农田土壤湿度分布式监控系统的设计与实现

摘要

随着国家农业现代化的逐步实施，为了实现农田精细耕种，农田信息监控越来越重要。本文介绍了一种高效的农田土壤湿度分布式监控系统的设计与实现，为农田灌溉控制的现代化、智能化、精准化提供了重要的手段。【关键词】土壤湿度分布式监控系统 j2ee 无线传感器网络 zigbee技术

河南省人均占有水资源量不足420立方米，仅相当于全国平均水平的1/5。随着经济的发展，农业供水矛盾日益突出，干旱缺水成为制约河南省农业发展的重要因素。目前，河南省农业用水灌溉的标准大都还停留在人工辨别土壤干旱的阶段，这种粗放生产模式不但浪费了很多的人力和资源，而且对农业生产中作物的生长也有所的不利。准确及时地测量作物生长期内的土壤湿度，不仅能够给作物提供良好的生长环境，对作物的高产起到关键的作用。

土壤湿度监控系统的开发和研制可以实现计算机系统在一定程度上代替人类实现土壤湿度辨别，避免土壤湿度的传统辨别的模糊性、很不确定性，并对所采集的数据进行分析、处理和实时监控，利用计算机的高计算精度和可视化界面快捷得做出用水决策，从而使农业生产效率得到较大的提高。本文对远程土壤湿度监控系统的关键技术进行研究，并以此为基础设计和开发一套土壤湿度管理信息系统原型。

1 关键技术

远程监控技术的实现需要有数据采集系统对数据实时采集，利用已有的有效数据对监控对象的状况进行分析、管理，并对突发事件报警提示，将检测到的实时数据进行分析、归纳、处理等二次加工，远程动态显示实时数据的变化情况。

（1）多点信息采集及近距离信息传输系统设计。本研究采用该类土壤湿度传感器（ml2x 型土壤湿度传感器）进行土壤水分信息采集。同时，农田土壤湿度具有较大得地区跨度和较强的局域特点，需要采用多点采集装置，在同一时间内对监管区域的土壤湿度信息进行采集和分析，因此采用支持zigbee技术的cc2530作为无线通信和单片机作为多点数据采集器件，构建无线通信硬件平台和系统。

（2）远距离通信系统设计。农田作为土壤湿度管理的对象，往往跨越多个地区，覆盖面积较大，单单近距离无线通信技术很难很好解决这一问题，因此，在系统测量出周围土壤的湿度数据并处理后，可以利用串行通信模式输出到cdma的dtu（dataterminalunit，数据终端系统），再通过dtu由cdma无线网络经internet公网传输到数据接收系统（系统主机），实现面向远程的土壤监测系统。

（3）数据存储及服务框架构建。基于j2ee平台的土壤湿度管理信息系统实现远程监控技术，对干旱、半干旱地区的土壤湿度数据进行信息管理和实时监控。

2 硬件系统分析与设计

从农田土壤湿度监测的实际需求出发，选择合适的传感器、湿度测量模块、数据传输方式、上位机等，确定具体湿度传感器的个数，实现土壤温湿度的自动检测。这个系统由用于信息管理平台的上位机和部署于地头的下位机两个部分组成。其中，上位机部分包括无线通信模块、串口通讯模块、信息管理平台等；下位机部分由主控模块、无线通讯模块、湿度采集模块等部分组成。

2.1 基于zigbee的无线解决方案设计

在将zigbee技术引入总体设计方案后，无线通讯模块由cc2530芯片的相关模块负责。

（2）对于系统的下位机部分，农田中的zigbee路由器充当湿度控制器，对本区域内传感器数据处理并发送给zigbee协调器，同时为其他控制器发送数据提供路由服务。zigbee 网络终端设备主要是湿度的无线传感器节点，负责采集传感器数据。

系统网络拓扑总体解决方案如图1所示。

2.2 采集系统硬件设计

采集系统硬件包括终端采集节点和数据汇集节点两部分。每个节点均采用底板外插核心板小模块的设计。数据采集节点将湿度传感器接入系统，所以该节点是整个系统的核心部分。数据汇集节点底板采用arm核心板搭载网络模块。

2.2.1 核心板模块硬件设计

核心板模块采用ti公司的 cc2530芯片为核心处理器，是三种节点都用到的核心模块。该处理器结合了领先的cc2520rf收发器，业界标准的增强 8051mcu、128kb的闪存、8kram 和其它很多强大的功能。结合ti公司的simpliciti协议栈，通过不同电源模式的转换，实现了超低功耗的要求。核心板模块是各个节点的核心控制和无线收发模块。所有该模块均采用相同设计并使用双列直插的方式插到各个节点的底板上。

2.2.2 终端采集节点硬件设计

终端采集节点硬件由具有无线通信功能的cc2530小模块加底板组成。小模块完成控制和无线收发功能，底板则外接了土壤湿度传感器、按键和液晶等设备。zigbee终端节点除完成数据收发外，还需驱动传感器进行数据采集、液晶屏进行显示以及按键进行控制等功能。土壤水分传感器采用ml2x，该传感器体积小巧化设计，携带方便，安装、操作及维护简单。外部以环氧树脂纯胶体封装，密封性好，可直接埋入土壤中使用，且不受腐蚀。土质影响较小，应用地区广泛。

终端采集节点由于数量巨大和放置环境比较复杂，所以外壳的材料设计要求比较高，尽量采用耐热、防水、不透明的设计。这样可以更好的保护内部电路板及芯片的安全性。终端采集节点外壳设计包括有液晶的设计和无液晶显示的设计两种。因为液晶模块相对来说受环境的影响比较大，会增加系统的不稳定因素。完备的网关和上位机拥有的监测和控制功能将能完全覆盖液晶的功能。 3 湿度监控系统设计

3.1软件架构设计

终端采集节点程序由无线通信模块、数据采集模块、人机交互模块、电源监测及控制模块、系统配置模块五个模块构成。

（1）无线通信模块主要完成 zigbee 自组网络的加入及退出、所有环境要素信息的上传发送及各种命令的接收等工作。

（2）数据采集模块主要完成各种传感器采集环境要素信息，简要分析采集到的数据，并完成数据的封包等工作。

（3）人机交互模块由按键和液晶显示屏两部分组成，完成用户操作的输入及系统各种信息的显示等工作。

（4）电源监测及控制模块主要实现对系统太阳能供电电源电量的监测及各个传感器电源的控制。

（5）系统配置模块主要实现用户远程对本系统某些参数的配置功能，比如，传感器种类、数据采集周期、发射信道、发射功率等。

3.2 数据汇集节点软件设计

设备初始化阶段包括协议栈初始化和2530芯片设置初始化。芯片初始化包括io口数据方向初始化、串口初始化、定时器初始化、看门狗初始化等。程序主要包含两个部分：收到上位机命令，下行发送控制或配置命令；收到传感器节点发来环境信息，上行发送给上位机。数据汇集节点与arm中转模块通信采用串口通信模式。程序流程如图2。

控制或配置命令发出后，会自动返回给上位机一条回应信息。表明发送命令成功还是失败。当数据汇集节点收到终端节点发来的信息时，首先进行简单的判断。即判断校验位是否正确。如校验位不正确则直接舍弃本包数据，并继续返回监听状态。上位机能够统计出所有丢失数据包的时间和数量，管理员发现丢包后应及时进行故障维修。如果校验位正确则直接