【正文】 溫濕度傳感器，葉面溫濕度傳感器，莖稈莖流傳感器，光照傳感器等。，對(duì)灌溉區(qū)域進(jìn)行灌溉。，可以方便用戶根據(jù)不同的灌溉需求，設(shè)置不同的灌溉方法。，體積要小，便于安裝，并且具有良好的防水性，防雷電，耐高溫和低溫等性能，保證長時(shí)間穩(wěn)定工作在草莓種植中。、成本低。 總體設(shè)計(jì)方案在ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)中，路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)可以具有監(jiān)測控制第四章 無線自動(dòng)化監(jiān)測控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)的功能，這些節(jié)點(diǎn)設(shè)置為采集控制節(jié)點(diǎn)，使用電池供電，安裝在草莓種植中，用于傳感器數(shù)據(jù)采集和電磁閥控制的執(zhí)行。匯聚節(jié)點(diǎn)和采集控制節(jié)點(diǎn)組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，使用無線方式進(jìn)行通信。采集控制節(jié)點(diǎn)只是命令的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，需要通過上位機(jī)軟件發(fā)送命令，在通信過程中需要匯聚節(jié)點(diǎn)作為網(wǎng)關(guān)，和上位機(jī)通過有線方式進(jìn)行連接，轉(zhuǎn)發(fā)上位機(jī)的命令給采集控制節(jié)點(diǎn)，并且把采集控制節(jié)點(diǎn)命令執(zhí)行結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)。為了保證無線通信的穩(wěn)定性，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。上位機(jī)軟件自動(dòng)發(fā)送監(jiān)測控制指令，采集控制節(jié)點(diǎn)接收命令并執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)無線自動(dòng)化監(jiān)測灌溉控制。 系統(tǒng)的構(gòu)成系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖(如圖41)系統(tǒng)分為兩個(gè)部分:監(jiān)控系統(tǒng)和灌溉區(qū)域。圖41系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖 灌溉區(qū)域灌溉區(qū)域比如溫室、農(nóng)田里所需要灌溉的地方，已經(jīng)根據(jù)實(shí)際的需要，安裝有電磁閥和各種傳感器，比如脈沖電磁閥，土壤溫濕度傳感器，空氣溫濕度傳感器，葉面溫濕度傳感器等。采集控制節(jié)點(diǎn)定時(shí)采集傳感器的數(shù)據(jù)，上傳給上位機(jī)。接收上位機(jī)發(fā)送的指令來控制電磁閥的開啟和關(guān)閉，達(dá)到灌溉的目的。 監(jiān)控系統(tǒng)a. 監(jiān)控系統(tǒng)(如圖 42)簡介上位機(jī)和匯聚節(jié)點(diǎn)安裝在監(jiān)控系統(tǒng)，匯聚節(jié)點(diǎn)和灌溉區(qū)域內(nèi)的采集控制節(jié)點(diǎn)第四章 無線自動(dòng)化監(jiān)測控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，使用無線通信方式進(jìn)行通信。它需要把采集控制節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)。把上位機(jī)發(fā)送的電磁閥控制指令，轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的采集控制節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)通過RS232串口進(jìn)行有線通信，用戶可以恨據(jù)實(shí)際的需要，設(shè)置上位機(jī)中的灌溉程序，采用不同的方式進(jìn)行灌溉。為了保證無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信可靠，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用了網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)。圖42 監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署在實(shí)際監(jiān)測區(qū)域中，GPRS無線傳輸模塊負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)以短信形式傳輸。監(jiān)測中心通過 GPRS 網(wǎng)絡(luò)與傳感器網(wǎng)絡(luò)相連。監(jiān)控中心服務(wù)器再與 Internet 相連，讓每一個(gè) Internet 上的授權(quán)用戶都可以訪問它，從而實(shí)現(xiàn)信息共享。本系統(tǒng)僅就一個(gè)監(jiān)測區(qū)域來設(shè)計(jì)的，在有多個(gè)監(jiān)測區(qū)域的情形下，每一個(gè)傳感器區(qū)域都有一個(gè)匯節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)收集傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，這樣，各個(gè)匯節(jié)點(diǎn)把各監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)通過 GPRS 發(fā)送到監(jiān)控中心即圖中的計(jì)算機(jī)服務(wù)器。b. 系統(tǒng)模塊劃分概括而言，本系統(tǒng)主要由無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)控制器和監(jiān)控中心三部分組成。(如圖 43)(1)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)：它是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的基本單元，它負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、接收和發(fā)送。包括溫度、濕度等環(huán)境因子的檢測，一般通過相應(yīng)的傳感器采集。主要由網(wǎng)絡(luò)控制器節(jié)點(diǎn)和 ZigBee 傳感器終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)控制器節(jié)點(diǎn)是該網(wǎng)絡(luò)的控制中心，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和數(shù)據(jù)的處理等任務(wù)，該節(jié)點(diǎn)包含有ZigBee射頻收發(fā)和GPRS模塊；傳感器終端節(jié)點(diǎn)由分布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的各種傳感器與 ZigBee 無線模塊組成。它們根據(jù)監(jiān)控區(qū)域的要求，以星型或網(wǎng)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)構(gòu)成 ZigBee 無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)通過 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)上傳到網(wǎng)絡(luò)控制器節(jié)點(diǎn)，再由網(wǎng)絡(luò)控制器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)發(fā)送到 GPRS 網(wǎng)絡(luò)。第四章 無線自動(dòng)化監(jiān)測控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)(2) GPRS 傳輸網(wǎng)絡(luò)：將采集的信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)和操作人員可識(shí)別的信號(hào)量，并由 ARM 處理器進(jìn)行處理，或接收監(jiān)控中心下發(fā)的控制命令以進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，通過 GPRS 無線模塊與 GPRS 網(wǎng)絡(luò)建立無線連接，并最終通過與 GPRS 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。(3) 監(jiān)控中心：它由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫組成。它負(fù)責(zé)信息管理和傳感器網(wǎng)絡(luò)的管理，它由連接 GPRS 模塊的計(jì)算機(jī)服務(wù)器上的監(jiān)控軟件、數(shù)據(jù)庫服務(wù)軟件以及客戶機(jī)上的數(shù)據(jù)庫訪問軟件組成。管理軟件包括了后臺(tái)通信、人機(jī)交互界面、數(shù)據(jù)管理與分析等功能模塊，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。圖43 監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)實(shí)物圖c. 系統(tǒng)的特點(diǎn)本系統(tǒng)利用了 ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和 GPRS 網(wǎng)絡(luò)各自的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，以充分滿足環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的需要。其特點(diǎn)如下：(1) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)是面向短距離通信，而 GPRS 網(wǎng)絡(luò)是面向遠(yuǎn)距離通信，兩者能夠優(yōu)勢互補(bǔ)，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍、遠(yuǎn)距離的環(huán)境監(jiān)測。(2) ZigBee 單個(gè)節(jié)點(diǎn)成本低，而 GPRS 是按流量計(jì)費(fèi)，適合環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的小數(shù)據(jù)流量傳輸要求，整個(gè)系統(tǒng)的成本較低。(3) ZigBee 的功耗較低，傳感器節(jié)點(diǎn)除射頻接收部分外，其它模塊大部分時(shí)間都處于睡眠狀態(tài)，只有在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)才被喚醒，功耗較低，傳感器節(jié)點(diǎn)可工作在野外無交流供電狀況下，并且運(yùn)行時(shí)間較長。(4) GPRS 具有實(shí)時(shí)在線的特性，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延小，能很好的滿足系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性的要求，提高了信息處理能力。(5) GPRS 采用完善的頻分復(fù)用機(jī)制，具有很強(qiáng)的抗干擾性能，數(shù)據(jù)傳輸可靠。第四章 無線自動(dòng)化監(jiān)測控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)Zigbee 技術(shù)采用了碰撞避免機(jī)制，具有低的丟包率和傳輸出錯(cuò)率，這使得整個(gè)系統(tǒng)的信息收集和傳遞具有很高的可靠性。 本章小結(jié)結(jié)合上一章介紹的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，結(jié)合草莓監(jiān)測控制的需要，本章設(shè)計(jì)了一種用于草莓種植的無線自動(dòng)化監(jiān)測灌溉控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，系統(tǒng)各個(gè)部分的功能進(jìn)行了大體介紹。為下一章系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。第五章 農(nóng)業(yè)自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)硬件選型與設(shè)計(jì)第五章 農(nóng)業(yè)自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)硬件選型與設(shè)計(jì)在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)，把ZigBee節(jié)點(diǎn)按照功能分成了兩種，匯聚節(jié)點(diǎn)和采集控制節(jié)點(diǎn)。這兩種節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)完全相同，區(qū)別只是在網(wǎng)絡(luò)層。匯聚節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)和管理整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，而采集控制節(jié)點(diǎn)只需要加入網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)的硬件都由最基本的兩個(gè)部分組成:控制器和無線收發(fā)部分。根據(jù)不同節(jié)點(diǎn)的不同功能，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路[23]。根據(jù)總體的設(shè)計(jì)要求，采集控制節(jié)點(diǎn)的功能是采集所連接的傳感器的數(shù)據(jù)，控制電磁閥的開關(guān)，其硬件框圖如圖51所示圖51 硬件框圖本研究為了開發(fā)的方便，選擇的ZigBee模塊已經(jīng)集成了微處理器和無線收發(fā)器，微處理器通過模擬信號(hào)處理電路采集傳感器輸出的數(shù)據(jù)，通過輸出控制電路控制所接電磁閥的開關(guān)。電源處理電路把外部電源轉(zhuǎn)換為適合節(jié)點(diǎn)上不同元器件使用的電壓。RS232通訊接口電路用于節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)串口通信。匯聚節(jié)點(diǎn)不需要采集傳感器數(shù)據(jù)和控制電磁閥，因此外圍電路比較簡單，只保留采集控制節(jié)點(diǎn)中的ZigBee模塊、RS232通訊接口電路和電源處理電路即可。 ZigBee的模塊選型目前ZigBee微控制器、射頻收發(fā)器的生產(chǎn)廠商有多家。選用理想的無線收發(fā)芯片可以減少開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期，降低成本，更快的將產(chǎn)品推向市場。Jennic公司是最早推出 ZigBee SOC的廠商，在2006年初，Jennie公司推出了 JN512lMOxxx系列ZigBee模塊，低成本無線微型控制器，內(nèi)置一款16MHz犯位的RISC處理器，并集成有第五章 農(nóng)業(yè)自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)硬件選型與設(shè)計(jì)，不需要在設(shè)計(jì)RF電路和測試解決方案上投入開發(fā)精力和資金，能快速將傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品推向市場。本系統(tǒng)中的ZigBee無線通訊模塊是采用JN 5121Z01M02R模塊作為ZigBee模塊。該模塊內(nèi)置的64K的ROM存儲(chǔ)集成了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊與網(wǎng)狀網(wǎng)通訊的完整協(xié)議棧，方便應(yīng)用軟件的開發(fā)。96K的RAM存儲(chǔ)可以支持網(wǎng)絡(luò)路由和控制器功能而不需要外部擴(kuò)展任何的存儲(chǔ)空間。有一個(gè)電源放大器和LNA，集成功率放大器和低噪音放大器，可以用于較遠(yuǎn)距離(超過1km)的通訊。尺寸較小，為18x40mm，開發(fā)出的產(chǎn)品體積小。有四路12位的模擬量輸入，可以外接四路傳感器。SPI接口進(jìn)行串口通信。支持晶振休眠，可以降低功耗。其內(nèi)部有128位AES加密的安全處理器，硬件處理MAC地址加速和處理報(bào)文地址檢查，提升通訊報(bào)文的產(chǎn)生速度，硬件處理報(bào)文自動(dòng)確認(rèn)，報(bào)文的CRC生成和定時(shí)工作，保證了無線通信的安全性和穩(wěn)定性。在休眠模式下功耗小于5uA，報(bào)文接收電流小于50mA，報(bào)文發(fā)送電流小于40mA。接收靈敏度為93dBm，發(fā)射功率為：+ldBm〔28〕。通過對(duì)以上的各種參數(shù)分析，可以看出，該模塊非常適合應(yīng)用在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化監(jiān)控灌溉控制系統(tǒng)中采集控制節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的RS232接口電路中的芯片都是使用MAXIM公司的MAX3222芯片。這個(gè)芯片功耗較低，通信可靠。工作電壓范圍是 + +，額定電流是300uA，可完成TTL與RS232兩種電壓之間的轉(zhuǎn)換。達(dá)到降低功耗的目的。其各個(gè)引腳功能為:T1out和T2out為RS232發(fā)送器輸出。T1in、T2in為TTL發(fā)送器輸入。R1out和R2out為TTL接受器輸出。R1in、R2in為RS232接收器輸入。管腳Cl+、CI、CZ+、CZ、V+，滿足相應(yīng)的充電泵的要求。Vcc為電源輸入腳，可以減少電源的干擾。/EN為器件使能 。/SHEN為低功耗使能端，這兩個(gè)引腳可以控制驅(qū)動(dòng)器、接收器的工作狀態(tài)，啟動(dòng)或禁止自動(dòng)降低功能，從而使其工作在不同的能耗[24]。MAX3222的硬件連接電路圖(如圖52)所示，引腳RXDO、TXDO、EN、SHEN分別與JN5121模塊的UARTO的相應(yīng)管腳和IO口相連，RXD、TXD、CTS分別接到系統(tǒng)的RS232接線端子上，完成上位機(jī)通訊以及JN5121模塊的程序下載的功能。第五章 農(nóng)業(yè)自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)硬件選型與設(shè)計(jì)圖52 MAX3222的硬件連接電路圖在使用電池給節(jié)點(diǎn)供電的時(shí)候，傳感器的電源是節(jié)點(diǎn)提供的，傳感器的供電電壓為12V，為了減少電源電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度，節(jié)點(diǎn)采用12V電池供電。低功耗是ZigBee技術(shù)中突出的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，在電路設(shè)計(jì)的時(shí)候，采用了低功耗芯片，使整個(gè)節(jié)點(diǎn)也保持了較低的低功耗。，因此需要把12V電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換到芯片工作的電壓值。，輸入電壓范圍:，最高輸出電流:250mA。轉(zhuǎn)換效率非常高，在90%以上，具有完善的保護(hù)電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。12V電源處理電路如圖53所示:圖53 12V電源處理電路系統(tǒng)還要給外接的脈沖式電磁閥提供12V的直流電壓，考慮在控制脈沖電磁閥開關(guān)的時(shí)候，需要使用到比較大的電容充電后，釋放瞬時(shí)電流，為了降低節(jié)點(diǎn)工作的功耗，在節(jié)點(diǎn)休眠的時(shí)候，可以關(guān)斷給電容充電的電路，我們選用了研諾邏輯科技有限公司(AnalogicTech)的AAT4285芯片。這款芯片是高壓側(cè)負(fù)載開關(guān)。有較低的RDS(ON):在12V時(shí)為240m第五章 農(nóng)業(yè)自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)硬件選型與設(shè)計(jì)Ω。開關(guān)轉(zhuǎn)換速率為100us。工作溫度范圍是40℃85℃。該芯片具有使能端口，在節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)，通過 JN5121模塊控制V1EN，關(guān)閉使能端口，切斷其對(duì)電容供電，降低了節(jié)點(diǎn)休眠時(shí)的功耗。節(jié)點(diǎn)休眠喚醒后，使能端口打開，重新對(duì)電容供電。電磁閥電源控制電路如圖54所示圖54 電磁閥電源控制電路在實(shí)際電路應(yīng)用中，模擬信號(hào)采集是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。JN5121模塊有四路12位A/D，可以外接四路傳感器，根據(jù)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，把模擬信號(hào)處理接口電路即A/D采樣的輸入前端，設(shè)計(jì)成能夠處理一些標(biāo)準(zhǔn)電壓和電流信號(hào)(05V、420mA)的電路。采用這個(gè)電路，可以連接電壓或者電流信號(hào)輸出的標(biāo)準(zhǔn)相同，而類型不同的傳感器，比如土壤濕度傳感器，土壤溫度傳感器，空氣溫濕度，光照等傳感器。信號(hào)處理電路圖見圖55所示圖55 信號(hào)處理電路圖第五章 農(nóng)業(yè)自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)硬件選型與設(shè)計(jì)電路中采用運(yùn)算放大器LMV324加上外圍電路，組成電壓跟隨器，具有高輸入阻抗，低輸出阻抗，主要是起阻抗匹配、隔離的作用，防止后級(jí)的電路多前面信號(hào)產(chǎn)生影響。LMV324是四路運(yùn)算放大器，四路輸出正好可以接JN5121的四路A/D口。，低工作電流:410uA。工業(yè)級(jí)的工作溫度范圍:400C to 1250C。 JN5121四路AD測得的是電壓信號(hào)，內(nèi)部參考電壓是 ，當(dāng)所接傳感器的輸出信號(hào)為電流信號(hào)時(shí)，需要在LMV324的傳感器輸入端設(shè)計(jì)電阻，把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。在本研究設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，所使用的傳感器輸出的為420mA電流，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)120歐姆的電阻。為了降低節(jié)點(diǎn)在工作時(shí)的功耗，節(jié)點(diǎn)所控制的電磁閥選用雙穩(wěn)態(tài)電磁閥，這種電磁閥只需要提供一個(gè)很短時(shí)間的脈沖電平就可以打開或者關(guān)閉，而且只有在閥門狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)候才消耗電能，當(dāng)開關(guān)轉(zhuǎn)換完成后，在保持狀態(tài)下不耗電。本設(shè)計(jì)所采用的雙穩(wěn)態(tài)電磁閥為以色列BERMAD公司生產(chǎn)的電磁閥。脈沖式電磁閥的工作電壓為直流12V50V，它由三根電源線控制，分別為白線、紅線和黑線。白線為公共端接入線，當(dāng)白線和紅線之間產(chǎn)生一個(gè)12V以上的20100mS脈沖信號(hào)時(shí)，電磁閥就會(huì)打開，當(dāng)白線和黑線之間有一個(gè)脈沖信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，電磁閥就會(huì)關(guān)閉。經(jīng)過實(shí)際測量，使脈沖電磁閥驅(qū)動(dòng)需要的脈沖信號(hào)的瞬時(shí)電流值通常都比較人，沒計(jì)采用控制大電容瞬間放電的形式來提供所需要的大電流脈沖，具體電路如圖56所示:圖56 電磁閥電路第五章 農(nóng)業(yè)自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)硬件選型與設(shè)計(jì)圖中電容選擇的是10000u的大電容，電容電壓由AATT4285芯片的輸出電壓提供，通過一個(gè)防止反向充電的二極管和一個(gè)限流電阻接到電容的正極。電容的放電由JN5121模塊的I/O口通過一個(gè)限流電阻控制三極管D1691的開關(guān)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)，D1691是NPN型三極管，最大的導(dǎo)通電流為SA。二極管B340B的作用防止三極管截止時(shí)，產(chǎn)生過大的反向電流。采集控制節(jié)點(diǎn)一般采用蓄電池供電，所接的傳感器也需要蓄電池提供電源，當(dāng)傳感器的功耗比較大，或者需要灌溉比較頻繁的時(shí)候，只使用蓄電池供電，不能滿足系統(tǒng)工作的要求，這時(shí)我們可以