專利名稱：基于ZigBee與GPRS的變頻灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)節(jié)水智能灌溉的技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于ZigBee與GPRS的變頻灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
我國的水資源已處于緊缺狀態(tài)，其中農(nóng)業(yè)用水量約占總用水量的75%，但目前我國農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用率僅為45%，浪費現(xiàn)象嚴重，發(fā)展自動化的糊節(jié)水灌溉技術(shù)勢在必行。隨著電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，自動化的節(jié)水灌溉系統(tǒng)已經(jīng)有了很大的發(fā)展。傳統(tǒng)的灌溉監(jiān)控系統(tǒng)中多采用有線連接方式組成的上位機和下位機的二級系統(tǒng)，下位機一般為嵌入式的單片機，上位機通常為工控機，它們之間通過各種總線電纜來連接。但此類系統(tǒng)布線復(fù)雜，不易移動。特別是在監(jiān)測范圍較大，傳感器及控制節(jié)點較多的情況下，安裝布線和搬動都會面臨很大的困難，而且大范圍的布線也是一項不菲的投資。另一方面，在節(jié)水灌溉園區(qū)，特別是溫室大棚內(nèi)的滴灌或噴灌系統(tǒng)中，由于各溫室大棚內(nèi)作物的種植結(jié)構(gòu)和種植時間不同，各大棚的灌水時間、灌水定額及整個園區(qū)的需水量均可視為隨機的，而各大棚在灌溉時所需的壓力是一定的，是屬于恒壓變流供水。通過采用變頻灌溉的方式不但能夠滿足灌溉流量和管道壓力隨時變化的要求，同時節(jié)約能源和水資源，保護滴管或噴灌管道。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于ZigBee與GPRS技術(shù)的變頻灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)。
基于ZigBee與GPRS的變頻灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)包括現(xiàn)場監(jiān)控部分和遠程監(jiān)控中心兩部分，其中現(xiàn)場監(jiān)控部分包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點、變頻器控制節(jié)點、電磁閥控制節(jié)點和現(xiàn)場匯聚節(jié)點，現(xiàn)場監(jiān)控部分的通信采用無線的ZigBee通信協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)為星型網(wǎng)絡(luò)；遠程監(jiān)控中心由一臺連接hternet網(wǎng)絡(luò)的PC機與監(jiān)控軟件組成；數(shù)據(jù)采集節(jié)點采集灌溉現(xiàn)場的環(huán)境信息，電磁閥控制節(jié)點采集閥門的開關(guān)信息，變頻器控制節(jié)點采集灌溉管道的壓力信息，這些信息都發(fā)送到現(xiàn)場匯聚節(jié)點，現(xiàn)場匯聚節(jié)點再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)以TCP/IP協(xié)議的方式發(fā)送到遠程監(jiān)控中心；遠程監(jiān)控中心實時顯示灌溉現(xiàn)場的信息，通過圖形化的控制界面把控制指令以TCP/IP協(xié)議經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到現(xiàn)場匯聚節(jié)點再由它發(fā)送到變頻器控制節(jié)點和電磁閥控制節(jié)點，對灌溉進行精確控制；變頻控制節(jié)點是一個恒壓控制的閉環(huán)子系統(tǒng)， 節(jié)點的處理器上設(shè)計了恒壓控制的PID算法，它根據(jù)接收的監(jiān)控中心的控制命令控制DA 通道的輸出電壓，以控制變頻器的頻率，控制灌溉現(xiàn)場的水泵的轉(zhuǎn)速，從而控制灌溉管道的壓力，讓系統(tǒng)在進行滴管或噴灌時能隨時根據(jù)灌溉的需要改變管道的壓力，保護管道，并且保證灌溉所需的壓力的恒定；電池閥控制節(jié)點接收監(jiān)控中心的控制命令后驅(qū)動電磁閥的開關(guān)。
數(shù)據(jù)采集節(jié)點包括JN5139無線單片機、光照強度傳感器TSL2550D、空氣溫濕度傳感器SHT11、土壤水分傳感器TDR-3和天線，JN5139無線單片機分別與光照強度傳感器TSL2550D,空氣溫濕度傳感器SHT11，土壤水分傳感器TDR-3，天線相連接。TSL2550D與 SHTll均為數(shù)字信號輸出，可直接與JN5139的I/O 口相連；TDR-3的輸出信號為0-2. 5V的模擬電壓，降壓到0-2. OV后再送到JN5139的AD輸入端(JN5139的AD輸入范圍為0-2. 4V)。
變頻器控制節(jié)點包括JN5139無線單片機、天線、第一 HCNR201光電隔離模塊、第二 HCNR201光電隔離模塊、變頻器、水泵、管道和壓力傳感器，無線單片機JN5139與天線相連， JN5139的DA電壓輸出端經(jīng)第一光耦HCNR201線性隔離與放大模塊后再接到變頻器的模擬電壓輸入端，變頻器的三相電壓輸出端再與水泵的三相電壓輸入端相連；灌溉管道上安裝有壓力傳感器，壓力傳感器的輸出經(jīng)第二線性光耦HCNR201線性隔離放大模塊后再傳送到 JN5139。該節(jié)點構(gòu)成閉環(huán)的恒壓控制子系統(tǒng)。
電磁閥控制節(jié)點包括JN5139無線單片機、天線、光耦P521隔離放大模塊、固態(tài)繼電器和電磁閥，JN5139無線單片機與天線相連，JN5139的I/O輸出端經(jīng)光耦P521隔離放大模塊后再與固態(tài)繼電器相連接，固態(tài)繼電器分別與各灌溉管道的電磁閥相連接。
現(xiàn)場匯聚節(jié)點包括JN5139無線單片機、GTM900 GPRS模塊和天線，JN5139無線單片機分別與天線，GTM900 GPRS模塊連接。JN5139與GTM900 GPRS模塊是通過RS232串口進行通信。
本發(fā)明有益效果是DZigBee技術(shù)自組織、低成本、低功耗的特點，是灌溉現(xiàn)場的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建非常簡單， 省去了傳統(tǒng)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中復(fù)雜的電纜布線。系統(tǒng)安裝維護簡便，易于擴展。
2)結(jié)合了無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)，即充分利用了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點靈活、節(jié)點部署方便的特點，又利用了 GPRS技術(shù)擴展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸范圍，實現(xiàn)了無人值守的灌溉遠程監(jiān)控，可以根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境信息進行智能的精確灌溉。
3)為適應(yīng)節(jié)水灌區(qū)恒壓變流灌溉的需要，設(shè)計了變頻器控制節(jié)點。該節(jié)點由無線單片機JN5139、兩個HCNR201線性隔離與放大模塊、變頻器、水泵和壓力傳感器組成一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)，微控制器JN5139上設(shè)計了恒壓控制的PID算法程序。JN5139根據(jù)接收的監(jiān)控中心的控制命令控制DA通道的輸出電壓來控制變頻器的頻率，以控制灌溉現(xiàn)場的水泵的轉(zhuǎn)速，從而控制灌溉管道的水壓力，讓系統(tǒng)在進行滴管或噴灌時能根據(jù)灌溉的需要改變管道的壓力，保護管道和保證灌溉所需的壓力的恒定。


圖1是基于ZigBee與GPRS技術(shù)的變頻灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖； 圖2是本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集節(jié)點電路框圖；圖3是本發(fā)明的變頻器控制節(jié)點電路框圖； 圖4是本發(fā)明的電磁閥控制節(jié)點電路框圖； 圖5是本發(fā)明的現(xiàn)場匯聚節(jié)點的電路框圖； 圖6是本發(fā)明的監(jiān)控中心軟件功能圖。
具體實施方式
如圖1所示，基于ZigBee與GPRS技術(shù)的變頻灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)包括現(xiàn)場監(jiān)控部分和遠程監(jiān)控中心兩部分，其中現(xiàn)場監(jiān)控部分包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點、變頻器控制節(jié)點、電磁閥控制節(jié)點和現(xiàn)場匯聚節(jié)點，現(xiàn)場監(jiān)控部分的通信采用無線的ZigBee通信協(xié)議；遠程監(jiān)控中心由一臺連接hternet網(wǎng)絡(luò)的PC機及相應(yīng)的監(jiān)控軟件組成；數(shù)據(jù)采集節(jié)點采集灌溉現(xiàn)場的環(huán)境信息，電磁閥控制節(jié)點采集閥門的開關(guān)信息，這些信息都發(fā)送到現(xiàn)場匯聚節(jié)點，現(xiàn)場匯聚節(jié)點再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)以TCP/IP協(xié)議的方式發(fā)送到遠程監(jiān)控中心；遠程監(jiān)控中心實時顯示灌溉現(xiàn)場的信息，通過圖形化的控制界面把控制指令以TCP/IP協(xié)議經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到現(xiàn)場匯聚節(jié)點再由它發(fā)送到變頻器控制節(jié)點和電磁閥控制節(jié)點，對灌溉進行精確控制； 變頻控制節(jié)點是一個恒壓控制的閉環(huán)子系統(tǒng)，節(jié)點的處理器上設(shè)計了恒壓控制的PID算法，它根據(jù)接收的監(jiān)控中心的控制命令控制DA通道的輸出電壓，以控制變頻器的頻率，控制灌溉現(xiàn)場的水泵的轉(zhuǎn)速，從而控制灌溉管道的壓力，讓系統(tǒng)在進行滴管或噴灌時能隨時根據(jù)灌溉的需要改變管道的壓力，保護管道，并且保證灌溉所需的壓力的恒定；電池閥控制節(jié)點接收監(jiān)控中心的控制命令后驅(qū)動電磁閥的開關(guān)。另外，數(shù)據(jù)采集節(jié)點、變頻器控制節(jié)點、電磁閥控制節(jié)點的總數(shù)理論上可增加到邪4個，系統(tǒng)既有極強的擴展能力。
如圖2所示，數(shù)據(jù)采集節(jié)點中，空氣溫濕度傳感器SHT11、光照強度傳感器 TSL2550D、土壤水分傳感器TDR-3分別把采集的信息傳送到無線單片機JN5139中，再由 JN5139把所有采集的信息經(jīng)現(xiàn)場匯聚節(jié)點發(fā)送到監(jiān)控中心。由于通常灌溉現(xiàn)場的環(huán)境數(shù)據(jù)變化比較緩慢，因此數(shù)據(jù)采集節(jié)點采用定時休眠發(fā)送數(shù)據(jù)的方式，只有定時周期結(jié)束后才進行數(shù)據(jù)采集和發(fā)送，其余時間處于休眠狀態(tài)。這大大就減低了節(jié)點的功耗，若使用電池供電可極大地提高電池壽命。
如圖3所示，變頻器控制節(jié)點本身就是一個閉環(huán)恒壓控制系統(tǒng)。變頻器采用380V 交流三相電供電，為防止變頻器的強電系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾，無線單片機JN5139的DA電壓輸出經(jīng)線性光耦HCNR201模塊隔離放大后再接到變頻器的模擬電壓輸入端，這樣就可以通過改變DA輸出的大小來改變變頻器的頻率；同樣為了防止管道水泵引起的各種干擾，壓力傳感器的輸出也同樣經(jīng)線性光耦HCNR201模塊隔離放大后再傳送到JN5139。這些抗干擾的措施充分保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。JN5139上設(shè)計了恒壓控制的PID算法程序。監(jiān)控中心把設(shè)定的管道壓力值發(fā)送到本節(jié)點的JN5139上后，JN5139根據(jù)事先經(jīng)實驗測得的壓力和DA輸出值的關(guān)系算得需輸出DA電壓值后輸出。變頻器和水泵相應(yīng)地運轉(zhuǎn)起來后，壓力傳感器把采樣的管道壓力值反饋到JN5139，JN5139再根據(jù)PID算法程序調(diào)整DA輸出，以保證輸出壓力的恒定。
如圖4所示，在電磁閥控制節(jié)點中，由于固態(tài)繼電器采用的是MV的交流供電，為防止固態(tài)繼電器對無線單片機JN5139系統(tǒng)的干擾，因此微處理器JN5139的I/O輸出與固態(tài)繼電器之間采用光耦P521進行隔離。該節(jié)點的JN5139根據(jù)監(jiān)控中心的控制命令來控制電磁閥的開關(guān)，并且周期性地采集電池閥的開關(guān)狀態(tài)，把數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心。
如圖5所示，現(xiàn)場匯聚節(jié)點中的無線單片機JN5139作為灌溉現(xiàn)場的ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，負責(zé)建立和維護灌溉現(xiàn)場的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并且收集各節(jié)點的信息。GTM900 GPRS模塊通過RS232串口與JN5139進行通信。系統(tǒng)運行后，GTM900立刻與監(jiān)控中心建立 TCP連接。JN5139發(fā)灌溉現(xiàn)場的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給GTM900，GTM900再把數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。監(jiān)控中心發(fā)送過來的控制命令也是先經(jīng)過GTM900再通過串口發(fā)送到JN5139，再由 JN5139發(fā)送到各需要控制的節(jié)點。
如圖6所示，監(jiān)控中心的監(jiān)控軟件的功能模塊主要包括網(wǎng)絡(luò)連接、數(shù)據(jù)顯示和灌溉控制三部分。網(wǎng)絡(luò)連接部分的主要功能是讓遠程監(jiān)控中心通過Socket套接字與灌溉現(xiàn)場的現(xiàn)場匯聚節(jié)點建立TCP連接。數(shù)據(jù)顯示部分主要功能是實時顯示灌溉現(xiàn)場的空氣溫濕度、光照、土壤水分和管道壓力數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)存入SQL SERVER 2008數(shù)據(jù)庫中，便于日后的數(shù)據(jù)分析。灌溉控制部分包括定時控制、參量控制、手動控制、智能控制和管道壓力設(shè)定等功能。定時控制是指系統(tǒng)可提前設(shè)定某天M小時內(nèi)電磁閥的開、關(guān)時間和電磁閥開狀態(tài)的持續(xù)時間。參量控制是指系統(tǒng)可根據(jù)灌溉現(xiàn)場的傳感器采集的環(huán)境數(shù)據(jù)的上下限自動開關(guān)電磁閥，如可設(shè)定在土壤水分到達下限時開電磁閥，到達上限時關(guān)電磁閥。智能控制是指系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場的環(huán)境信息、天氣預(yù)報信息和作物的需水模型來進行智能灌溉。
權(quán)利要求
1.基于ZigBee與GPRS的變頻灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)，包括現(xiàn)場監(jiān)控部分和遠程監(jiān)控中心兩部分，其特征在于現(xiàn)場監(jiān)控部分包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點、變頻器控制節(jié)點、電磁閥控制節(jié)點和現(xiàn)場匯聚節(jié)點，現(xiàn)場監(jiān)控部分的通信采用無線的ZigBee通信協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)為星型網(wǎng)絡(luò)；遠程監(jiān)控中心由一臺連接hternet網(wǎng)絡(luò)的PC機及監(jiān)控軟件組成；數(shù)據(jù)采集節(jié)點采集灌溉現(xiàn)場的環(huán)境信息，電磁閥控制節(jié)點采集閥門的開關(guān)信息，變頻器控制節(jié)點采集灌溉管道的壓力信息，這些信息都發(fā)送到現(xiàn)場匯聚節(jié)點，現(xiàn)場匯聚節(jié)點再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)以TCP/ IP協(xié)議的方式發(fā)送到遠程監(jiān)控中心；遠程監(jiān)控中心實時顯示灌溉現(xiàn)場的信息，通過圖形化的控制界面把控制指令以TCP/IP協(xié)議經(jīng)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到現(xiàn)場匯聚節(jié)點再由它發(fā)送到變頻器控制節(jié)點和電磁閥控制節(jié)點，對灌溉進行精確控制；變頻控制節(jié)點是一個恒壓控制的閉環(huán)子系統(tǒng)，節(jié)點的處理器上設(shè)計了恒壓控制的PID算法，它根據(jù)接收的監(jiān)控中心的控制命令控制DA通道的輸出電壓，以控制變頻器的頻率，控制灌溉現(xiàn)場的水泵的轉(zhuǎn)速，從而控制灌溉管道的壓力，讓系統(tǒng)在進行滴管或噴灌時能隨時根據(jù)灌溉的需要改變管道的壓力，保護管道，并且保證灌溉所需的壓力的恒定；電池閥控制節(jié)點接收監(jiān)控中心的控制命令后驅(qū)動電磁閥的開關(guān)；數(shù)據(jù)采集節(jié)點包括JN5139無線單片機、光照強度傳感器TSL2550D、空氣溫濕度傳感器SHT11、土壤水分傳感器TDR-3和天線，JN5139無線單片機分別與光照強度傳感器 TSL2550D,空氣溫濕度傳感器SHT11，土壤水分傳感器TDR-3，天線相連接，TSL2550D與 SHTll均為數(shù)字信號輸出，可直接與JN5139的I/O 口相連；TDR-3的輸出信號為0-2. 5V的模擬電壓，降壓到0-2. OV后再送到JN5139的AD輸入端；變頻器控制節(jié)點包括JN5139無線單片機、天線、第一 HCNR201光電隔離模塊、第二 HCNR201光電隔離模塊、變頻器、水泵、管道和壓力傳感器，無線單片機JN5139與天線相連， JN5139的DA電壓輸出端經(jīng)第一光耦HCNR201線性隔離與放大模塊后再接到變頻器的模擬電壓輸入端，變頻器的三相電壓輸出端再與水泵的三相電壓輸入端相連；灌溉管道上安裝有壓力傳感器，壓力傳感器的輸出經(jīng)第二線性光耦HCNR201線性隔離放大模塊后再傳送到 JN5139，該節(jié)點構(gòu)成閉環(huán)的恒壓控制子系統(tǒng)；電磁閥控制節(jié)點包括JN5139無線單片機、天線、光耦P521隔離放大模塊、固態(tài)繼電器和電磁閥，JN5139無線單片機與天線相連，JN5139的I/O輸出端經(jīng)光耦P521隔離放大模塊后再與固態(tài)繼電器相連接，固態(tài)繼電器分別與各灌溉管道的電磁閥相連接；現(xiàn)場匯聚節(jié)點包括JN5139無線單片機、GTM900 GPRS模塊和天線，JN5139無線單片機分別與天線，GTM900 GPRS模塊連接，JN5139與GTM900 GPRS模塊是通過RS232串口進行ififn。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種基于ZigBee與GPRS的變頻灌溉遠程監(jiān)控系統(tǒng)，現(xiàn)有技術(shù)布線復(fù)雜，不易擴展，本發(fā)明包括現(xiàn)場監(jiān)控部分和遠程監(jiān)控中心兩部分，現(xiàn)場監(jiān)控部分包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點、變頻器控制節(jié)點、電磁閥控制節(jié)點和現(xiàn)場匯聚節(jié)點，現(xiàn)場監(jiān)控部分的通信采用無線的ZigBee通信協(xié)議；遠程監(jiān)控中心由PC機及監(jiān)控軟件組成；數(shù)據(jù)采集節(jié)點、電磁閥控制節(jié)點和電磁閥控制節(jié)點采集灌溉現(xiàn)場的信息發(fā)送到現(xiàn)場匯聚節(jié)點再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠程監(jiān)控中心；遠程監(jiān)控中心實時顯示灌溉現(xiàn)場的信息，通過控制變頻器控制節(jié)點和電磁閥控制節(jié)點，對灌溉進行精確控制；本系統(tǒng)結(jié)合了ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)，實現(xiàn)了無人值守的灌溉遠程監(jiān)控。
文檔編號A01G25/16GK102487789SQ20111044354
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月27日
發(fā)明者曹泓, 李琦, 楊祥龍, 繆軍, 賈生堯, 陳輝 申請人:浙江大學(xué)