低成本无线温室微灌监控系统研究

刘长亮，李永武，蒋新启，申兆亮，魏志明

（山东省农业机械科学研究院，济南 250100）

发展精细化、智能化节水灌溉系统，对农业灌溉进行科学合理管理，既能节省人力物力，又可提高劳动生产率，是应对水资源短缺和推进农业现代化的必然选择。微灌技术作为一种先进的节水灌溉技术，具有节水、低能耗、省工增效等诸多优点。大力发展温室微灌监控系统，具有广阔的应用市场和巨大的社会经济效益。目前，国内对温室节水灌溉系统研究逐渐增多，但真正推广的产品甚少，主因在于使用不便、安装调试工作量大、维护困难且价格偏高，很难进行大规模普及。针对这些制约因素，研发成本低廉、操作简单、性能可靠、坚固耐用的温室微灌监控系统成为我国设施农业的一个关键任务。在实现ZigBee技术和GPRS技术无缝对接的基础上，研制一种低成本的无线温室微灌监控系统，以期达到适用性强、成本低、易普及的效果。

1 无线温室微灌监控系统总体结构

1.1 温室微灌结构

所研发的温室微灌系统主要在农户棚室中使用，用于栽培经济价值较高的作物。可控温室的灌溉沟渠可按照图1所示的方式进行设计建设，这种方式可有效利用温室面积并达到高效灌溉的效果。

温室微灌系统可采用滴灌方式。作为微灌的一种，滴灌是一种针对作物根部或叶面的局部灌溉方式，对土壤结构影响较小，水分蒸发与作物蒸腾量较少，灌水利用率可达85%～95%。滴灌所用设备包括毛管、支管和干管。水从干管流向支管，通过支管流向毛管，再经过毛管均匀流向作物。连接支管和干管的关键部件是电磁阀，通过控制电磁阀的开合，即可使水流向作物或终止供水。温室区域面积和支管个数决定着电磁阀的个数，从而确定控制电路的设计思路。

图1 温室微灌系统示意图Figure 1 Schematic diagram of micro-irrigation system in greenhouse

1.2 监控系统结构

温室监控系统通过高性能传感器采集土壤湿度、空气温湿度、光照强度等数据，可科学准确地计算出作物供水量，进而达到节水灌溉的目的。

按照网络结构，温室监控系统可分为现场无线监控网络、本地监控中心和远程管理中心三层（如图2所示），主要有以下预期功能：

图2 温室微灌监控系统结构图Figure 2 Structure diagram of micro-irrigation monitoring system in greenhouse

1）数据采集功能：可采集来自温度传感器、湿度传感器、光照传感器、土壤湿度传感器等模拟量或数字量信号。

2）控制功能：具有自动控制、定时控制、循环控制、手动控制、短信控制等功能，用户可以根据需要灵活选用控制方式。

3）自动控制：汇聚节点根据传感器检测的温度、湿度和光照计算灌水量，将土壤湿度值与设定值比较，越限则自动启动对应的电磁阀进行灌溉操作，达到灌水量后停止灌溉。

4）定时控制：用户可对每个电磁阀分别设定起、停时间，每个电磁阀最多设置4个时间段，还可设置间隔天数。天数设为0表示每天，1表示间隔一天，依次类推。

5）循环控制：用户可对每个电磁阀分别设定起始时间和灌溉周期，控制器按设定好的时间自动循环灌溉。

6）手动控制：用户可对任意电磁阀进行手动起、停。

7）短信控制：用户可在任意有手机信号的地方发布控制命令，对电磁阀进行开关操作。

2 现场无线监控网络

现场无线监控网络主要包括汇聚节点、路由节点和终端节点三部分。端节点分为数据采集器和无线执行器，共同组成星形监控网络。数据采集器将环境参数发送给汇聚节点，汇聚节点将数据实时显示，并对其分析做出控制决定，然后将控制命令发给无线执行器，无线执行器接收到控制命令后驱动水泵、电磁阀的开关；汇聚节点连接GPRS模块，负责与用户进行短信互动，使用户在任意时间、任意地点均可了解温室现场的情况并对其进行远程控制。短信控制相比电脑操作更适于农民使用。

2.1 控制器选择

组成现场无线监控网络三部分的控制器均采用英国JENNIC公司生产的JN5139R1模块。该模块具有以下功能：一是集成了2.4G射频（免费频段）收发模块；二是支持晶振休眠和系统节能功能；三是内置硬件MAC地址和高度安全AES加密算法加速器；四是支持连续模拟和数字外设；五是技术资料齐全；六是开发工具简单易用。其引脚排列图和内部结构示意图见图3和图4。

图3 JN5139R1系列模块引脚排列图Figure 3 JN5139R1 series module pin arrangement diagram

图4 JN5139R1微控制器内部结构示意图Figure 4 Schematic diagram of internal structure of JN5139R1microcontroller

2.2 汇聚节点

汇聚节点主要负责组建ZigBee无线网络，允许路由节点和终端节点的加入和退出，接受来自数据采集器的环境信息并加以分析、显示，发送控制命令给无线执行器。同时，增加GPRS模块，用以负责与用户短信互动。

2.2.1 硬件结构和软件流程 汇聚节点以 JN5139R1无线微控制器模块为核心，GPRS模块采用SIMCOM公司的SIM300。根据功能需求，扩展硬件通讯接口，增添RS232接口，方便与GPRS模块直接相连，硬件结构见图5。根据硬件结构设计汇聚节点主程序，流程图如图6所示。

图5 汇聚节点硬件结构图Figure 5 Structural diagram of hardware of aggregation node

图6 汇聚节点主程序流程图Figure 6 Main program flow chart of aggregation node

2.2.2 人机交互界面 汇聚节点拟配备128＊64点阵液晶屏，支持中英文两种显示方式，可实时显示现场采集的各种数据。但JN5139R1模块原配备的液晶是美国BATRON公司生产的黑白屏液晶，其型号为BTHQ128064AVC1-STF-06-LED02YG-COG，考虑到该液晶屏进口价格太高（约800元/个），将其替换为MzL02D-12864（约50元/个）。该液晶为一块128*64点阵的LCD显示模组，模组上的LCM采用COG技术将控制（包括显存）、驱动器集成在LCM的玻璃上，接口简单、操作方便。3.3V的白色LED背光美观大方。可采用并行接口6800/8080时序或串行SPI的MPU接口方式。本设计采用SPI接口方式。

2.3 路由节点

路由节点以JN5139R1无线微控制器模块为核心，无需进行硬件拓展。路由节点用来转发数据，扩大网络规模，实现多跳网络。上电后首先进行相应的初始化操作，然后节点请求加入网络。加入网络后将获得一个网络短地址，然后进行数据转发即可。

2.4 终端节点

2.4.1 数据采集器 数据采集器作为无线传感器网络的终端节点，为上层的汇聚节点提供实时数据。它以JN5139R1无线微控制器模块为核心，扩展了通信接口、总线接口、传感器接口和供电接口设计。将不同传感器分别连接到数据采集器的传感器接口，经信号调理后接入JN5139R1的A/D通道，通过标定曲线转换得到对应的测量参数值，结构图见图7。主要包括空气温湿度传感器、光照传感器和土壤湿度传感器。

空气温湿度传感器采用了瑞士Sensirion公司的产品SHT11，这是一款低功耗的数字传感器，外形图如图8，其他性能参数见表1。

图7 数据采集器结构图Figure 7 Structural diagram of data collector

图8 SHT11引脚及外形图Figure 8 SHT11 pin and outline drawing

表1 SHT11的性能参数Table 1 Performance parameters of SHT11

光照传感器选用美国TAOS公司的TSL2550D，如图9所示。它是一款采用两线制串行接线方式的数字传感器，其工作电压为 2.7～5.5V，功耗低典型值是1mW。

图9 TSL2550D引脚及外形示意图Figure 9 Schematic diagram of TSL2550D pin and configuration

土壤湿度传感器采用的是TDR-3土壤水分传感器，其特点包括：价格低；支撑材料为环氧树脂，强度高，不容易受腐蚀，使用寿命长；稳定性高，土质影响小，大部分地区均可使用；安装维护操作简便；抗干扰性强，传送距离远，测量精度高，相应速度快。外形如图10。

图10 土壤湿度传感器外形图Figure 10 Outside drawing of soil moisture sensor

传感器选定后可以得出无线执行器硬件结构框图，见图11。

图11 无线执行器硬件结构框图Figure 11 Hardware structural diagram of wireless actuator

3 GPRS串口数据收发

本系统所采用的GPRS模块是SIMCOM公司生产的SIM300，可在全球范围 EGSM9000MHz、DCS1800MHz、PCS1900MHz频率下工作，能够提供GPRS多信道类型多达10个且支持4种编码方式，具有结构小巧、功耗低、扩展TCP/IP AT指令及单电压供电等优点，可以满足系统对外形、功能、功耗、供电等各方面的要求。

3.1 GPRS模块应用方式选择

GPRS模块的常见应用方式是利用GPRS模块进行短信收发和实现微处理器无线上网。由于这个系统利用GPRS所传输的数据量不是很大且主要应用对象为农民，故采用SMS短信息进行通讯较为方便。SMS短信息收发模式包括Block模式、基于AT命令的Text模式和PDU模式。

3.2 硬件构成方式

串口通信模式是汇聚节点的重要组成部分，它既是通过计算机向JN5139R1模块下载应用程序及在线调试的接口，又是连接GPRS模块的接口。JN5139R1模块有UART0和UART1两个串口，本设计采用UART0接口。

3.3 软件实现流程

以基于AT命令的TEXT模式为例，描述GPRS模块SIM300短信收发过程。

1）发送短信息：首先通过串口向SIM300模块发送一条 AT 指令“AT+CMGF＝1”，若模块返回“OK”，表示JN5139R1模块与SIM300的硬件连接成功。然后发送一条 AT 指令 “AT+CMGS＝’+8613*******’＜回车＞”，输入短信息内容，以Ctrl+Z结束并发送。

2）读取所有信息：先向SIM300模块发送一条AT指令，若模块返回“OK”，表示JN5139R1模块与SIM300 的硬件连接成功。 再发送“at+cmgl＝‘all’”，读取所有短信息，成功返回OK，否则ERROR。

4 系统分析

4.1 成本分析

JN5139R1系列模块的芯片价格为160元，加上外围器件的价格，终端节点核心裸板的价格大约在230元左右。汇聚节点增加液晶屏幕45元和GPRS模块300元。本系统用到的各设备成本见表2。

表2 温室微灌监控系统设备成本估算Table 2 Estimation of equipment cost of micro-irrigation monitoring system in greenhouse

每个温室的大小不同，需配备的节点个数也不同。最小系统需要配备每种类型的节点各1个，成本最低达1 000元，能满足农民用户对低成本的要求。

4.2 系统可靠性

为了提高系统的可靠性，汇聚节点和终端节点之间进行数据传输时采取间接传输方式。采用这种方式获得数据必须先发送数据请求，当汇聚节点判断有需要发送给该节点的数据时再发送，接到数据后终端节点可发送确认信息，这样可保障数据不会丢失，且终端节点大部分共组状态均处于休眠状态，节省能耗。

将系统进行集成模块化处理并实地测试，结果表明：该系统能够基本实现精确、自动灌溉，运行状况良好，为进一步研究推广奠定了基础。

［1］王智乾.基于PLC的温室模糊灌溉控制系统研究［D］.昆明理工大学，2012.

［2］李天来.全国设施蔬菜重点区域发展规划及北方寒区设施蔬菜生产基地的地位［R］.辽宁：朝阳设施农业发展高峰论坛，2012.

［3］陈辉.基于ZigBee与GPRS的温室番茄远程智能灌溉系统的研究与实现［D］.浙江大学，2013.

［4］南纪琴，宋毅夫，肖俊夫，等.温室灌溉系统的发展［J］.节水灌溉，2013，（9）：85-89.