基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)田節(jié)水灌溉系統(tǒng)的研究
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采集終端主要由MCU單元、采集單元、太陽(yáng)能供電單元、通信單元、GPS定位單元等部分組成,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中,采集單元利用土壤濕溫度傳感器采集土壤墑情數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)經(jīng)嵌入式微控制器MCU(MicroControUer Unit)處理后,通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)上,中心計(jì)算機(jī)收集溫濕度數(shù)據(jù),并自動(dòng)顯示相關(guān)信息。土壤傳感器輸出的信號(hào)被信號(hào)調(diào)理電路處理后傳送到子系統(tǒng)內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC(AnMog—to—DistalConvener)。MCU定時(shí)啟動(dòng)ADC,進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換并取走數(shù)據(jù),然后把經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)通過(guò)串行口傳送到GPRS模塊,并啟動(dòng)該模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)被GPRS網(wǎng)絡(luò)接收后經(jīng)由網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)送至Internet,最后被連接到Intemet的中心站計(jì)算機(jī)接收[2]。
采集終端的核心控制MCU是整個(gè)采集系統(tǒng)的核心,考慮到成本和處理性能的要求,嵌入式MCU選用ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗8位微處理器ATmega128作為數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的處理器芯片。該芯片硬件資源豐富,具有功耗低、功能多、價(jià)格便宜和性能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。在該終端中核心處理器ATmega128單片機(jī)通過(guò)COM0直接與GPRS模塊相連接,完成對(duì)GPRS模塊的初始化和基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸功能。系統(tǒng)中的GPS模塊則通過(guò)ATmega128的COM1進(jìn)行通信。ATmega128自身帶有128K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器,下位機(jī)程序可直接通過(guò)編程器下載到片內(nèi)FLASH中。同時(shí)ATmega128再帶4K字節(jié)的EEPROM存儲(chǔ)器,傳感器采集數(shù)據(jù)直接存放在EEPROM中。在該設(shè)計(jì)中采用的GPRS通信模塊和GPS模塊接口均為T(mén)TL電平接口,可以直接與ATmega128單片機(jī)的串行接口進(jìn)行連接,接口電路如圖4、圖5所示:
嵌入式GPRS模塊的供電為直流5V供電,TXD、RXD為通信接口,在本設(shè)計(jì)中可直接連接至AVR單片機(jī)的串行接口上, ONLINE為在線指示接口,當(dāng)連接到網(wǎng)絡(luò)以后該端口輸出一個(gè)低電平信號(hào),通過(guò)74ALS04進(jìn)行反向以后驅(qū)動(dòng)D1發(fā)光二極管,當(dāng)發(fā)光二極管點(diǎn)亮以后便證明現(xiàn)在控制器已連接網(wǎng)絡(luò)。GPS模塊通過(guò)單片機(jī)的COM2口連接,如圖5所示。
在該采集終端中,土壤濕度傳感接口為0～5V模擬量接口,所以傳感器選擇昆侖海岸公司生產(chǎn)的JWSL一5VB保護(hù)型溫濕度變送器,其輸出信號(hào)為直流電壓信號(hào),范圍為0～5V,溫度與濕度信號(hào)從各自的通道輸出,相互獨(dú)立。傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)線性轉(zhuǎn)換處理后輸入到ATmega128的ADC1引腳,由ATmega128內(nèi)部的ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。ATmega128內(nèi)部的ADC具有8個(gè)通道,每通道的分辨率為10bit,輸入電壓范圍為0～5V,能夠滿足該系統(tǒng)數(shù)據(jù)巡回采集的需要。傳感器信號(hào)調(diào)理及與ATmega128的接口電路如圖6所示。傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)入該電路之后,首先經(jīng)過(guò)低通濾波。傳感器輸出的電壓信號(hào)本身可能有不穩(wěn)定因素,加上經(jīng)過(guò)長(zhǎng)電纜傳送,此過(guò)程中還會(huì)受到其他設(shè)備的干擾,很多中高頻噪聲疊加到信號(hào)中,所以在信號(hào)進(jìn)入處理器的ADC之前,先通過(guò)低通濾波器盡可能地把噪聲和干擾濾除。這里使用一階RC低通濾波器進(jìn)行濾波,截止頻率為15．92Hz,可以有效地衰減中高頻干擾成分,較好地反映出信號(hào)的變化。傳感器輸出信號(hào)通過(guò)濾波器后,再經(jīng)一級(jí)電壓跟隨器緩沖,由R1和R3組成的分壓電路轉(zhuǎn)換成0—4.09V的電壓信號(hào)后,再經(jīng)一級(jí)緩沖,最后送人處理器的ADC1端口(溫度信號(hào)送ADC1,濕度信號(hào)送ADC2)[2]。
7 結(jié)束語(yǔ)
本文設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)依據(jù)土壤墑情和作物需水情況制定最優(yōu)灌溉方案,對(duì)作物實(shí)行按需灌溉,最大限度的降低水資源的消耗,緩解水資源日趨緊張的矛盾,并且還為作物提供了更好的生長(zhǎng)環(huán)境,充沛發(fā)揚(yáng)現(xiàn)有節(jié)水配備的作用,優(yōu)化調(diào)度,提高效益。
參考文獻(xiàn):
[1]常波,基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,38(27):23.
[2]黃偉峰等,森林土壤溫濕度嵌入式遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)化研究,2009,(12):107-108.
作者簡(jiǎn)介:趙寒濤(1974-),男,高級(jí)工程師,從事機(jī)電一體化等方面的科研工作。
評(píng)論