基于GPRS和igBee的智能灌溉監控系統的設計

王福平　馮盼盼

摘要：為解決目前我國農業領域中水資源利用率低等問題，結合igBee無線傳感器網絡和GPRS技術，設計了1套以GPRS +igBee無線組網技術為核心的智能灌溉監控系統。igBee無線傳感器網絡由終端節點和協調器節點（網關節點基于IEEE 802154/igBee協議構建，終端節點對土壤、環境等信息讀取和傳輸來自上層的指令，協調器節點基于TCP/IP協議連接到監控服務器形成遠程灌溉監控網絡，將數據經過處理后發送至監控中心及手機用戶，實現對作物的精準灌溉。

關鍵詞：智能灌溉；無線傳感器網絡；GPRS技術；igBee

中圖分類號： TP2772；S126文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（201412-0404-03[HS][HT9SS]

收稿日期：2014-01-10

基金項目：國家自然科學基金（編號：61261045。

作者簡介：王福平（1963—，男，寧夏銀川人，教授，碩士生導師，研究方向為計算機控制技術。E-mail：w_fuping@126com。

目前我國農業領域由于水資源利用率低以及耕地管理效率低等問題，制約了農業的發展。在灌溉期澆水全憑農民的經驗和感覺，造成水資源的嚴重浪費，也使農作物不能得到最佳的生長環境，影響了農作物的產量和質量。近幾年來，物聯網技術在農業領域的應用逐步頻繁，集成短距離igBee、藍牙、蜂窩移動、衛星通訊等各種無線通訊技術和互聯網技術實現了信息的多尺度傳輸[1]。在農田灌溉中數據的傳輸要可靠及時，對灌水量的控制要精確。igBee具有短距離、低成本、低功耗的特點，主要適合應用于監控點密集又難于布線的場合；而GPRS網絡不受通訊距離的限制，通信可靠并使底層的igBee網絡與Internet網絡實現可靠的數據傳輸。本研究充分發揮2種無線技術的優勢，設計1套以GPRS+igBee無線組網技術為核心的智能灌溉監控系統。

1系統框架設計

基于GPRS+igBee無線組網技術的智能灌溉監控系統的總體結構如圖1所示，主要由無線傳感器網絡、中央監控服務器和終端監控系統組成。無線傳感器網絡通過對終端節點采集的數據信息進行處理，然后將處理后的數據通過igBee協議傳輸至協調器節點，將數據融合并打包傳輸到監控中心來完成數據的采集、處理和傳輸。中央監控服務器對接收到的數據結合氣象信息進行分析，并與專家決策系統信息按照一定算法（模糊控制得出決策信息，來控制電磁閥的開關。管理員可以采用PC機作為客戶端來進行用戶管理、信息查看和控制灌溉；通過登錄權限設置，用戶也可以通過PC機或手機來登錄終端監控系統，查看耕地的土壤墑情、灌水量及水費剩余等信息。

設計的智能灌溉監控系統具有以下主要功能：（1精準灌溉，上傳到服務器端的數據經過解析存儲到數據庫，通過專家系統利用模糊算法處理數據并結合作物在各個生長時期的不同需求，得出最佳的灌水時間和灌水量，以確保作物始終處于最優的生長環境，進而來保證作物的品質和產量。（2遠程管理，系統管理員和用戶可通過聯網以Web形式訪問監控中心，來進行管理。（3移動控制，持有手機移動終端的用戶可通過開通GPRS業務來查看所屬農田的信息、灌水量信息等，若遇特殊情況需要灌溉而系統不予灌溉時，用戶可通過手機終端界面來控制閥門，實施灌溉。（4智能施肥，通過對灌溉管道中灌溉肥水pH值、EC值的檢測，結合專家系統設定的適合各個作物生長時期的pH值和EC值，來控制施肥管道的開度以達到調整肥水的pH值、EC值的目的。

2無線傳感器網絡的設計

傳統的無線傳感器網絡組網方案是將節點隨機的放置在需要進行監控的地點，各個節點對自己的覆蓋區域進行數據采集，然后向匯聚節點進行數據傳送，離匯聚節點近的節點因數據采集和轉發的任務最重，能量消耗也最大。鑒于灌溉區域環境的面積廣闊，土壤條件差異大特點，設計了基于分簇結構的兩層無線傳感器網絡構成。無線傳感器網絡包括協調器節點和終端節點，利用基于igBee技術的協調器節點實現農田近距離數據采集傳輸，通過終端節點的GPRS模塊實現數據的遠程傳輸。適用于無線控制和自動化應用的較低速率的IEEE 802153技術，即igBee技術，每個igBee網絡最多可以設置254個從設備和一個主設備，節點間的距離可從標準的75 m，到擴展后的幾百米，甚至幾千米[5]。

21igBee節點硬件設計

igBee終端節點是無線傳感器網絡的基本單元，由數據采集模塊、信息處理模塊、射頻天線和電源模塊4部分組成（圖2。根據系統需求設計數據采集模塊由溫濕度傳感器、降雨量傳感器等組成。采用翻斗式雨量傳感器來測量降水量、降水強度和降水起止時間，并將脈沖信號傳輸到采集系統；信息處理模塊采用CC2430芯片，能滿足以igBee為基礎的24 GHz ISM波段應用對低成本，低功耗的要求。在單個芯片上整合了igBee射頻（RF前端、內存和微控制器， 結合[FL]

[F（W23][TPWFP1tif][F]

[FL（22]一個高性能24 GHz DSSS射頻收發器核心和一個小巧高效的8051控制器，CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。電源模塊采用高能大容量的堿性電池來提供電能[6]。

[F（W9][TPWFP2tif][F]

22GPRS協調器節點設計

igBee網絡面向的是短距離通信，GPRS面向的是遠距離通信，傳輸距離遠且數據可靠，兩者優勢互補，可以實現大范圍的農田數據監測。協調器節點主要負責igBee網絡與GPRS網絡的雙向數據傳輸，實際是一個基于igBee協議和GPRS協議的轉換網關（網關節點。本系統采用華為的GTM900無線模塊實現無線發送、接受和數據處理等功能，支持EGSM900/GSM1800頻段，內嵌TCP/IP協議，使用AT指令集，通過UART接口與外部CPU進行串口通信。GTM900模塊與數據處理模塊存儲CC2430芯片通過RS232接口連接，完成GPRS網絡的鏈接、數據的接受和發送等。

傳輸到GPRS模塊的數據經過內置的嵌入式處理器進行處理和協議封裝后發送到GPRS網上，由于GPRS網與互聯網都是基于IP協議且是互相連接的[7]，所以只要灌溉監控中心通過任意方式聯網就能通過GPRS網絡接收監測數據，并將數據信息保存到監控服務器的數據庫中。同時，監控中心中由專家系統得出的決策信息經過Internet和GPRS網絡發送到GPRS模塊中，再由GPRS模塊傳送至閥門控制器來控制遠端灌溉系統的運行。GPRS上電復位后，首先要對模塊進行初始化設置，如工作模式、接入網關、協議類型、通信波特率等，初始化設置后就可以發送撥號命令進行GPRS網絡連接，GPRS模塊初始化如下：（1設置通訊波特率，使用“AT+IPR=115200”命令設置波特率為115 200 bps；（2設置接入[JP2]網關，使用“AT+CGDCONT=1，”IP“，”CMNET命令設置為移動夢網的接入網關；（3測試是否開通，使用“AT+CGACT=1”命令，激活GPRS功能。如果返回O，可GPRS連接成功；如果返回ERROR，則表示GPRS連接失??；（4與監控中心建立TCP連接；使用“AT+CIPSTART=”TCP“，”1721855107“，”2020”命令建立TCP連接，其中“2020”為接入端口號；（5設置移動終端的類別，使用“AT+CGCLASS=B”命令設置移動終端的類別為B類，在同一時間只能運行一種業務，GPRS或GSM。

3中央監控服務器設計

中央監控服務器是整個系統信息管理和監控中心，是數據處理的重要環節，能夠為管理者提供充足的信息和快捷的查詢手段，大大方便管理者的管理。服務器端監控軟件采用Java語言來實現，實現數據的實時顯示。采用SQL Server 2000數據庫來存儲灌溉現場采集的信息及水費管理信息，數據庫存儲使數據的存儲結構化，不僅增加了存儲的效率，還使數據查詢更加高效。

31中央監控服務器的功能

建立的友好的人機交互平臺，可以實現監管中心與底層傳感器和閥門控制器的通信、數據傳輸及監控功能。利用GSM的SMS短消息業務實現向用戶發送灌溉控制信息；同時，用戶可向監管中心發送強制灌溉控制指令和土壤墑情數據提取指令，完成對灌溉的遠程監控[8-9]；其智能灌溉監控系統結構框圖如圖3。[FL]

[F（W16][TPWFP3tif][F]

[FL（22]32專家系統

灌溉專家決策系統采用模糊控制技術實現，設計了一個雙輸入-單輸出的二位節水灌溉控制器。控制器的輸入量為設定值與實際測量計算得到的差值（E，及其變化率（EC，輸出量為灌溉時間（U，并分別定義了7個語言變量，即NB、NM、NS、0、PS、PM、PB，采用簡單的三角形隸屬函數，選用的模糊推理條件語句為“if A and B then C”。根據作物不同生長階段的不同需求得出各階段的模糊控制表，查詢該表便可得到輸出量的量化等級，對輸出量去模糊化，即乘以比例因子，便可以得到灌溉時間。模糊控制系統結構示意圖如圖4所示。[FL]

[F（W10][TPWFP4tif][F]

[FL（22]4結論

本研究設計了一種基于igBee和GPRS技術的智能灌溉監控系統，具體研究了利用無線傳感器網絡實現農田信息的采集和智能節水灌溉的控制，設計了無線傳感器網絡和智能灌溉系統的具體實現方案。igBee技術不但具有低成本、低功耗的特點，而且避免了灌溉現場布線帶來的各種問題。并且利用Internet使用戶通過計算機訪問中央監控服務器，或通過手機利用用戶名登陸，隨時隨地查看農田信息及水費使用情況等，該智能灌溉系統可以實現節水灌溉，并有效改善農業生產及管理模式。

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