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1、2 0 1 2 年6 月农机化研究第6 期基于无线数据传输的农田节水灌溉系统李叶森，许丽佳，杜春龙，李克镪，蔡伟，王甫刚(四川农业大学信息与工程技术学院，四川雅安6 2 5 0 1 4)摘要：随着淡水资源的匮乏，节水灌溉在农业中的推广已是必然趋势。为此，设计了基于无线数据传输的自动控制灌溉控制系统，介绍了无线射频技术的代表芯片n R F 9 0 5 的使用，从而突破了传统灌溉系统的有线数据传输模式，具有抗干扰能力强和传输距离远的特点；介绍了常见的上位机开发工具，并使用I A B V I E w 编写上位机。经实地测试使用表明，系统达到了良好的节水目的。关键词：节水灌溉；无线数据传输；现代农业；
2、n R F 9 0 5中图分类号：s 2 7 4 2；S 1 2文献标识码：A文章编号：1 0 0 3 1 8 8【2 0 1 2)0 6-0 1 7 6-0 3O引言水是农业的命脉，也是整个国民经济和人类生活的命脉。我国的农业用水约占全国总用水量的7 3，但水资源的有效利用率只有4 0 左右，发展节水农业有着巨大潜力和广阔的前景J。本文设计了基于n R 眄0 5 芯片的无线数据传输的农田节水灌溉系统，与有线技术相比，无线技术具有成本低、携带方便和减少布线施工难度等优点，适用面更加广泛。通过L A B V I E w 编写的上位机软件，可以根据不同作物、不同时期的不同需水量合理灌溉，实现数据的
3、历史查询，达到节水和高产的目的。1系统的总体结构系统总体框图如图l 所示。众多子站设置在农田小区每个需要监控的土壤单元中，实时监控土壤的湿度信息；子站点M C u 采用s T c 8 9 c 5 2 单片机，采用T D R 3 土壤湿度传感器进行土壤信息的采集，经信息的降噪、放大和转换后传输到子站M c u；子站与上位机之间进行无线射频数据传输，射频模块采用N o r d i c公司的n R F 9 0 5 芯片。上位机端接收到子站传输的数据后，进行逻辑处理和分析，如存储归档、阈值比较、阈值调优和趋势分析等，将分析处理的数据通过无线数据传输方式反馈到子站M c u，控制阀门控制器，从而实现节水
4、灌溉J。收稿日期：2 0 1 1 一0 8 一O l基金项目：国家大学生创新性实验资助项目(0 0 5 0 9 2 1 1)作者简介：李叶森(1 9 9 0 一)，男安徽阜阳人，本科生，(E 一删l i l)帆8 n e a f 1 2 6 c。通讯作者：许丽佳(1 9 7 3 一)。女，四川乐山人，副教授，博士，(E m a i l)l n i a x u 3 6 6 8 1 6 3 c o m。子站l子站2子站n图1节水灌溉系统总体框图F i g 1T h e0 v e r a l ls t n I c t u 陀0 fw 船一明v i n gi r r i g a t i 鲫s y B
5、t e m2 无线通信的实现2 1 无线通信概况无线传感器网络是计算机技术、传感器技术和网络通信技术相结合的产物，在现代农业中正逐渐应用口。现在无线数据传输主要有I E E E 8 0 2 1 1、蓝牙(B l u e t o o h)技术、超宽带(u w B)技术、红外(I r D R)技术和低功耗短距离无线通信技术HJ。本系统选用N o r d i c 公司推出的射频模块n R 四0 5 芯片，其具有功率小、价格低廉、操作简单的特点，可通过软件编程实现数据的传输。2 2n R F 9 0 5 射频芯片介绍n R F 9 0 5 单片无线收发器工作电压为1 9 3 6 V，可工作于4 3 3
6、 8 6 8 9 1 5 M H z 等3 个I s M 频道，采用了补码键控(C C K)调制技术和直接序列调频(D S S S)技术，最大传输速率可达“M b i L s，标准工作在2 4 G H z万方数据2 0 12 年6 月农机化研究第6 期的频段。n R F 9 0 5 由频率调制器、接收调节器、功率放大器、晶体震荡器和调节器组成，采用N o 耐i c 公司的V L S IS h o c k B u r s t 技术，能自动产生前导码和C R C(循环冗余码校验)，可以很容易通过s P I 接口进行编程配置。芯片内部结构如图2 所示。单片机的I O 端口与N d 9 0 5 管脚连
7、接硬件组成电路，如图3 所示。一一召贫：o 蜀 兮8 一。苗：豢呈萎豸薹萎戮詈薹茎耋詈、，、_“_ o、_ 一口、_，z z z z z z z 量鲁盆 们z z z z z z _ z 口3 0o-M I S()(1 0)；理c s N(1 扯T R XC F(1跞2 暖C D(6)一徘；7 罡u P C L K(3)圆圆鲁l低噪f*放人器垂降p 訇图2n R f 贴芯片内部结构F i g 2I n t e m a ls t m c t u r e0 fn R F 如5c h i pn R F 9 0 5单 机脚RU PF 2 OT R XC FP 2 lT XE NP 2 2C S NP
8、24 3KP Z 4舯S IP 2 5M I S 0f 2 6A MP 3 0D RP 3 le 醅P 3 2A W I(2 0)2(2 1)R F F(2 3)图3n R F 9 0 5 与单片机管脚连接原理图F i g 3I I I t e f f 砬e0 fn R F 9 0 3 蛐dM C Un R F 9 0 5 有S h o c k B u r s tR x 接收模式和S h o c k B u r s tT x 发送模式两种工作模式，有关机模式和空闲模式两种节能模式。n R 眄0 5 的工作模式由T R)(一C E、T X E N和P W R u P 等3 个引脚决定，详见表1
9、所示。表ln R F 5 工作模式T a b 1W o r k m o d eo f n R f 9 0 51 7 7 2 3 数据格式处理子站M c U 每隔一定时间定时采集土壤信息，T D R一3 土壤湿度传感器采集的数据经A D 转换等信息处理后，以二进制形式存储在子站M C u 中。子站启动n R F 9 0 5 为发射模式，并自动加载字头和C R C 校验码。C R C 校验码通过编程设置n R 眄0 5 的配置寄存器，可选择8 位或者1 6 位校验。详细配置说明可参考如下程序：N R 眄0 5 寄存器配置u n s i g n e dc h a ri d a t aR F C o
10、I l f 1 1 =0 x 0 0，配置命令0 x 4 c。C H N O，配置频段在4 2 3M H z0 x O c，输出功率为1 0 d b，不重发，节电为正常模式0 x 4 4，地址宽度设置，为4 字节o x 0 4，0 x 0 4 接收发送有效数据的长度为3 2字节0 x C C，0 x C C，O x c C，O x C C，接收地址o】c 5 8 ；c R C 充许，8 位C R C 校验，外部时钟信号不使能，1 6 M 晶振子站采集的土壤信息，发送的数据帧格式如下：其中，字头与C R C 校验码为n R F 9 0 5 在发射模式下自动加载上去，目的地址为上位机端接收模块地址
11、，源地址用以区分不同子站的数据。对于上位机发送的控制指令格式亦为相似，此处略去。2 4 数据传输过程土壤湿度传感器采集的数据经处理后，存储在子站M C U 上，M C U 通过S P I 接口，将接收机的地址和要发送的数据传输给R F 9 0 5，并置T R x C E 和T X E N 管脚为高电平，设置芯片为s h o r t B u r s tT X 发送模式，射频寄存器开启，加载字头和C R C 校验码，数据包发送。当发送结束后，D R 管脚置为高电平，T R x C E 置为低电平，发送模块进入待机模式。上位机端准备接收信息时，首先置，I R x C E 为高电平，T x E N 为
12、低电平，n R F 9 0 5 模块进入接收模式。当监测到同一频段的载波信号后，进行地址匹配，若符合则进行数据包接收。当数据包正确接收完毕后，n R F 9 0 5 模块自动去掉数据包的字头、地址和C R C 校验码，并将数据接受完成管脚(D R)置为高电平，T R x C E 置为低电平，上位机端通过s P I 接口提取数据包中的有效数据。当所有的有效数据接收完毕，数据接收0P鬻圈圈圈万方数据2 0 1 2 年6 月农机化研究第6 期完成管脚和地址匹配管脚(A M 管脚)置为低电平，n R F 9 0 5 进入待机模式，至此完成了1 次信息的传输过程睁6 1。3 软件设计罩墨 赢赢森广。、一
13、履仪任利，目了L 一，禹(定时到?：薹T打蕊盘湿度采集数据发送阀门关闭后L 竖遵否匕兰纠图4 子站软件流程图F i g 4n o wc h a l to fB 硪w 眦8 t n I c t u 3 2 上位机软件平台3 2 1常用上位机开发工具常用的上位机开发工具有3 种：一是基于文本的c，V i 叭a lB 鹊i c，V i s u lC+，D e l p h i 和C+B u i l d e r 等高级语言；二是采用测控组态软件开发；三是近来兴起G 语言(即图形化编辑语言)，产生的程序是框图的形式，其代表软件是美国N I 公司研制开发的L A B V I E w。基于文本的编程工具通用性
14、强、易于移植、功能强大，但编程繁琐且工程量大。组态软件是一种针对测控系统而设计的面向问题的开发软件，有专业的功能模块可供用户选择，使用简单方便，但功能一般，较为单一，且价格昂贵。队B W 内含庞大的函数库和程序调试工具，使用图形化编程语言，不需要掌握大量的编程技巧与知识，且能非常方便地调用A c c E s s 数据库软件和M A 7 眦B 等，使用方便，开发周期较短。3 2 2L A B V I E 软件L 丑b V i e w 作为一种图形化编程语言，其应用程序由图标创建，能非常容易地建立友好的人机交互界面。本系统基于L a b V i e w 开发，可以实时监测农田的土壤湿度信息。利用L
15、 a b V i e w 的数据库访问工具包L a b s q l，将采集到的数据存放到A c c e s s 数据库中，并实现数据查询。上位机的界面如图5 所示。图5 用户管理监浏界面F i g 5M 弹m e n t“m0 f n t 0 哪d c 诚g a t i“4 结语节水灌溉是节水农业的一部分，有着非常广阔的前景。根据实际的需求，本文详细介绍了基于无线数据传输的农田节水灌溉系统，排除了传统有线传输数据易受干扰和线路时间长老化等带来的不利影响，设计了基于L A B V I E w 的上位机软件。实际测试与使用表明，系统数据传输稳定，节水效果良好。参考文献：1 孙景生，康绍忠我国水资源
16、利用现状与节水灌溉发展对策 J 农业工程学报，2 0 0 0，1 6(3)：l 一5 2 任平节水灌溉远程控制系统的研究 D 南京：河海大学，2 0 0 5 3 李海建基于农田的无线传感器网络路由协议的研究 D 杨凌：西北农林科技大学，2 0 0 8 4 杨剑基于n R 踟5 的无线射频数据采集系统开发与实现 D 长沙：中南大学，2 0 0 7：3 5 5 曹成茂，夏萍。朱张青无线数据传输在节水灌溉自动控制中的应用 J 农业工程学报。2 0 0 5，2 l(4)：1 2 7 一1 3 0 6 郝妍娜，洪志良；基于M c u 和n R f 9 0 5 的低功耗远距离无线传输系统 J 电子技术应用
17、，2 0 0 7(8)：4 4 4 7 8 胡培金，江挺，赵燕东基于z i g b 无线网络的土壤墒情监控系统 J 农业工程学报，2 0 l l，2 7(4)：2 3 0 一2 3 4 9 李江全，刘恩博，胡蓉，等队B V I E w 虚拟仪器数据采集与串口通信测控应用实战 M 北京：人民邮电出版社，(下转第2 1 8 页)万方数据2 0 1 2 年6 月农机化研究第6 期E m e r g e n c ya i rb m k es y s t e m s m o t o r v e h i c k 卸dv e h i c l e 8 T h k，B u 8B m k eS u p p l y
18、，C o n t r o lc o m p o n e n 协c o m m i n e e A i rc o m b i n a t i o n 8 一s 跎J 2 6 3S E P l 9 8 5 s w 鹏h i n 群0 n：S A Et ob r a k ev a l v e st e s tp r o c e d u r e s a eJ 1 4 0 9s E 嗍 s W aA d v a n c et h eS 眦eo fT e c h n i c a l 柚dE n g i n e e r i n gs c i e n c 鹤，8 h i n g t 明：S A Et oA d
19、 v 粕c et h eS t a t eo f7 I I e c l I I l i c a l 蚰dE n g i 1985neeringS c i e n c e s，2 0 0 4 5 r m c k，B u sB r a k eS u p p l y，C o n t r o lC o m p o n e n t sC o 咖i t t e e 9 马恩J B T9 8 4 0 2 一1 9 9 8 拖拉机挂车气制动系统气制动I b tc o d e 一I c k，T m c k T r a c t o r，a n dT r a i l e ra j rs e n，i c e阀技术条件
20、 S 北京：机械工业部机械标准化研究所。B m k es y s t e mp n e u m a t i cp r e s u r ea n dt i m eI e v e I s s 北J 9 8 21 9 9 8 S E P l 9 9 0 S w 鹊h i n 舀o n：S A Et oA d V 扑c et h es t a t e 1 0 马国华Q C T3 5 2 0 1 1 汽车与挂车气压控制装置性能T e c h n i c a l 龃dE 嚼n e e r i n gS c i e n c e s，1 9 9 0 要求及台架试验方法 S 北京：中国计划出版社。6 T m c
21、 k，B u sB r a k es u p p l y，C o m r o lc o m p o n e n t sc o m m i n e e A i r2 0 1 1 b f a k eV a l V e p e 面珊明c e 陀q I l i r e m e n 协一s J 1 4 l os E P 2 0 0 4 1 1 马恩J B N Q l l 3 2 1 9 8 6 拖拉机气制动阀试验方法 s w a s h i n g t o n：S A Et oA d v 锄c et h es t a t eo f。k h n i c a l 明d s 北京：机械工业部机械标准化研究所，
22、1 9 8 6 E n 矛n e e r i n gs c i e n c e s，2 0 0 4 1 2 马恩，李素敏液压与气压传动 M 北京：高等教育出 7 T 兀l c k，B u sB r a k eS u p p l y，C o n 仃o lC o m p o n e n t sC o m m i t t e e 版社，2 0 1 0：3 7 4 4 3 9 A i rb r a k eV a l V ei 叩u t o u t p u tc h 觚I c t e r i s t i cr e q l l i r e 眦n t s s 1 3 马恩活塞弹簧式气制动阀静特性的研究 J
23、农机化研J 1 8 6 ls E P 2 0 0 7 S w a s h i n g t o n：s A Et oA d v 粕c et h es t a t e究，2 0 1 l，3 3(5)：2 1 8 2 2 1“T e c h n i c a la n dE 晒n e e r i n gS c i e n c，2 0 0 7 S t u d yo nt h eS t a t i cC h a r a c t e r i s t i c0 fP i s t o nS p r i n gP n e 唧a t i cB r a k eV a l v eM aE n(D e p a r t m
24、 e n to fM e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g，N a n y 锄gI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g)r，N a n y 龃g4 7 3 0 6 6，C h i n a)A b s t r a c t：P i s t o ns p f i n gp n e u m a t i cb r a k ev a l V ei sw i d e l yu s e d 酗c o n t r o lv a l v ef 曲t r a c t o r t m i l e
25、 rb 础i n gs y s t e m B r a k ep m p e r t i e so ft r a c t o r t r a i l e rb m k es y s t e ma r ea 圩e c t e dd i r e c d yb ys t a t i cc h a r a c t e r i s t i c so fp n e u m a t i cb m k ev a l v e T h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t sh a V eb e e nm a d eo nt h es t
26、 a t i cc h a r a c t e r i s t i c so fp i s t o ns p r i n gp n e u m a t i cb r a k ev a l v et h a ti so n e0 ft h em a i nc o n t r o lc o m p o n e n t sf o rt r a c t o 卜t r a i l e rb r a k es y s t e m T h er e s u l t ss h o wt l l es t a t i cc h 踟c t 捌s t j co fp i s t o ns p r i n gp n
27、e u m a t i cb r a k eV a l V ei sn o to n l ya f f e c t e db yt l l eg e o m e t r i cd i m e n s i o n s，e q u i l i b r i u ms p r i n gs t i 丘-n e s s，i n p u tp r e s s u r ea n ds t m k e，b u ta l s ob ym a c h i n i n g，鹅s e m b l i n ga n da d j u s t m e n t K e yw O r d s：p n e u m a t i
28、cb r a k ev a l v e；s t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s；t r a c t o r t r a i l e rp n e u m a t i cb m k es y s t e m(上接第1 7 8 页)A b s t m c tm：1 0 0 3 1 8 8 X(2 0 1 2)嘶一0 1 7 6 E AT h eW a t e r s a V i n gI r r i g a t i o nS y s t e mB a s e do nW i r e l e s sD a t aT r a n s m i s s i o n
29、f o rF a r m l a n dL iY e s e n，X uL i j i a，D uC h u n l o n g，L iK e q i a n g，C a iW e i，W a n gF u g 肌g(S i c h u a nA g r i c u l t u r eU n i V e r s i t y，C o l l e g eo fI n f b 珊a t i o na n dE n g i n e e n gT e c h n o l o g y，Y a 明6 2 5 01 4，C h i n a)A b s t r a c t：W i t ht h es c a r
30、 c i t)ro fh e s h w a t e rr e s o u r c e s，t h ep r o m o t i o no fw a t e r 一鲴v i n gi r r i g a t i o ni na g d c u l t u r ei si n e v i t a b l e I nt h i sp a p p e r，An e wt e c h n o l o g yo f 诵r e l e s sd a t am m s m i s s i o no fw a t e 卜s a v i n gi 而g a t i o ns y s t e mi si n 咖d
31、 u c e d C o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lw i r e dd a t at m n s m i s s i o n，t h ec h i pn R F 9 0 5h a st h ec h 啪c t e r i s t i c 8o fa n t i i n t e d-e r e n c ea b i l i t ya n dl o n g岫n s m i s s i o nd i s t a n c eb yu s i n gt I l er a d i of b q u e n c yt e c h n o l o g y
32、T h i sp 印p e ra l i n t m d u c e st l l ec o m m o ne x p l o i tt o o l si nt h er e 舀o no fu p p e rc o m p u t e r A nu p p e rc 咖p u t e rh 硇b e e nw r i t t e nw i t hL A B V I E W T h es y s t e mi sp r o v e dt ob ea p p l i c a b l ea n df e a s i b l ei nt h ei r r i g a t i o no fa g r i
33、 c u l t u r e K e yw o H l s：w a t e r s a V i n gi 而g a t i o n；w i r e l e s sd a t at 啪s m i s s i o n；m o d e ma 鲥c u l t u r e；n R F 9 0 52 1 8 万方数据基于无线数据传输的农田节水灌溉系统基于无线数据传输的农田节水灌溉系统作者：李叶森，许丽佳，杜春龙，李克镪，蔡伟，王甫刚，Li Yesen，Xu Lijia，Du Chunlong，LiKeqiang，Cai Wei，Wang Fugang作者单位：四川农业大学信息与工程技术学院,四川雅安,625014刊名：农机化研究英文刊名：Journal of Agricultural Mechanization Research年，卷(期)：2012,34(6)本文链接：http:/