【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。，對灌溉區(qū)域進行灌溉。，可以方便用戶根據(jù)不同的灌溉需求，設置不同的灌溉方法。，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，保證長時間穩(wěn)定工作在草莓種植中。、成本低。 總體設計方案在ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡特點中，路由節(jié)點和終端節(jié)點可以具有監(jiān)測控制第四章 無線自動化監(jiān)測控制系統(tǒng)的總體架構的功能，這些節(jié)點設置為采集控制節(jié)點，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)點和采集控制節(jié)點組成無線傳感器網(wǎng)絡，使用無線方式進行通信。采集控制節(jié)點只是命令的執(zhí)行機構，需要通過上位機軟件發(fā)送命令，在通信過程中需要匯聚節(jié)點作為網(wǎng)關，和上位機通過有線方式進行連接，轉(zhuǎn)發(fā)上位機的命令給采集控制節(jié)點，并且把采集控制節(jié)點命令執(zhí)行結果轉(zhuǎn)發(fā)給上位機。為了保證無線通信的穩(wěn)定性，網(wǎng)絡拓撲結構使用網(wǎng)狀拓撲結構。上位機軟件自動發(fā)送監(jiān)測控制指令，采集控制節(jié)點接收命令并執(zhí)行，從而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)無線自動化監(jiān)測灌溉控制。 系統(tǒng)的構成系統(tǒng)的整體架構圖(如圖41)系統(tǒng)分為兩個部分:監(jiān)控系統(tǒng)和灌溉區(qū)域。圖41系統(tǒng)的整體架構圖 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)點定時采集傳感器的數(shù)據(jù)，上傳給上位機。接收上位機發(fā)送的指令來控制電磁閥的開啟和關閉，達到灌溉的目的。 監(jiān)控系統(tǒng)a. 監(jiān)控系統(tǒng)(如圖 42)簡介上位機和匯聚節(jié)點安裝在監(jiān)控系統(tǒng)，匯聚節(jié)點和灌溉區(qū)域內(nèi)的采集控制節(jié)點第四章 無線自動化監(jiān)測控制系統(tǒng)的總體架構組成無線傳感器網(wǎng)絡，使用無線通信方式進行通信。它需要把采集控制節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給上位機。把上位機發(fā)送的電磁閥控制指令，轉(zhuǎn)發(fā)給相應的采集控制節(jié)點。匯聚節(jié)點和上位機通過RS232串口進行有線通信，用戶可以恨據(jù)實際的需要，設置上位機中的灌溉程序，采用不同的方式進行灌溉。為了保證無線傳感器網(wǎng)絡通信可靠，無線傳感器網(wǎng)絡采用了網(wǎng)狀拓撲結構進行組網(wǎng)。圖42 監(jiān)測系統(tǒng)的系統(tǒng)結構圖無線傳感器網(wǎng)絡部署在實際監(jiān)測區(qū)域中，GPRS無線傳輸模塊負責將數(shù)據(jù)以短信形式傳輸。監(jiān)測中心通過 GPRS 網(wǎng)絡與傳感器網(wǎng)絡相連。監(jiān)控中心服務器再與 Internet 相連，讓每一個 Internet 上的授權用戶都可以訪問它，從而實現(xiàn)信息共享。本系統(tǒng)僅就一個監(jiān)測區(qū)域來設計的，在有多個監(jiān)測區(qū)域的情形下，每一個傳感器區(qū)域都有一個匯節(jié)點負責收集傳感器節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)，這樣，各個匯節(jié)點把各監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)通過 GPRS 發(fā)送到監(jiān)控中心即圖中的計算機服務器。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)絡節(jié)點、網(wǎng)絡控制器和監(jiān)控中心三部分組成。(如圖 43)(1)無線傳感器網(wǎng)絡：它是整個網(wǎng)絡的基本單元，它負責數(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，一般通過相應的傳感器采集。主要由網(wǎng)絡控制器節(jié)點和 ZigBee 傳感器終端節(jié)點構成。網(wǎng)絡控制器節(jié)點是該網(wǎng)絡的控制中心，負責網(wǎng)絡的維護和數(shù)據(jù)的處理等任務，該節(jié)點包含有ZigBee射頻收發(fā)和GPRS模塊；傳感器終端節(jié)點由分布在監(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)型拓撲結構構成 ZigBee 無線監(jiān)測網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡主要負責監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)通過 ZigBee 網(wǎng)絡上傳到網(wǎng)絡控制器節(jié)點，再由網(wǎng)絡控制器節(jié)點將數(shù)據(jù)發(fā)送到 GPRS 網(wǎng)絡。第四章 無線自動化監(jiān)測控制系統(tǒng)的總體架構(2) GPRS 傳輸網(wǎng)絡：將采集的信號轉(zhuǎn)換為計算機和操作人員可識別的信號量，并由 ARM 處理器進行處理，或接收監(jiān)控中心下發(fā)的控制命令以進行相應的網(wǎng)絡設置，通過 GPRS 無線模塊與 GPRS 網(wǎng)絡建立無線連接，并最終通過與 GPRS 網(wǎng)絡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠距離傳輸。(3) 監(jiān)控中心：它由計算機、數(shù)據(jù)庫組成。它負責信息管理和傳感器網(wǎng)絡的管理，它由連接 GPRS 模塊的計算機服務器上的監(jiān)控軟件、數(shù)據(jù)庫服務軟件以及客戶機上的數(shù)據(jù)庫訪問軟件組成。管理軟件包括了后臺通信、人機交互界面、數(shù)據(jù)管理與分析等功能模塊，通過計算機網(wǎng)絡技術、數(shù)據(jù)庫技術和軟件平臺實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。圖43 監(jiān)測系統(tǒng)的結構實物圖c. 系統(tǒng)的特點本系統(tǒng)利用了 ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡和 GPRS 網(wǎng)絡各自的特點和優(yōu)點，以充分滿足環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的需要。其特點如下：(1) ZigBee 網(wǎng)絡是面向短距離通信，而 GPRS 網(wǎng)絡是面向遠距離通信，兩者能夠優(yōu)勢互補，能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍、遠距離的環(huán)境監(jiān)測。(2) ZigBee 單個節(jié)點成本低，而 GPRS 是按流量計費，適合環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的小數(shù)據(jù)流量傳輸要求，整個系統(tǒng)的成本較低。(3) ZigBee 的功耗較低，傳感器節(jié)點除射頻接收部分外，其它模塊大部分時間都處于睡眠狀態(tài)，只有在數(shù)據(jù)傳輸時才被喚醒，功耗較低，傳感器節(jié)點可工作在野外無交流供電狀況下，并且運行時間較長。(4) GPRS 具有實時在線的特性，數(shù)據(jù)傳輸時延小，能很好的滿足系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳輸實時性的要求，提高了信息處理能力。(5) GPRS 采用完善的頻分復用機制，具有很強的抗干擾性能，數(shù)據(jù)傳輸可靠。第四章 無線自動化監(jiān)測控制系統(tǒng)的總體架構Zigbee 技術采用了碰撞避免機制，具有低的丟包率和傳輸出錯率，這使得整個系統(tǒng)的信息收集和傳遞具有很高的可靠性。 本章小結結合上一章介紹的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡特點，結合草莓監(jiān)測控制的需要，本章設計了一種用于草莓種植的無線自動化監(jiān)測灌溉控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)的總體設計，系統(tǒng)各個部分的功能進行了大體介紹。為下一章系統(tǒng)的軟硬件設計提供了依據(jù)。第五章 農(nóng)業(yè)自動化灌溉系統(tǒng)硬件選型與設計第五章 農(nóng)業(yè)自動化灌溉系統(tǒng)硬件選型與設計在系統(tǒng)總體設計時，把ZigBee節(jié)點按照功能分成了兩種，匯聚節(jié)點和采集控制節(jié)點。這兩種節(jié)點硬件結構完全相同，區(qū)別只是在網(wǎng)絡層。匯聚節(jié)點啟動和管理整個無線傳感器網(wǎng)絡，而采集控制節(jié)點只需要加入網(wǎng)絡。每個ZigBee節(jié)點的硬件都由最基本的兩個部分組成:控制器和無線收發(fā)部分。根據(jù)不同節(jié)點的不同功能，設計相應的電路[23]。根據(jù)總體的設計要求，采集控制節(jié)點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，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。電源處理電路把外部電源轉(zhuǎn)換為適合節(jié)點上不同元器件使用的電壓。RS232通訊接口電路用于節(jié)點和上位機串口通信。匯聚節(jié)點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)自動化灌溉系統(tǒng)硬件選型與設計，不需要在設計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存儲集成了點對點通訊與網(wǎng)狀網(wǎng)通訊的完整協(xié)議棧，方便應用軟件的開發(fā)。96K的RAM存儲可以支持網(wǎng)絡路由和控制器功能而不需要外部擴展任何的存儲空間。有一個電源放大器和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地址加速和處理報文地址檢查，提升通訊報文的產(chǎn)生速度，硬件處理報文自動確認，報文的CRC生成和定時工作，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，報文接收電流小于50mA，報文發(fā)送電流小于40mA。接收靈敏度為93dBm，發(fā)射功率為：+ldBm〔28〕。通過對以上的各種參數(shù)分析，可以看出，該模塊非常適合應用在農(nóng)業(yè)自動化監(jiān)控灌溉控制系統(tǒng)中采集控制節(jié)點和匯聚節(jié)點的RS232接口電路中的芯片都是使用MAXIM公司的MAX3222芯片。這個芯片功耗較低，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。達到降低功耗的目的。其各個引腳功能為: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，這兩個引腳可以控制驅(qū)動器、接收器的工作狀態(tài)，啟動或禁止自動降低功能，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，完成上位機通訊以及JN5121模塊的程序下載的功能。第五章 農(nóng)業(yè)自動化灌溉系統(tǒng)硬件選型與設計圖52 MAX3222的硬件連接電路圖在使用電池給節(jié)點供電的時候，傳感器的電源是節(jié)點提供的，傳感器的供電電壓為12V，為了減少電源電路設計的復雜程度，節(jié)點采用12V電池供電。低功耗是ZigBee技術中突出的一個優(yōu)點，在電路設計的時候，采用了低功耗芯片，使整個節(jié)點也保持了較低的低功耗。，因此需要把12V電壓進行轉(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，具有完善的保護電路，包括電流限制及熱關斷電路等，利用該器件只需極少的外圍器件便可構成高效穩(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的時候，需要使用到比較大的電容充電后，釋放瞬時電流，為了降低節(jié)點工作的功耗，在節(jié)點休眠的時候，可以關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)負載開關。有較低的RDS(ON):在12V時為240m第五章 農(nóng)業(yè)自動化灌溉系統(tǒng)硬件選型與設計Ω。開關轉(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)點進入休眠狀態(tài)時，通過 JN5121模塊控制V1EN，關閉使能端口，切斷其對電容供電，降低了節(jié)點休眠時的功耗。節(jié)點休眠喚醒后，使能端口打開，重新對電容供電。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際電路應用中，模擬信號采集是一個重要環(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)設計的要求，把模擬信號處理接口電路即A/D采樣的輸入前端，設計成能夠處理一些標準電壓和電流信號(05V、420mA)的電路。采用這個電路，可以連接電壓或者電流信號輸出的標準相同，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。信號處理電路圖見圖55所示圖55 信號處理電路圖第五章 農(nóng)業(yè)自動化灌溉系統(tǒng)硬件選型與設計電路中采用運算放大器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，防止后級的電路多前面信號產(chǎn)生影響。LMV324是四路運算放大器，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)級的工作溫度范圍:400C to 1250C。 JN5121四路AD測得的是電壓信號，內(nèi)部參考電壓是 ，當所接傳感器的輸出信號為電流信號時，需要在LMV324的傳感器輸入端設計電阻，把電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號。在本研究設計的系統(tǒng)中，所使用的傳感器輸出的為420mA電流，因此需要設計一個120歐姆的電阻。為了降低節(jié)點在工作時的功耗，節(jié)點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很短時間的脈沖電平就可以打開或者關閉，而且只有在閥門狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時候才消耗電能，當開關轉(zhuǎn)換完成后，在保持狀態(tài)下不耗電。本設計所采用的雙穩(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，當白線和紅線之間產(chǎn)生一個12V以上的20100mS脈沖信號時，電磁閥就會打開，當白線和黑線之間有一個脈沖信號產(chǎn)生時，電磁閥就會關閉。經(jīng)過實際測量，使脈沖電磁閥驅(qū)動需要的脈沖信號的瞬時電流值通常都比較人，沒計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)自動化灌溉系統(tǒng)硬件選型與設計圖中電容選擇的是10000u的大電容，電容電壓由AATT4285芯片的輸出電壓提供，通過一個防止反向充電的二極管和一個限流電阻接到電容的正極。電容的放電由JN5121模塊的I/O口通過一個限流電阻控制三極管D1691的開關狀態(tài)實現(xiàn)，D1691是NPN型三極管，最大的導通電流為SA。二極管B340B的作用防止三極管截止時，產(chǎn)生過大的反向電流。采集控制節(jié)點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，當傳感器的功耗比較大，或者需要灌溉比較頻繁的時候，只使用蓄電池供電，不能滿足系統(tǒng)工作的要求，這時我們可以