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背景：
  我國是人口大國,農業(yè)大國,同時也是貧水大國,雖然我國的淡水資源總量較大但人均占有量低,是全球13個人均水資源最貧乏的國家之一。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,進一步加劇了水資源緊缺的矛盾。農業(yè)作為國家的經(jīng)濟命脈和“用水大戶”,由于人們長期以來對水資源的不重視,對農業(yè)現(xiàn)代化的投資和技術都比較少,這就導致我國的農業(yè)現(xiàn)代化水平不高。

  為了克服我國農業(yè)方面的水資源利用率不高的問題,綜合實際情況,利用嵌入式技術和物聯(lián)網(wǎng)技術,研發(fā)出一套用于農業(yè)灌溉方面的節(jié)水系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠實時獲取農田信息,并且根據(jù)農田的條件設定灌溉量,大幅度地提高水資源的利用率,節(jié)省大量人力,達到智能灌溉節(jié)水的目的。

一、系統(tǒng)總體設計方案
  噴灌系統(tǒng)主要由上位機程序、中轉服務器、子控設備3部分組成。子控設備主要用于獲取農田監(jiān)測點的環(huán)境信息(如土壤濕度、光照強度)以及控制該監(jiān)測點的水量灌溉(即控制灌溉操作)。上位機程序本質是一個對話框程序,用戶通過該對話框程序可以十分簡單地獲取農田監(jiān)測點的環(huán)境信息、控制監(jiān)測點的水量灌溉操作(上位機程序發(fā)送對應的命令到子控設備,由子控設備執(zhí)行相應的操作)。中轉服務器用于管理各子控設備,并且實現(xiàn)上位機程序和子控設備之間的數(shù)據(jù)轉發(fā)功能。當上位機程序發(fā)送“獲取環(huán)境信息”命令到中轉服務器時,由中轉服務器將該控制命令發(fā)送給對應的子控設備。最后由子控設備將監(jiān)測點的環(huán)境信息發(fā)送到中轉服務器,由中轉服務器反饋給上位機程序。在上位機程序和子控設備的通信(即數(shù)據(jù)傳遞)之間引入中轉服務器的根本原因是,農田監(jiān)測點與中轉服務器之間的距離較遠,不宜用WIFI進行數(shù)據(jù)的傳輸,故采用NRF905模塊實現(xiàn)中轉服務器與子控設備間的遠距離數(shù)據(jù)傳遞。一般來說,中轉服務器和電腦放在室內,因此上位機程序和中轉服務器之間的通信可以借助于WIFI。

二、系統(tǒng)硬件設計

1、子控設備板硬件設計
  子控設備主要實現(xiàn)灌溉量的控制、獲取農田監(jiān)測點的環(huán)境信息兩個基本功能。硬件上主要包括ATmega16的最小系統(tǒng)、電機和電磁閥驅動電路、光照強度和土壤濕度檢測電路,這里主要介紹環(huán)境檢測電路硬件設計。對于農田環(huán)境的監(jiān)測,可以通過傳感器獲得。這里采用光敏電阻和濕敏電阻分別測量光照強度和土壤濕度,這些電阻在受到特定信號的刺激時,會使自身的阻值發(fā)生變化,通過DS18B20溫度芯片可以十分容易地獲取農田的溫度信息,通過HC-SR501人體紅外模塊監(jiān)測子控設備附近是否有人。最后為了計算出閥門是否堵塞,需要使用霍爾傳感器對水流量進行統(tǒng)計。

2、中轉服務器硬件設計
  中轉服務器的硬件電路主要分為lpc2138最小系統(tǒng)、TFT液晶接口、無線模塊接口、EPROM應用電路,這里主要介紹無線模塊接口電路。NRF905無線模塊具有SPI接口,通過ATmegea16的SPI接口,能夠方便地操作該模塊。由于單片機通過SPI接口下載程序,為防止NRF905對SPI總線占用而導致無法下載程序的現(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)軟件設計
3.1上位機程序軟件設計
  上位機程序將用戶命令發(fā)送到中轉服務器,由中轉服務器進行轉發(fā)。測試前中轉服務器先上電,并配置PC端的無線網(wǎng)卡連接到“SERVER”網(wǎng)絡,然后打開上位機程序并單擊菜單項中的連接按鈕,這時上位機程序會不斷地發(fā)送輪包給子控設備,只要子控設備收到輪詢包則必定給上位機發(fā)送應答,且通過應答包的data域反饋農田環(huán)境信息。通過上位機程序中的設備圖標便可知道子控設備是否在線且閥門是否阻塞。如圖4中的設備1的圖標顏色為紅色,表示閥門阻塞,其余設備的圖標為灰色,表示設備沒有在線。

3.2中轉服務器軟件設計
  中轉服務器的大體框架比較簡單,首先是調用DeviceInit函數(shù)初始化各硬件部分,然后程序進入死循環(huán)。每隔5ms檢測標志位,如果標志位被置位則表示可能有數(shù)據(jù)包到達,這時調用解碼函數(shù)對數(shù)據(jù)進行解碼。若解碼成功,表示收到上位機的控制包,這時根據(jù)Package結構的msg域可知消息內容,根據(jù)不同的消息進行相應地操作。若解碼失敗,說明上位機沒有發(fā)送數(shù)據(jù),這時服務器會自動發(fā)送注冊包給不在線的設備,進行輪詢注冊。

3.3子控設備板軟件設計
  控設備在復位后,調用個模塊的初始化函數(shù),完成各模塊的初始化。每3ms輪詢NRF905無線模塊,檢測其是否收到數(shù)據(jù),如果接收到數(shù)據(jù)則判斷該包是否發(fā)給本機。如果該數(shù)據(jù)包發(fā)給本機,則根據(jù)數(shù)據(jù)包中的消息類型判定其工作內容并進行響應,最后向中轉服務器發(fā)送應答包。

總結：
  該文提出一個基于物聯(lián)網(wǎng)智能無線傳感器網(wǎng)絡技術的精準噴灌節(jié)水監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)方法,該設計以WIFI無線技術為核心,結合嵌入式技術和節(jié)水灌溉技術,設計實現(xiàn)了通過子控設備節(jié)點實時采集田間土壤水分、溫濕度等各種數(shù)據(jù),由WIFI無線傳感器網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù),通過開發(fā)節(jié)水灌溉上位機軟件計算,灌溉流量監(jiān)測和電磁閥門堵塞的監(jiān)測,輸出指令,自動控制灌溉的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)的先進性及創(chuàng)新點在于節(jié)能與智能化結合,基于單片機控制的智能節(jié)水灌溉監(jiān)控系統(tǒng)制造成本低、體積小、結構簡單合理,而且只需在原供水裝置上增設自動控制電路即可實現(xiàn),操作方便,運行可靠。此系統(tǒng)應用與實際情況相結合,實現(xiàn)了農林智能化節(jié)能化噴灌,有一定的實用價值和推廣前景。在實際應用中,還有不完善的地方,還需要做進一步地改善和提高。

 來源：網(wǎng)絡收集整理（上海工開閥門）