基于ZigBee与GPRS的变频灌溉远程监控系统

1.基于ZigBee与GPRS的变频灌溉远程监控系统，包括现场监控部分和远程监控中心两部分，其特征在于：现场监控部分包括数据采集节点、变频器控制节点、电磁阀控制节点和现场汇聚节点，现场监控部分的通信采用无线的ZigBee通信协议，网络拓扑结构为星型网络；远程监控中心由一台连接Internet网络的PC机及监控软件组成；数据采集节点采集灌溉现场的环境信息，电磁阀控制节点采集阀门的开关信息，变频器控制节点采集灌溉管道的压力信息，这些信息都发送到现场汇聚节点，现场汇聚节点再通过GPRS网络以TCP/IP协议的方式发送到远程监控中心；远程监控中心实时显示灌溉现场的信息，通过图形化的控制界面把控制指令以TCP/IP协议经GPRS网络发送到现场汇聚节点再由它发送到变频器控制节点和电磁阀控制节点，对灌溉进行精确控制；变频控制节点是一个恒压控制的闭环子系统，节点的处理器上设计了恒压控制的PID算法，它根据接收的监控中心的控制命令控制DA通道的输出电压，以控制变频器的频率，控制灌溉现场的水泵的转速，从而控制灌溉管道的压力，让系统在进行滴管或喷灌时能随时根据灌溉的需要改变管道的压力，保护管道，并且保证灌溉所需的压力的恒定；电池阀控制节点接收监控中心的控制命令后驱动电磁阀的开关；
数据采集节点包括JN5139无线单片机、光照强度传感器TSL2550D、空气温湿度传感器SHT11、土壤水分传感器TDR-3和天线，JN5139无线单片机分别与光照强度传感器TSL2550D，空气温湿度传感器SHT11，土壤水分传感器TDR-3，天线相连接，TSL2550D与SHT11均为数字信号输出，可直接与JN5139的I/O口相连；TDR-3的输出信号为0-2.5V的模拟电压，降压到0-2.0V后再送到JN5139的AD输入端；
变频器控制节点包括JN5139无线单片机、天线、第一HCNR201光电隔离模块、第二HCNR201光电隔离模块、变频器、水泵、管道和压力传感器，无线单片机JN5139与天线相连，JN5139的DA电压输出端经第一光耦HCNR201线性隔离与放大模块后再接到变频器的模拟电压输入端，变频器的三相电压输出端再与水泵的三相电压输入端相连；灌溉管道上安装有压力传感器，压力传感器的输出经第二线性光耦HCNR201线性隔离放大模块后再传送到JN5139，该节点构成闭环的恒压控制子系统；
电磁阀控制节点包括JN5139无线单片机、天线、光耦P521隔离放大模块、固态继电器和电磁阀，JN5139无线单片机与天线相连，JN5139的I/O输出端经光耦P521隔离放大模块后再与固态继电器相连接，固态继电器分别与各灌溉管道的电磁阀相连接；
现场汇聚节点包括JN5139无线单片机、GTM900 GPRS模块和天线，JN5139无线单片机分别与天线， GTM900 GPRS模块连接，JN5139与GTM900 GPRS模块是通过RS232串口进行通信。

基于ZigBee与GPRS的变频灌溉远程监控系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及农业节水智能灌溉的技术领域，具体是一种基于ZigBee与GPRS的变频灌溉远程监控系统。\n背景技术\n[0002] 我国的水资源已处于紧缺状态，其中农业用水量约占总用水量的75％ ，但目前我国农业灌溉用水的利用率仅为45％，浪费现象严重，发展自动化的糊节水灌溉技术势在必行。随着电子信息技术的飞速发展，自动化的节水灌溉系统已经有了很大的发展。传统的灌溉监控系统中多采用有线连接方式组成的上位机和下位机的二级系统，下位机一般为嵌入式的单片机，上位机通常为工控机，它们之间通过各种总线电缆来连接。但此类系统布线复杂，不易移动。特别是在监测范围较大，传感器及控制节点较多的情况下，安装布线和搬动都会面临很大的困难，而且大范围的布线也是一项不菲的投资。另一方面，在节水灌溉园区，特别是温室大棚内的滴灌或喷灌系统中，由于各温室大棚内作物的种植结构和种植时间不同，各大棚的灌水时间、灌水定额及整个园区的需水量均可视为随机的，而各大棚在灌溉时所需的压力是一定的，是属于恒压变流供水。通过采用变频灌溉的方式不但能够满足灌溉流量和管道压力随时变化的要求，同时节约能源和水资源，保护滴管或喷灌管道。\n发明内容\n[0003] 本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于ZigBee与GPRS技术的变频灌溉远程监控系统。\n[0004] 基于ZigBee与GPRS的变频灌溉远程监控系统包括现场监控部分和远程监控中心两部分，其中现场监控部分包括数据采集节点、变频器控制节点、电磁阀控制节点和现场汇聚节点，现场监控部分的通信采用无线的ZigBee通信协议，网络拓扑结构为星型网络；远程监控中心由一台连接Internet网络的PC机与监控软件组成；数据采集节点采集灌溉现场的环境信息，电磁阀控制节点采集阀门的开关信息，变频器控制节点采集灌溉管道的压力信息，这些信息都发送到现场汇聚节点，现场汇聚节点再通过GPRS网络以TCP/IP协议的方式发送到远程监控中心；远程监控中心实时显示灌溉现场的信息，通过图形化的控制界面把控制指令以TCP/IP协议经GPRS网络发送到现场汇聚节点再由它发送到变频器控制节点和电磁阀控制节点，对灌溉进行精确控制；变频控制节点是一个恒压控制的闭环子系统，节点的处理器上设计了恒压控制的PID算法，它根据接收的监控中心的控制命令控制DA通道的输出电压，以控制变频器的频率，控制灌溉现场的水泵的转速，从而控制灌溉管道的压力，让系统在进行滴管或喷灌时能随时根据灌溉的需要改变管道的压力，保护管道，并且保证灌溉所需的压力的恒定；电池阀控制节点接收监控中心的控制命令后驱动电磁阀的开关。\n[0005] 数据采集节点包括JN5139无线单片机、光照强度传感器TSL2550D、空气温湿度传感器SHT11、土壤水分传感器TDR-3和天线，JN5139无线单片机分别与光照强度传感器TSL2550D，空气温湿度传感器SHT11，土壤水分传感器TDR-3，天线相连接。TSL2550D与SHT11均为数字信号输出，可直接与JN5139的I/O口相连；TDR-3的输出信号为0-2.5V的模拟电压，降压到0-2.0V后再送到JN5139的AD输入端（JN5139的AD输入范围为0-2.4V）。\n[0006] 变频器控制节点包括JN5139无线单片机、天线、第一HCNR201光电隔离模块、第二HCNR201光电隔离模块、变频器、水泵、管道和压力传感器，无线单片机JN5139与天线相连，JN5139的DA电压输出端经第一光耦HCNR201线性隔离与放大模块后再接到变频器的模拟电压输入端，变频器的三相电压输出端再与水泵的三相电压输入端相连；灌溉管道上安装有压力传感器，压力传感器的输出经第二线性光耦HCNR201线性隔离放大模块后再传送到JN5139。该节点构成闭环的恒压控制子系统。\n[0007] 电磁阀控制节点包括JN5139无线单片机、天线、光耦P521隔离放大模块、固态继电器和电磁阀，JN5139无线单片机与天线相连，JN5139的I/O输出端经光耦P521隔离放大模块后再与固态继电器相连接，固态继电器分别与各灌溉管道的电磁阀相连接。\n[0008] 现场汇聚节点包括JN5139无线单片机、GTM900 GPRS模块和天线，JN5139无线单片机分别与天线， GTM900 GPRS模块连接。JN5139与GTM900 GPRS模块是通过RS232串口进行通信。\n[0009] 本发明有益效果是：\n[0010] 1）ZigBee技术自组织、低成本、低功耗的特点，是灌溉现场的监控网络构建非常简单，省去了传统监控网络中复杂的电缆布线。系统安装维护简便，易于扩展。\n[0011] 2）结合了无线传感网络中的ZigBee技术和GPRS技术，即充分利用了无线传感器网络节点灵活、节点部署方便的特点，又利用了GPRS技术扩展了无线传感器网络数据的传输范围，实现了无人值守的灌溉远程监控，可以根据现场环境信息进行智能的精确灌溉。\n[0012] 3）为适应节水灌区恒压变流灌溉的需要，设计了变频器控制节点。该节点由无线单片机JN5139、两个HCNR201线性隔离与放大模块、变频器、水泵和压力传感器组成一个闭环的控制系统，微控制器JN5139上设计了恒压控制的PID算法程序。JN5139根据接收的监控中心的控制命令控制DA通道的输出电压来控制变频器的频率，以控制灌溉现场的水泵的转速，从而控制灌溉管道的水压力，让系统在进行滴管或喷灌时能根据灌溉的需要改变管道的压力，保护管道和保证灌溉所需的压力的恒定。\n附图说明\n[0013] 图1是基于ZigBee与GPRS技术的变频灌溉远程监控系统的结构框图；\n[0014] 图2是本发明的数据采集节点电路框图；\n[0015] 图3是本发明的变频器控制节点电路框图；\n[0016] 图4是本发明的电磁阀控制节点电路框图；\n[0017] 图5是本发明的现场汇聚节点的电路框图；\n[0018] 图6是本发明的监控中心软件功能图。\n具体实施方式\n[0019] 如图1所示，基于ZigBee与GPRS技术的变频灌溉远程监控系统包括现场监控部分和远程监控中心两部分，其中现场监控部分包括数据采集节点、变频器控制节点、电磁阀控制节点和现场汇聚节点，现场监控部分的通信采用无线的ZigBee通信协议；远程监控中心由一台连接Internet网络的PC机及相应的监控软件组成；数据采集节点采集灌溉现场的环境信息，电磁阀控制节点采集阀门的开关信息，这些信息都发送到现场汇聚节点，现场汇聚节点再通过GPRS网络以TCP/IP协议的方式发送到远程监控中心；远程监控中心实时显示灌溉现场的信息，通过图形化的控制界面把控制指令以TCP/IP协议经GPRS网络发送到现场汇聚节点再由它发送到变频器控制节点和电磁阀控制节点，对灌溉进行精确控制；\n变频控制节点是一个恒压控制的闭环子系统，节点的处理器上设计了恒压控制的PID算法，它根据接收的监控中心的控制命令控制DA通道的输出电压，以控制变频器的频率，控制灌溉现场的水泵的转速，从而控制灌溉管道的压力，让系统在进行滴管或喷灌时能随时根据灌溉的需要改变管道的压力，保护管道，并且保证灌溉所需的压力的恒定；电池阀控制节点接收监控中心的控制命令后驱动电磁阀的开关。另外，数据采集节点、变频器控制节点、电磁阀控制节点的总数理论上可增加到254个，系统既有极强的扩展能力。\n[0020] 如图2所示，数据采集节点中，空气温湿度传感器SHT11、光照强度传感器TSL2550D、土壤水分传感器TDR-3分别把采集的信息传送到无线单片机JN5139中，再由JN5139把所有采集的信息经现场汇聚节点发送到监控中心。由于通常灌溉现场的环境数据变化比较缓慢，因此数据采集节点采用定时休眠发送数据的方式，只有定时周期结束后才进行数据采集和发送，其余时间处于休眠状态。这大大就减低了节点的功耗，若使用电池供电可极大地提高电池寿命。\n[0021] 如图3所示，变频器控制节点本身就是一个闭环恒压控制系统。变频器采用380V交流三相电供电，为防止变频器的强电系统产生的干扰，无线单片机JN5139的DA电压输出经线性光耦HCNR201模块隔离放大后再接到变频器的模拟电压输入端,这样就可以通过改变DA输出的大小来改变变频器的频率；同样为了防止管道水泵引起的各种干扰，压力传感器的输出也同样经线性光耦HCNR201模块隔离放大后再传送到JN5139。这些抗干扰的措施充分保证了系统的稳定运行。JN5139上设计了恒压控制的PID算法程序。监控中心把设定的管道压力值发送到本节点的JN5139上后，JN5139根据事先经实验测得的压力和DA输出值的关系算得需输出DA电压值后输出。变频器和水泵相应地运转起来后，压力传感器把采样的管道压力值反馈到JN5139，JN5139再根据PID算法程序调整DA输出，以保证输出压力的恒定。\n[0022] 如图4所示，在电磁阀控制节点中，由于固态继电器采用的是24V的交流供电，为防止固态继电器对无线单片机JN5139系统的干扰，因此微处理器JN5139的I/O输出与固态继电器之间采用光耦P521进行隔离。该节点的JN5139根据监控中心的控制命令来控制电磁阀的开关，并且周期性地采集电池阀的开关状态，把数据上传到监控中心。\n[0023] 如图5所示，现场汇聚节点中的无线单片机JN5139作为灌溉现场的ZigBee星型网络的协调器，负责建立和维护灌溉现场的ZigBee网络，并且收集各节点的信息。GTM900 GPRS模块通过RS232串口与JN5139进行通信。系统运行后，GTM900立刻与监控中心建立TCP连接。JN5139发灌溉现场的数据通过串口发送给GTM900，GTM900再把数据发送到监控中心。监控中心发送过来的控制命令也是先经过GTM900再通过串口发送到JN5139，再由JN5139发送到各需要控制的节点。\n[0024] 如图6所示，监控中心的监控软件的功能模块主要包括网络连接、数据显示和灌溉控制三部分。网络连接部分的主要功能是让远程监控中心通过Socket套接字与灌溉现场的现场汇聚节点建立TCP连接。数据显示部分主要功能是实时显示灌溉现场的空气温湿度、光照、土壤水分和管道压力数据，并把这些数据存入SQL SERVER 2008数据库中，便于日后的数据分析。灌溉控制部分包括定时控制、参量控制、手动控制、智能控制和管道压力设定等功能。定时控制是指系统可提前设定某天24小时内电磁阀的开、关时间和电磁阀开状态的持续时间。参量控制是指系统可根据灌溉现场的传感器采集的环境数据的上下限自动开关电磁阀,如可设定在土壤水分到达下限时开电磁阀，到达上限时关电磁阀。智能控制是指系统根据现场的环境信息、天气预报信息和作物的需水模型来进行智能灌溉。