專利名稱：一種農(nóng)田自動灌溉系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種農(nóng)田自動灌溉系統(tǒng)，尤其是一種基于無線傳感器一執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田自動灌溉系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
我國是一個(gè)水資源相對貧乏的國家，雖然我國水資源總量豐富，但人均水資源占有量只有2300立方米，僅為世界人均水平的1/5。而農(nóng)業(yè)灌溉是我國的用水大戶，其用水量約占總用水量的70%，長期以來，由于技術(shù)、管理水平落后，且農(nóng)村大部分地區(qū)仍采用漫灌的方式灌溉，導(dǎo)致灌溉用水浪費(fèi)十分嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用率僅40%。而如果根據(jù)監(jiān)測土壤墑情信息，實(shí)時(shí)控制灌溉時(shí)機(jī)和水量，有利于提高用水效率，針對此種方法，有人提出了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田灌溉系統(tǒng)，其通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤墑情，以實(shí)時(shí)控制灌溉量，但考慮到不同灌溉區(qū)域會由于地勢等因素，水會相互滲透，從而導(dǎo)致某些區(qū)域仍缺水，而另一些區(qū)域則供水過多的現(xiàn)象，因此該系統(tǒng)仍然不能有效地提高水資源利用率。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是針對已有技術(shù)中存在的問題，提供一種結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、提高水資源利用率、基于傳感器一執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測的農(nóng)田自動灌溉系統(tǒng)。技術(shù)方案:本發(fā)明的農(nóng)田自動灌溉系統(tǒng)，包括多個(gè)農(nóng)田噴水器，所述的每個(gè)農(nóng)田噴水器上均設(shè)有一個(gè)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，所述執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)以ZigBee標(biāo)準(zhǔn)組成執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)執(zhí)行節(jié)點(diǎn)呈放射狀連接有多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，所述執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)通過電信號連接有數(shù)據(jù)處理單元和與數(shù)據(jù)處理單元相連的控制單元，所述傳感器節(jié)點(diǎn)包括順序連接的土壤濕度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、無線芯片nRF9E5和GPRS無線通信模塊，所述土壤濕度傳感器設(shè)置在農(nóng)田土壤中，所述土壤濕度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、無線芯片nRF9E5通過電源模塊供電；所述執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)包括順序連接的流量控制閥、ARM9微處理器、無線芯片nRF905和通信模塊，所述流量控制閥、ARM9微處理器、無線芯片nRF905通過電源模塊供電，所述的數(shù)據(jù)處理單元對采集分布在農(nóng)田內(nèi)各個(gè)區(qū)域的土壤信息進(jìn)行處理數(shù)據(jù)，通過控制單元對農(nóng)田區(qū)域劃分?jǐn)?shù)目的程序及各執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)中流量控制閥開口大小和開口時(shí)間的程序進(jìn)行控制，分別向不同的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)發(fā)送對應(yīng)的控制信號，從而控制農(nóng)田自動定量灌溉。所述的數(shù)據(jù)處理單元由插入式計(jì)算機(jī)88F6281和GPRS無線通信模塊相互連接組成；3所述的單片機(jī)型號為MSP430F1611 ;土壤濕度傳感器采用TDR-5型溫濕度一體化傳感器；通信模塊采用kelink-2010GPRS無線通信模塊，所述電源模塊為蓄電池。 有益效果:本發(fā)明通過無線傳感器-執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)，形成能夠執(zhí)行分布式傳感和控制任務(wù)的傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)組成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中采用低功耗、低功率的微型傳感器節(jié)點(diǎn)，這種節(jié)點(diǎn)具備有限的信息處理能力和通信能力，而執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)則通常攜帶較多能量，同時(shí)具有較強(qiáng)信息處理、傳輸能力和一定的執(zhí)行能力。本發(fā)明基于傳感器一執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)對農(nóng)田實(shí)現(xiàn)自動灌溉，考慮土質(zhì)及地勢等因素的影響，能實(shí)現(xiàn)農(nóng)田按需灌溉；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在每一個(gè)區(qū)域中，采用RECRP路由協(xié)議，使各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)均勻消耗能量，延長了網(wǎng)絡(luò)壽命；本執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)由于不受節(jié)點(diǎn)體積的限制，可采用蓄電池供電，以保證能量充足；各個(gè)灌溉區(qū)域的傳感器節(jié)點(diǎn)將各自監(jiān)測到的土壤墑情信息傳輸給執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)經(jīng)簡單的數(shù)據(jù)處理后再將信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元根據(jù)各個(gè)區(qū)域的信息，綜合考慮各個(gè)區(qū)域之間的相互影響，如水在地下的相互滲透、不同作物需水量不同等因素，來處理數(shù)據(jù)，然后分別向不同的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)發(fā)送對應(yīng)的控制信號，從而控制農(nóng)田自動定量灌溉，并且在滿足農(nóng)作物用水需求量的同時(shí)盡量減少灌溉量，提高用水效率。


圖1為本發(fā)明的農(nóng)田自動灌溉系統(tǒng)的原理框 圖2為本發(fā)明的傳感器節(jié)點(diǎn)電路原理 圖3為本發(fā)明的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)電路原理 圖4為本發(fā)明的傳感器-執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布置圖。具體實(shí)施方案:
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例作進(jìn)一步的描述:
如圖1所示，本發(fā)明的農(nóng)田自動灌溉系統(tǒng)，包括布置在農(nóng)田內(nèi)的多個(gè)農(nóng)田噴水器，所述的每個(gè)農(nóng)田噴水器上均設(shè)有一個(gè)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，所述執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)以ZigBee標(biāo)準(zhǔn)組成執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)執(zhí)行節(jié)點(diǎn)呈放射狀連接有多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，所述執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)通過電信號連接有數(shù)據(jù)處理單元和與數(shù)據(jù)處理單元相連的控制單元，所述傳感器節(jié)點(diǎn)包括順序連接的土壤濕度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、無線芯片nRF9E5和GPRS無線通信模塊，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)分配有唯一的ID號，所述土壤濕度傳感器設(shè)置在農(nóng)田土壤中，所述土壤濕度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、無線芯片HR F9E5通過電源模塊供電；所述執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)包括順序連接的流量控制閥、ARM9微處理器、無線芯片nRF905和通信模塊，所述流量控制閥、ARM9微處理器、無線芯片nRF905通過電源模塊供電，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)分配有唯一的ID號，所述的數(shù)據(jù)處理單元對采集分布在農(nóng)田內(nèi)各個(gè)區(qū)域的土壤信息進(jìn)行處理數(shù)據(jù)，然后計(jì)算出各個(gè)區(qū)域土壤的需水量，通過控制單元對農(nóng)田區(qū)域劃分?jǐn)?shù)目的程序及各執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)中流量控制閥開口大小和開口時(shí)間的程序進(jìn)行控制，分別向不同的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)發(fā)送對應(yīng)的控制信號，從而控制農(nóng)田自動定量灌溉。工作原理:本明通過無線傳感器-執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)基于物聯(lián)網(wǎng)模式將農(nóng)田分成若干區(qū)域，每一個(gè)區(qū)域內(nèi)，分布有若干傳感器節(jié)點(diǎn)和一個(gè)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，其分布如圖4所示，多個(gè)區(qū)域的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)以ZigBee標(biāo)準(zhǔn)組網(wǎng)構(gòu)成執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)。所述傳感器網(wǎng)絡(luò)采用RECRP路由協(xié)議將監(jiān)測到的信號傳輸?shù)綄?yīng)的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)區(qū)域內(nèi)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)小無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。每一個(gè)區(qū)域內(nèi)由傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測農(nóng)田土壤墑情，然后將信息傳輸給對應(yīng)的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)經(jīng)過簡單的數(shù)據(jù)處理后，將數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元綜合考慮當(dāng)前土壤的墑情信息及土地地勢、農(nóng)作物種類等因素將數(shù)據(jù)融合，將信息傳輸給控制單元，控制單元則根據(jù)相關(guān)信息向執(zhí)行器發(fā)送控制指令以控制相應(yīng)的流量控制閥的開口，從而保證農(nóng)田的自動定量灌溉。圖2所示為傳感器節(jié)點(diǎn)原理圖，在每一個(gè)小區(qū)域內(nèi)，信息監(jiān)測由若干無線傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的小網(wǎng)絡(luò)完成。每一個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)包括電源模塊，無線芯片nRF9E5，GPRS無線通信模塊，MCU低功耗控制模塊，A/D轉(zhuǎn)換器和土壤溫濕度傳感器。節(jié)點(diǎn)由干電池供電，土壤溫濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤墑情，然后經(jīng)傳輸A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并傳輸給MCU低功耗控制模塊，MCU低功耗控制模塊再控制無線芯片nRF9E5經(jīng)GPRS無線通信模塊將土壤墑情信息及自身ID號打包發(fā)送出去。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用RECRP路由協(xié)議，能使各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)均勻消耗能量，延長了網(wǎng)絡(luò)壽命。圖3所示為執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)原理圖，每一個(gè)小區(qū)域內(nèi)只有一個(gè)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)。執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)包括電源模塊，無線芯片nRF905，GPRS無線通信模塊，ARM9未處理器和流量控制閥。每一個(gè)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)只能接收該區(qū)域內(nèi)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)包，無線芯片nRF905經(jīng)GPRS無線通信模塊接收到由無線傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出的信息后，先判斷ID號是否在自己接收的范圍內(nèi)，若不在則丟棄數(shù)據(jù)，若在則將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸RM9單片機(jī)，單片機(jī)綜合處理該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息，然后將該區(qū)域土壤總體墑情信息及執(zhí)行器ID號打包發(fā)送出去。各執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)以ZigBee標(biāo)準(zhǔn)組網(wǎng)將信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元，ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有網(wǎng)絡(luò)自組織、節(jié)點(diǎn)功耗低、成本低和信息傳輸可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，且在無線執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)上具有可行性。圖4為傳感器-執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布置圖，圖中三角形代表執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，圓圈代表傳感器節(jié)點(diǎn)，各區(qū)域內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)均以上述方式監(jiān)測該區(qū)域土壤墑情，并將所測信息及自身執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)ID號打包發(fā)送出去。數(shù)據(jù)處理單元綜合處理各個(gè)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并融入當(dāng)前土壤地勢、農(nóng)作物種類及農(nóng)作物需水量等因素，計(jì)算出每一塊區(qū)域應(yīng)灌溉水量，然后將相關(guān)信息與該區(qū)域?qū)?yīng)的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)ID號打包傳輸給控制單元，控制單元根據(jù)該信息向執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送相應(yīng)的控制信息。執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)在接受到信息時(shí)首先根據(jù)ID號判斷是否是自己的控制指令，若不是 則傳輸給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。若是，則根據(jù)控制信息控制流量控制閥開口，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田的自動灌溉。
權(quán)利要求
1.一種農(nóng)田自動灌溉系統(tǒng)，包括多個(gè)農(nóng)田噴水器，其特征在于:所述的每個(gè)農(nóng)田噴水器上均設(shè)有一個(gè)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，所述執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)以ZigBee標(biāo)準(zhǔn)組成執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)執(zhí)行節(jié)點(diǎn)呈放射狀連接有多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，所述執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)通過電信號連接有數(shù)據(jù)處理單元和與數(shù)據(jù)處理單元相連的控制單元，所述傳感器節(jié)點(diǎn)包括順序連接的土壤濕度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、無線芯片nRF9E5和GPRS無線通信模塊，所述土壤濕度傳感器設(shè)置在農(nóng)田土壤中，所述土壤濕度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、無線芯片nRF9E5通過電源模塊供電；所述執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)包括順序連接的流量控制閥、ARM9微處理器、無線芯片nRF905和通信模塊，所述流量控制閥、ARM9微處理器、無線芯片nRF905通過電源模塊供電，所述的數(shù)據(jù)處理單元對采集分布在農(nóng)田內(nèi)各個(gè)區(qū)域的信息進(jìn)行處理數(shù)據(jù)，通過控制單元對農(nóng)田區(qū)域劃分?jǐn)?shù)目的程序及各執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)中流量控制閥開口大小和開口時(shí)間的程序進(jìn)行控制，分別向不同的執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)發(fā)送對應(yīng)的控制信號，從而控制農(nóng)田自動定量灌溉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于傳感器一執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田自動灌溉系統(tǒng)，其特征在于:所述的數(shù)據(jù)處理單元由插入式計(jì)算機(jī)88F6281和GPRS無線通信模塊相互連接組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的農(nóng)田自動灌溉系統(tǒng)，其特征在于:所述的單片機(jī)型號為MSP430F1611 ; 土壤濕度傳感器采用TDR-5型溫濕度一體化傳感器；通信模塊采用kelink-2010GPRS 無線通信模塊，所述電源模塊為蓄電池。
全文摘要
一種農(nóng)田自動灌溉系統(tǒng)，基于適用于農(nóng)田使用。包括多個(gè)農(nóng)田噴水器，每個(gè)農(nóng)田噴水器上均設(shè)有一個(gè)執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)執(zhí)行節(jié)點(diǎn)呈放射狀連接有多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，所述執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)通過電信號連接有數(shù)據(jù)處理單元和與數(shù)據(jù)處理單元相連的控制單元，所述傳感器節(jié)點(diǎn)包括順序連接的土壤濕度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、無線芯片nRF9E5和GPRS無線通信模塊，所述土壤濕度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、無線芯片nRF9E5通過電源模塊供電；所述執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)包括順序連接的流量控制閥、ARM9微處理器、無線芯片nRF905和通信模塊。結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、提高水資源利用率。
文檔編號A01G25/16GK103210817SQ201310149699
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月26日
發(fā)明者周公博, 蔡志雄, 朱真才, 張朋, 李偉, 曹國華 申請人:中國礦業(yè)大學(xué)