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摘要：针对传统农业的灌溉方式导致淡水资源利用率较低的问题，给出了基于物联网的精准喷灌节水监控系统的实现方案。该系统由上位机程序、中转服务器、子控设备三部分组成。子控设备用于获取农田监测点的环境信息以及提供灌溉操作的控制接口。中转服务器则负责管理各子控设备、完成上位机程序和子控设备之间的数据转发。上位机程序实时的监控子控设备，用户通过上位机程序可以十分容易的获取农田的状态以及控制灌溉操作。当上位机程序向子控设备发送灌溉命令时，子控设备根据农田的土壤湿度及上位机程序的给定湿度，智能的决定实际灌溉量，从而大幅度的降低水资源的浪费，提高了水资源的利用率，对现代农业的发展将会产生巨大的作用。
关键词：智能农业；物联网；精准喷灌；节水监控系统
中图分类号：S27 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）10（b）-0000-00
Based on the Internet of things Precise Irrigation Water Saving Monitory System
LIU Yi-zhen，WU Jun-ou，WEI Jia-yu，HE Hao-rong
（University of Electronic Science And Technology of China，Zhongshan Institute Computer Institute，Guangdong 528402，China）
Abstract：In view of the fact that traditional agricultural irrigation methods leads to low utilization rate of water resources，propose a precise irrigation water saving monitory system based on the internet of things .This system is composed of three parts，which are sub control device，transit server，upper monitor.The sub control device is used to obtain the environmental information（liked soil humidity） of monitoring site and provide irrigation operation.Finally，the transit server will pass it to the upper monitor.The transit server has responsibility to manage the sub control device and complete the data exchange between sub control device and upper monitor.The upper monitor will get the farmland environmental information in real time.Users can control the irrigating operation and obtain the farmland environmental information easily from that.On sending the irrigating command，the sub control device will control the actual irrigation volume smartly according to the current soil humidity and user desired ground humidity，which is greatly reducing the waste of the water resources and improve the utilization rate of that，it will play a great role in developing for a modern agriculture.
Key words： intelligent agriculture；internet of things；precise irrigation；water saving monitory system
0 前言
我国是人口大国，农业大国，同时也是贫水大国，虽然我国的淡水资源总量较大但人均占有量低，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。由于大量工业废水污染了部分河流、地表的浅层水资源，并且有逐年加重的趋势，进一步加剧了水资源紧缺的矛盾。农业作为国家的经济命脉和“用水大户”，由于人们长期以来对水资源的不重视，对农业现代化的投资和技术都比较少，这就导致我国的农业现代化水平不高。为了克服我国农业方面的水资源利用率不高的问题，综合实际情况，利用嵌入式技术和物联网技术，研发出一套用于农业灌溉方面的节水系统，该系统能够实时获取农田信息，并且根据农田的条件设定灌溉量，大幅度地提高水资源的利用率，节省大量人力，达到智能灌溉节水的目的。
1 系统总体设计方案
喷灌系统主要由上位机程序、中转服务器、子控设备三部分组成。
子控设备主要用于获取农田监测点的环境信息（如土壤湿度、光照强度）以及控制该监测点的水量灌溉（即控制灌溉操作）。
上位机程序本质是一个对话框程序，用户通过该对话框程序可以十分简单的获取农田监测点的环境信息、控制监测点的水量灌溉操作（上位机程序发送对应的命令到子控设备，由子控设备执行相应的操作）。 中转服务器用于管理各子控设备，并且实现上位机程序和子控设备之间的数据转发功能。当上位机程序发送“获取环境信息”命令到中转服务器时，由中转服务器将该控制命令发送给对应的子控设备。最后由子控设备将监测点的环境信息发送到中转服务器，由中转服务器反馈给上位机程序。
在上位机程序和子控设备的通信（即数据传递）之间引入中转服务器的根本原因是，农田监测点与中转服务器之间的距离较远，不宜用WIFI进行数据的传输，故采用NRF905模块实现中转服务器与子控设备间的远距离数据传递。一般来说，中转服务器和电脑放在室内，因此上位机程序和中转服务器之间的通信可以借助于WIFI。对于喷灌系统的各模块之间的联系如图1所示。
图1喷灌系统总体设计方案图
2 系统硬件设计
2.1 子控设备板硬件设计
子控设备主要实现灌溉量的控制、获取农田监测点的环境信息等两个基本功能。硬件上主要包括ATmega16的最小系统、电机和电磁阀驱动电路、光照强度和土壤湿度检测电路，这里主要介绍环境检测电路硬件设计。对于农田环境的监测，可以通过传感器获得。这里采用光敏电阻和湿敏电阻分别测量光照强度和土壤湿度，这些电阻在受到特定信号的刺激时，会使自身的阻值发生变化，通过DS18B20温度芯片可以十分容易的获取农田的温度信息，通过HC-SR501人体红外模块监测子控设备附近是否有人。最后为了计算出阀门是否堵塞，需要使用霍尔传感器对水流量进行统计，其接口如图2所示。
图2 环境检测接口电路图
2.2中转服务器硬件设计
中转服务器的硬件电路主要分为lpc2138最小系统、TFT液晶接口、无线模块接口、EPROM应
用电路，这里主要介绍无线模块接口电路。
NRF905无线模块具有SPI接口，通过ATmegea16的SPI接口，能够方便的操作该模块。由于单片机通过SPI接口下载程序，为防止NRF905对SPI总线占用而导致无法下载程序的的现象，需在MISO、MOSI、SCK引脚处添加阻值为10千欧
的隔离电阻，其接口电路如图3所示。
图3无线模块接口电路图
3 系统软件设计
3.1上位机程序软件设计
上位机程序将用户命令发送到中转服务器，由中转服务器进行转发。测试前中转服务器先上电，并配置PC端的无线网卡连接到“SERVER”网络，然后打开上位机程序并单击菜单项中的连接按钮，这时上位机程序会不断的发送轮包给子控设备，只要子控设备收到轮询包则必定给上位机发送应答，且通过应答包的data域反馈农田环境信息。通过上位机程序中的设备图标便可知道子控设备是否在线且阀门是否阻塞。如图4中的设备1的图标颜色为红色，表示阀门阻塞，其余设备的图标为灰色，表示设备没有在线。
图4 上位机程序软件界面图
3.2中转服务器软件设计
中转服务器的大体框架比较简单，首先是调用DeviceInit函数初始化各硬件部分，然后程序进入死循环。每隔5ms检测标志位，如果标志位被置位则表示可能有数据包到达，这时调用解码函数对数据进行解码。若解码成功，表示收到上位机的控制包，这时根据Package结构的msg域可知消息内容，根据不同的消息的进行相应的操作。若解码失败，说明上位机没有发送数据，这时服务器会自动发送注册包给不在线的设备，进行轮询注册。其流程如图5所示。
图5中转服务器的框架流程图
3.3子控设备板软件设计
控设备在复位后，调用个模块的初始化函数，完成各模块的初始化。每3ms轮询NRF905无线模块，检测其是否收到数据，如果接收到数据则判断该包是否发给本机。如果该数据包发给本机，则根据数据包中的消息类型判定其工作内容并进行响应，最后向中转服务器发送应答包，其框架流程如图6所示。
图6子控设备程序流程图
4 结束语
本文提出一个基于物联网智能无线传感器网络技术的精准喷灌节水监控系统的设计与实现方法，本设计以WIFI无线技术为核心，结合嵌入式技术和节水灌溉技术，设计实现了通过子控设备节点实时采集田间土壤水分、温湿度等各种数据，由WIFI无线传感器网络传输数据，通过开发节水灌溉上位机软件计算，灌溉流量监测和电磁阀门堵塞的监测，输出指令，自动控制灌溉的智能节水灌溉系统。本系统的先进性及创新点在于节能与智能化结合，基于单片机控制的智能节水灌溉监控系统制造成本低、体积小、结构简单合理，而且只需在原供水装置上增设自动控制电路即可实现，操作方便，运行可靠。此系统应用与实际情况相结合，实现了农林智能化节能化喷灌，有一定的实用价值和推广前景。在实际应用中，还有不完善的地方，还需要做进一步的改善和提高。
参考文献（References）：
[1]马争，汪亚楠.微计算机与单片机原理及应用[M].高等 教育出版社，2008.
[2]谭浩强.C程序设计（第3版）[M].清华大学出版社，2005.
[3]王珊珊，臧洌，张志航.C++程序设计教程（第2版）[M]. 机械工业出版社，2011.
[4]周立功.ARM嵌入式系统基础教程（第2版）[M].北京 航空航天大学出版社，2008.
[5]王宇行.ARM程序分析与设计[M].北京航空航天大学 出版社，2008
[6]马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践（第2版） [M].北京航空航天大学出版社，2011.
[7]刘锐宁，梁水，刘伟明.Visual C++开发实战1200例（第 1卷）[M].清华大学出版社，2011.
[8]景东升.单片机自动灌溉控制系统研究、设计及应用[D]. 北京农业工程大学.1994.
[9]陈勇，曹玉宝，王林强.基于物联网的农业灌溉监控系统设计[J].电子设计工程.2012.20（22）：104-106.
关键词：智能农业；物联网；精准喷灌；节水监控系统
中图分类号：S27 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）10（b）-0000-00
Based on the Internet of things Precise Irrigation Water Saving Monitory System
LIU Yi-zhen，WU Jun-ou，WEI Jia-yu，HE Hao-rong
（University of Electronic Science And Technology of China，Zhongshan Institute Computer Institute，Guangdong 528402，China）
Abstract：In view of the fact that traditional agricultural irrigation methods leads to low utilization rate of water resources，propose a precise irrigation water saving monitory system based on the internet of things .This system is composed of three parts，which are sub control device，transit server，upper monitor.The sub control device is used to obtain the environmental information（liked soil humidity） of monitoring site and provide irrigation operation.Finally，the transit server will pass it to the upper monitor.The transit server has responsibility to manage the sub control device and complete the data exchange between sub control device and upper monitor.The upper monitor will get the farmland environmental information in real time.Users can control the irrigating operation and obtain the farmland environmental information easily from that.On sending the irrigating command，the sub control device will control the actual irrigation volume smartly according to the current soil humidity and user desired ground humidity，which is greatly reducing the waste of the water resources and improve the utilization rate of that，it will play a great role in developing for a modern agriculture.
Key words： intelligent agriculture；internet of things；precise irrigation；water saving monitory system
0 前言
我国是人口大国，农业大国，同时也是贫水大国，虽然我国的淡水资源总量较大但人均占有量低，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。由于大量工业废水污染了部分河流、地表的浅层水资源，并且有逐年加重的趋势，进一步加剧了水资源紧缺的矛盾。农业作为国家的经济命脉和“用水大户”，由于人们长期以来对水资源的不重视，对农业现代化的投资和技术都比较少，这就导致我国的农业现代化水平不高。为了克服我国农业方面的水资源利用率不高的问题，综合实际情况，利用嵌入式技术和物联网技术，研发出一套用于农业灌溉方面的节水系统，该系统能够实时获取农田信息，并且根据农田的条件设定灌溉量，大幅度地提高水资源的利用率，节省大量人力，达到智能灌溉节水的目的。
1 系统总体设计方案
喷灌系统主要由上位机程序、中转服务器、子控设备三部分组成。
子控设备主要用于获取农田监测点的环境信息（如土壤湿度、光照强度）以及控制该监测点的水量灌溉（即控制灌溉操作）。
上位机程序本质是一个对话框程序，用户通过该对话框程序可以十分简单的获取农田监测点的环境信息、控制监测点的水量灌溉操作（上位机程序发送对应的命令到子控设备，由子控设备执行相应的操作）。 中转服务器用于管理各子控设备，并且实现上位机程序和子控设备之间的数据转发功能。当上位机程序发送“获取环境信息”命令到中转服务器时，由中转服务器将该控制命令发送给对应的子控设备。最后由子控设备将监测点的环境信息发送到中转服务器，由中转服务器反馈给上位机程序。
在上位机程序和子控设备的通信（即数据传递）之间引入中转服务器的根本原因是，农田监测点与中转服务器之间的距离较远，不宜用WIFI进行数据的传输，故采用NRF905模块实现中转服务器与子控设备间的远距离数据传递。一般来说，中转服务器和电脑放在室内，因此上位机程序和中转服务器之间的通信可以借助于WIFI。对于喷灌系统的各模块之间的联系如图1所示。
图1喷灌系统总体设计方案图
2 系统硬件设计
2.1 子控设备板硬件设计
子控设备主要实现灌溉量的控制、获取农田监测点的环境信息等两个基本功能。硬件上主要包括ATmega16的最小系统、电机和电磁阀驱动电路、光照强度和土壤湿度检测电路，这里主要介绍环境检测电路硬件设计。对于农田环境的监测，可以通过传感器获得。这里采用光敏电阻和湿敏电阻分别测量光照强度和土壤湿度，这些电阻在受到特定信号的刺激时，会使自身的阻值发生变化，通过DS18B20温度芯片可以十分容易的获取农田的温度信息，通过HC-SR501人体红外模块监测子控设备附近是否有人。最后为了计算出阀门是否堵塞，需要使用霍尔传感器对水流量进行统计，其接口如图2所示。
图2 环境检测接口电路图
2.2中转服务器硬件设计
中转服务器的硬件电路主要分为lpc2138最小系统、TFT液晶接口、无线模块接口、EPROM应
用电路，这里主要介绍无线模块接口电路。
NRF905无线模块具有SPI接口，通过ATmegea16的SPI接口，能够方便的操作该模块。由于单片机通过SPI接口下载程序，为防止NRF905对SPI总线占用而导致无法下载程序的的现象，需在MISO、MOSI、SCK引脚处添加阻值为10千欧
的隔离电阻，其接口电路如图3所示。
图3无线模块接口电路图
3 系统软件设计
3.1上位机程序软件设计
上位机程序将用户命令发送到中转服务器，由中转服务器进行转发。测试前中转服务器先上电，并配置PC端的无线网卡连接到“SERVER”网络，然后打开上位机程序并单击菜单项中的连接按钮，这时上位机程序会不断的发送轮包给子控设备，只要子控设备收到轮询包则必定给上位机发送应答，且通过应答包的data域反馈农田环境信息。通过上位机程序中的设备图标便可知道子控设备是否在线且阀门是否阻塞。如图4中的设备1的图标颜色为红色，表示阀门阻塞，其余设备的图标为灰色，表示设备没有在线。
图4 上位机程序软件界面图
3.2中转服务器软件设计
中转服务器的大体框架比较简单，首先是调用DeviceInit函数初始化各硬件部分，然后程序进入死循环。每隔5ms检测标志位，如果标志位被置位则表示可能有数据包到达，这时调用解码函数对数据进行解码。若解码成功，表示收到上位机的控制包，这时根据Package结构的msg域可知消息内容，根据不同的消息的进行相应的操作。若解码失败，说明上位机没有发送数据，这时服务器会自动发送注册包给不在线的设备，进行轮询注册。其流程如图5所示。
图5中转服务器的框架流程图
3.3子控设备板软件设计
控设备在复位后，调用个模块的初始化函数，完成各模块的初始化。每3ms轮询NRF905无线模块，检测其是否收到数据，如果接收到数据则判断该包是否发给本机。如果该数据包发给本机，则根据数据包中的消息类型判定其工作内容并进行响应，最后向中转服务器发送应答包，其框架流程如图6所示。
图6子控设备程序流程图
4 结束语
本文提出一个基于物联网智能无线传感器网络技术的精准喷灌节水监控系统的设计与实现方法，本设计以WIFI无线技术为核心，结合嵌入式技术和节水灌溉技术，设计实现了通过子控设备节点实时采集田间土壤水分、温湿度等各种数据，由WIFI无线传感器网络传输数据，通过开发节水灌溉上位机软件计算，灌溉流量监测和电磁阀门堵塞的监测，输出指令，自动控制灌溉的智能节水灌溉系统。本系统的先进性及创新点在于节能与智能化结合，基于单片机控制的智能节水灌溉监控系统制造成本低、体积小、结构简单合理，而且只需在原供水装置上增设自动控制电路即可实现，操作方便，运行可靠。此系统应用与实际情况相结合，实现了农林智能化节能化喷灌，有一定的实用价值和推广前景。在实际应用中，还有不完善的地方，还需要做进一步的改善和提高。
参考文献（References）：
[1]马争，汪亚楠.微计算机与单片机原理及应用[M].高等 教育出版社，2008.
[2]谭浩强.C程序设计（第3版）[M].清华大学出版社，2005.
[3]王珊珊，臧洌，张志航.C++程序设计教程（第2版）[M]. 机械工业出版社，2011.
[4]周立功.ARM嵌入式系统基础教程（第2版）[M].北京 航空航天大学出版社，2008.
[5]王宇行.ARM程序分析与设计[M].北京航空航天大学 出版社，2008
[6]马潮.AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践（第2版） [M].北京航空航天大学出版社，2011.
[7]刘锐宁，梁水，刘伟明.Visual C++开发实战1200例（第 1卷）[M].清华大学出版社，2011.
[8]景东升.单片机自动灌溉控制系统研究、设计及应用[D]. 北京农业工程大学.1994.
[9]陈勇，曹玉宝，王林强.基于物联网的农业灌溉监控系统设计[J].电子设计工程.2012.20（22）：104-106.