[发明专利]基于无线传感器网络的精细滴灌测控系统

说明书

技术领域

本发明涉及农业生产过程中使用的精细滴灌测控系统，特别是一种基于无线传感器网络的精细滴灌测控系统。

背景技术

精细灌溉是解决由水资源日益紧缺而导致的各类供求矛盾的有效方案之一，它可以在不影响作物产量的前提下根据作物需水信息适时、适量地进行灌溉，从而达到大幅度减少农业用水的目的。在精细灌溉作业中，以土壤含水率为代表的土壤墒情是计算需水信息的一个重要指标。因此，对包括土壤含水率在内的土壤墒情进行连续、大范围、准确的监测在精细灌溉及水资源合理利用中具有重要的意义。

目前在精细滴灌中已经开始采用无线测控技术。如，中国实用新型专利CN201533524U公开了一种太阳能光伏驱动及GPRS无线通讯监控的大规模节水灌溉网。该系统包括置于土壤中的土壤湿度传感器，该传感器测量信号输入单元测控模块，计算机智能管理中心采用无线通讯的方式通过单元测控模块和土壤湿度传感器对土壤湿度进行监测，以决定是否启动相关水泵和分流阀对测点地块实施浇灌。计算机智能管理中心采用无线通讯的方式通过单元测控模块对储水器的储水量通过水位计进行检测，并对单元水泵执行操控。

但是，现有的滴灌控制系统在实际应用中仍然存在以下问题：测量点上土壤含水率的测量一般局限于地表下单一深度，没有对测量点地表下植物根部多个深度土壤含水率进行立体监测，无法完整和准确地反映监测区域的土壤湿度情况；土壤含水率信息来源单一，容易受外界偶然因素的影响，未实现根据地表下多个测量点的土壤含水率信息进行综合分析并根据结果进行滴灌控制。土壤需水信息和滴灌启停控制信号通过GPRS等无线服务进行传输，对固定通信网依赖较大，大规模使用时通信成本较高，且安装和维护都不方便，特别是在信号覆盖较差的农村地区，系统运行不稳定。

发明内容

本发明的目的是克服以上现有技术的不足，提供一种基于无线传感器网络的精细滴灌测控系统，该系统能够对地表下植物根部多个深度土壤含水率进行立体监测，不需要固定网络支持实现对精细滴灌作业的测控。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于无线传感器网络的精细滴灌测控系统，包括：布置在田间监测范围内的若干个土壤墒情监测节点，每个土壤墒情监测节点包括土壤墒情信号处理模块和数个埋于地底不同深度的土壤含水率传感器，所述土壤墒情信号处理模块通过ZigBee无线通信单元向其下级精细滴灌控制节点发送控制信息；所述精细滴灌控制节点包括ZigBee低功耗短程无线通信模块、单片机和控制执行单元；若干个相邻土壤墒情监测节点构成一个簇，每个簇包括一个簇首节点。

所述土壤墒情信号处理模块中，微处理器与信号调理模块及A/D模块相连，所述数个埋于地底不同深度的土壤含水率传感器的激励信号输入端与信号调理模块的输出端相连，测量信号输出端与A/D模块的输入端相连；所述信号调理模块包括4个运算放大器，分别组成4个跟随器，所述跟随器的输入端与微处理器的激励信号输出端相连，输出端则与数个埋于地底不同深度的土壤含水率传感器的激励信号引脚相连，微处理器控制信号调理模块按照一定的时间间隔将激励信号依次经过跟随器放大后启动数个埋于地底不同深度的土壤含水率传感器，以实现对不同土层的土壤含水率进行立体测量，A/D模块转换各传感器获得的模拟信号为数字信号后，将数字信号传送至微处理器，A/D模块包括4个12位高精度A/D转换通道，数字信号通过串行通信的方式发送给微处理器，微处理器与存储器和ZigBee无线通信单元相连。

所述土壤墒情信号处理模块，采用符合ZigBee协议的2.4GHz短程低功耗无线通信的方式将所述存储器中的土壤墒情信息通过所述ZigBee无线通信单元向所述簇首节点上传。

所述簇首节点接收到来自所述土壤墒情监测节点的土壤墒情监测信息后，向信息的来源节点发送反馈消息。

作为本发明的进一步改进，所述土壤墒情监测节点及簇首节点设置有包括太阳能电池板、充电控制模块和充电电池在内的独立太阳能供电模块组，太阳能电池板与充电控制模块相连，充电控制模块与充电电池相连，充电控制模块根据充电电池的电压连通或切断太阳能电池板与充电电池间的充电回路，实现充电控制。

所述精细滴灌控制节点中，控制执行单元、ZigBee低功耗短程无线通信模块与单片机相连；所述ZigBee低功耗短程无线通信模块，采用符合ZigBee协议的2.4GHz短程低功耗无线通信的方式接收来自上级土壤墒情监测节点的滴灌控制信息；所述控制执行单元包括顺序连接的电磁阀驱动电路、电磁阀和滴灌水管。