壤湿度传感器设置在农田土壤中，所述土壤湿度传感器、A/D转换器、单片机、无线芯片nRF9E5通过电源模块供电；所述执行器节点包括顺序连接的流量控制阀、ARM9微处理器、无线芯片nRF905和通信模块，所述流量控制阀、ARM9微处理器、无线芯片nRF905通过电源模块供电，所述的数据处理单元对采集分布在农田内各个区域的信息进行处理数据，通过控制单元对农田区域划分数目的程序及各执行器节点中流量控制阀开口大小和开口时间的程序进行控制，分别向不同的执行器节点发送对应的控制信号，从而控制农田自动定量灌溉。
2.根据权利要求1所述的基于传感器一执行器网络的农田自动灌溉系统，其特征在于:所述的数据处理单元由插入式计算机88F6281和GPRS无线通信模块相互连接组成。
3.根据权利要求1所述的农田自动灌溉系统，其特征在于:所述的单片机型号为MSP430F1611 ; 土壤湿度传感器采用TDR-5型温湿度一体化传感器；通信模块采用kelink-2010GPRS 无线通信模块，所述电源模块为蓄电池。
全文摘要
一种农田自动灌溉系统，基于适用于农田使用。包括多个农田喷水器，每个农田喷水器上均设有一个执行器节点，每个执行节点呈放射状连接有多个传感器节点，所述执行器网络通过电信号连接有数据处理单元和与数据处理单元相连的控制单元，所述传感器节点包括顺序连接的土壤湿度传感器、A/D转换器、单片机、无线芯片nRF9E5和GPRS无线通信模块，所述土壤湿度传感器、A/D转换器、单片机、无线芯片nRF9E5通过电源模块供电；所述执行器节点包括顺序连接的流量控制阀、ARM9微处理器、无线芯片nRF905和通信模块。结构简单、使用方便、提高水资源利用率。
文档编号A01G25/16GK103210817SQ201310149699
公开日2013年7月24日 申请日期2013年4月26日 优先权日2013年4月26日
发明者周公博, 蔡志雄, 朱真才, 张朋, 李伟, 曹国华 申请人:中国矿业大学