物聯(lián)網(wǎng)精準(zhǔn)噴灌節(jié)水監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用
2023/5/30 8:43:03??????點(diǎn)擊：
背景：
我國(guó)是人口大國(guó),農(nóng)業(yè)大國(guó),同時(shí)也是貧水大國(guó),雖然我國(guó)的淡水資源總量較大但人均占有量低,是全球13個(gè)人均水資源最貧乏的國(guó)家之一。由于大量工業(yè)廢水污染了部分河流、地表的淺層水資源,并且有逐年加重的趨勢(shì),進(jìn)一步加劇了水資源緊缺的矛盾。農(nóng)業(yè)作為國(guó)家的經(jīng)濟(jì)命脈和“用水大戶”,由于人們長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)水資源的不重視,對(duì)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的投資和技術(shù)都比較少,這就導(dǎo)致我國(guó)的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平不高。
為了克服我國(guó)農(nóng)業(yè)方面的水資源利用率不高的問(wèn)題,綜合實(shí)際情況,利用嵌入式技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),研發(fā)出一套用于農(nóng)業(yè)灌溉方面的節(jié)水系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)獲取農(nóng)田信息,并且根據(jù)農(nóng)田的條件設(shè)定灌溉量,大幅度地提高水資源的利用率,節(jié)省大量人力,達(dá)到智能灌溉節(jié)水的目的。
一、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
噴灌系統(tǒng)主要由上位機(jī)程序、中轉(zhuǎn)服務(wù)器、子控設(shè)備3部分組成。子控設(shè)備主要用于獲取農(nóng)田監(jiān)測(cè)點(diǎn)的環(huán)境信息(如土壤濕度、光照強(qiáng)度)以及控制該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水量灌溉(即控制灌溉操作)。上位機(jī)程序本質(zhì)是一個(gè)對(duì)話框程序,用戶通過(guò)該對(duì)話框程序可以十分簡(jiǎn)單地獲取農(nóng)田監(jiān)測(cè)點(diǎn)的環(huán)境信息、控制監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水量灌溉操作(上位機(jī)程序發(fā)送對(duì)應(yīng)的命令到子控設(shè)備,由子控設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的操作)。中轉(zhuǎn)服務(wù)器用于管理各子控設(shè)備,并且實(shí)現(xiàn)上位機(jī)程序和子控設(shè)備之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。當(dāng)上位機(jī)程序發(fā)送“獲取環(huán)境信息”命令到中轉(zhuǎn)服務(wù)器時(shí),由中轉(zhuǎn)服務(wù)器將該控制命令發(fā)送給對(duì)應(yīng)的子控設(shè)備。最后由子控設(shè)備將監(jiān)測(cè)點(diǎn)的環(huán)境信息發(fā)送到中轉(zhuǎn)服務(wù)器,由中轉(zhuǎn)服務(wù)器反饋給上位機(jī)程序。在上位機(jī)程序和子控設(shè)備的通信(即數(shù)據(jù)傳遞)之間引入中轉(zhuǎn)服務(wù)器的根本原因是,農(nóng)田監(jiān)測(cè)點(diǎn)與中轉(zhuǎn)服務(wù)器之間的距離較遠(yuǎn),不宜用WIFI進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸,故采用NRF905模塊實(shí)現(xiàn)中轉(zhuǎn)服務(wù)器與子控設(shè)備間的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳遞。一般來(lái)說(shuō),中轉(zhuǎn)服務(wù)器和電腦放在室內(nèi),因此上位機(jī)程序和中轉(zhuǎn)服務(wù)器之間的通信可以借助于WIFI。
二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1、子控設(shè)備板硬件設(shè)計(jì)
子控設(shè)備主要實(shí)現(xiàn)灌溉量的控制、獲取農(nóng)田監(jiān)測(cè)點(diǎn)的環(huán)境信息兩個(gè)基本功能。硬件上主要包括ATmega16的最小系統(tǒng)、電機(jī)和電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、光照強(qiáng)度和土壤濕度檢測(cè)電路,這里主要介紹環(huán)境檢測(cè)電路硬件設(shè)計(jì)。對(duì)于農(nóng)田環(huán)境的監(jiān)測(cè),可以通過(guò)傳感器獲得。這里采用光敏電阻和濕敏電阻分別測(cè)量光照強(qiáng)度和土壤濕度,這些電阻在受到特定信號(hào)的刺激時(shí),會(huì)使自身的阻值發(fā)生變化,通過(guò)DS18B20溫度芯片可以十分容易地獲取農(nóng)田的溫度信息,通過(guò)HC-SR501人體紅外模塊監(jiān)測(cè)子控設(shè)備附近是否有人。最后為了計(jì)算出閥門是否堵塞,需要使用霍爾傳感器對(duì)水流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。
2、中轉(zhuǎn)服務(wù)器硬件設(shè)計(jì)
中轉(zhuǎn)服務(wù)器的硬件電路主要分為lpc2138最小系統(tǒng)、TFT液晶接口、無(wú)線模塊接口、EPROM應(yīng)用電路,這里主要介紹無(wú)線模塊接口電路。NRF905無(wú)線模塊具有SPI接口,通過(guò)ATmegea16的SPI接口,能夠方便地操作該模塊。由于單片機(jī)通過(guò)SPI接口下載程序,為防止NRF905對(duì)SPI總線占用而導(dǎo)致無(wú)法下載程序的現(xiàn)象,需在MISO、MOSI、SCK引腳處添加阻值為10kΩ的隔離電阻。
3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1上位機(jī)程序軟件設(shè)計(jì)
上位機(jī)程序?qū)⒂脩裘畎l(fā)送到中轉(zhuǎn)服務(wù)器,由中轉(zhuǎn)服務(wù)器進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。測(cè)試前中轉(zhuǎn)服務(wù)器先上電,并配置PC端的無(wú)線網(wǎng)卡連接到“SERVER”網(wǎng)絡(luò),然后打開上位機(jī)程序并單擊菜單項(xiàng)中的連接按鈕,這時(shí)上位機(jī)程序會(huì)不斷地發(fā)送輪包給子控設(shè)備,只要子控設(shè)備收到輪詢包則必定給上位機(jī)發(fā)送應(yīng)答,且通過(guò)應(yīng)答包的data域反饋農(nóng)田環(huán)境信息。通過(guò)上位機(jī)程序中的設(shè)備圖標(biāo)便可知道子控設(shè)備是否在線且閥門是否阻塞。如圖4中的設(shè)備1的圖標(biāo)顏色為紅色,表示閥門阻塞,其余設(shè)備的圖標(biāo)為灰色,表示設(shè)備沒有在線。
3.2中轉(zhuǎn)服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)
中轉(zhuǎn)服務(wù)器的大體框架比較簡(jiǎn)單,首先是調(diào)用DeviceInit函數(shù)初始化各硬件部分,然后程序進(jìn)入死循環(huán)。每隔5ms檢測(cè)標(biāo)志位,如果標(biāo)志位被置位則表示可能有數(shù)據(jù)包到達(dá),這時(shí)調(diào)用解碼函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼。若解碼成功,表示收到上位機(jī)的控制包,這時(shí)根據(jù)Package結(jié)構(gòu)的msg域可知消息內(nèi)容,根據(jù)不同的消息進(jìn)行相應(yīng)地操作。若解碼失敗,說(shuō)明上位機(jī)沒有發(fā)送數(shù)據(jù),這時(shí)服務(wù)器會(huì)自動(dòng)發(fā)送注冊(cè)包給不在線的設(shè)備,進(jìn)行輪詢注冊(cè)。
3.3子控設(shè)備板軟件設(shè)計(jì)
控設(shè)備在復(fù)位后,調(diào)用個(gè)模塊的初始化函數(shù),完成各模塊的初始化。每3ms輪詢NRF905無(wú)線模塊,檢測(cè)其是否收到數(shù)據(jù),如果接收到數(shù)據(jù)則判斷該包是否發(fā)給本機(jī)。如果該數(shù)據(jù)包發(fā)給本機(jī),則根據(jù)數(shù)據(jù)包中的消息類型判定其工作內(nèi)容并進(jìn)行響應(yīng),最后向中轉(zhuǎn)服務(wù)器發(fā)送應(yīng)答包。
總結(jié)：
該文提出一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)智能無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的精準(zhǔn)噴灌節(jié)水監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法,該設(shè)計(jì)以WIFI無(wú)線技術(shù)為核心,結(jié)合嵌入式技術(shù)和節(jié)水灌溉技術(shù),設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了通過(guò)子控設(shè)備節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集田間土壤水分、溫濕度等各種數(shù)據(jù),由WIFI無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù),通過(guò)開發(fā)節(jié)水灌溉上位機(jī)軟件計(jì)算,灌溉流量監(jiān)測(cè)和電磁閥門堵塞的監(jiān)測(cè),輸出指令,自動(dòng)控制灌溉的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)的先進(jìn)性及創(chuàng)新點(diǎn)在于節(jié)能與智能化結(jié)合,基于單片機(jī)控制的智能節(jié)水灌溉監(jiān)控系統(tǒng)制造成本低、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單合理,而且只需在原供水裝置上增設(shè)自動(dòng)控制電路即可實(shí)現(xiàn),操作方便,運(yùn)行可靠。此系統(tǒng)應(yīng)用與實(shí)際情況相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了農(nóng)林智能化節(jié)能化噴灌,有一定的實(shí)用價(jià)值和推廣前景。在實(shí)際應(yīng)用中,還有不完善的地方,還需要做進(jìn)一步地改善和提高。
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