远程节水灌溉网络监控系统的设计与实现
雷硕，赵贤林 (南京农业大学工学院，江苏南京210031)
摘要 介绍了基于Z ig Bee 无线网络的远程节水灌溉网络监控系统的设计与实现。信息的采集、传输、接收与执行由Jennic 公司的无线湿度传感器和DZK 201电动阀门控制器完成。系统界面由MCG S 组态软件开发。农田土壤湿度信息通过无线网络传输给系统，系统根据土壤湿度控制调节阀的开度。关键词 MCG S 组态软件；远程监控系统;Z ig Bee ；节水灌溉中图分类号 S274.2 文献标识码 A 文章编号 0517-6611(2008)24-10712-03Design and R ealization of N etw ork Monitoring System of R emote W ater Saving I rrigation
LEI Shuo et al (C ollege of Engineering ,Nanjing Agricultural University ,Nanjing ,Jiangsu 210031)Abstract Design and realization of netw ork m onitoring system of rem ote water saving irrigation were introduced bad on Z igBee wireless netw ork.W ireless hum idity ns or and DZK 201of Jennic com pany electric valve controller were ud for in formation collection ,transm ission ,receiving and exe 2cution.MCG S s oftware was applied to design the interface of this system.S oil m oisture in formation was transm itted through the wireless netw ork.Ac 2cording to the s oil m oisture ,the angle of valves was adjusted.K ey w ords MCG S s oftware ;Rem ote m onitoring system ;Z igBee ;W ater saving irrigation
作者简介 雷硕(1987-)，男，湖南武冈人，本科，专业：自动控制。收稿日期 2008206202stormwind
我国水资源人均占有量约为世界人均水量的1/4，排在世界110位，被联合国列为13个贫水国家之一。我国农业用水量约为总用水量的80%，而农业灌溉用水的利用率普遍低下仅为45%，而水资源利用率高的国家已达70%～80%。以往的农田灌溉，很多没有配套完整的灌溉系统，灌水时采用大水漫灌或人工洒水，不但造成水的浪费，而且往往由于不能及时灌水、过量灌水或灌水不足，而对植物的正常生长产生不利影响。这种粗放的灌溉方式与落后的灌溉技术已不适应于现代农业发展的需要，建立农田自动化节水灌溉系统，采用高效的灌水方式已势在必行。而现有的灌溉技术还比较落后，灌溉系统大部分都是开环的现场控制，自动化程度不高，不能根据土壤墒情和作物的需水规律实施精确灌溉。近些年来，随着传感器技术、计算机技术和通讯技术的迅猛发展，现代化的远程节水灌溉已成为农业发展的热点。
该文所介绍的基于Z igbee 无线网络的远程节水灌溉网络监控系统是利用计算机、无线数据通讯、传感器等先进技术对农田灌溉进行监控管理，保证适时适量地满足作物生长所需要的水分。该系统将组态软件和无线通信网络结合起来，这种技术目前在国内的田间灌溉管理中并不多见，这将是灌溉水资源管理未来的发展方向。MCG S (M onitor and C on 2
trol G enerated S ystem )是一套用于快速构造和生成计算机监控
系统的组态软件，能够在W ind ows 平台上运行。该软件通过对现场数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制、实时曲线、历史曲线和报表输出等多种方式，向用户提供解决实际工程问题的方案。充分利用了w ind ows 图形功能完备、界面一致性好的优点，具有易学易用的特点，比以往使用专用机开发的工业控制系统更具通用性，在自动化领域有着更广泛的应用[1]。
1 系统概况
远程节水灌溉网络监控系统的组成和分布如图1所示。系统由监控室、无线通讯网络、数据采集装置、执行机构组成。系统的被控对象是不同区域农田的灌溉设备，采集装置
是无线传感器，执行机构是无线调节阀。传感器感测现场的环境变化，通过无线网络与远程监控室的PC 机进行通信,PC 机将采集的实时数据进行处理，并按照一定的控制算法进行实时决策，产生控制指令并输出控制信号，控制执行机构。在放水口安置调节阀和信号收发设备，传感器反馈信息需要供水时，通过无线网络传输到远程监控室，监控系统就会有相应的报警提示，并根据需要打开相应的调节阀，自动开机灌溉，当达到预定的灌溉水量时,
自动关闭调节阀。
图1 系统的组成和分布
Fig.1Composition and distribution o f system
该系统的远程监控室可同时监控多个区域的农田。利用组态软件进行人机界面和数据库平台的开发。可以在监控室的PC 机上实现系统的各种监控功能。从传感器传过来的状态和数据，经系统分析整理
后，一方面以图表等形式实时显示到人机界面，供工作人员查看和监控；另一方面保存到数据库中，作为历史记录，便于以后查询调用。上位机系统还可通过Internet 与远端计算机互连，将远程监控界面发布到Internet 网络上，可在各地实时查看农田状况。根据系统的规模、监控对象的特点、技术要求和投入成本，系统采用
PC 机直接参与过程控制，有效地降低了成本，监控系统组成
如图2所示。系统的主要功能是实现农田灌溉的信息采集、信息处理和实时监控。系统灌溉过程可根据土壤水分、湿度等环境条件及作物的生理生态实现全自动控制。而且系统的可靠性高，抗干扰性好，可在恶劣的工作环境下长期不间断地运行；具有友好的人机界面，操作简便，便于维护；且实时性和通用性较好，能根据现场的具体要求和农田规模进行灵活扩展；系统的投入成本较低，符合我国农村经济条件的
安徽农业科学,Journal of Anhui Agri.Sci.2008,36(24):10712-10714 责任编辑 王淼 责任校对 傅真治
图2 监控系统的组成
Fig.2 Composition o f monitoring system
现状。
2 系统设计
2.1 系统硬件设计 监控室主要为一些终端设备、PC机等。PC机监控系统外加传感器输入接口、控制输出接口等组成。PC机提供了一个人机交互界面，通过串行口与无线通信模块进行数据通讯，实现数据采集和控制阀门等操作。
无线通讯选择新兴的Z igbee网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案，主要用于低速率的无线连接。Z igbee是以IEEE802.15.4为基础，采用直接序列扩频技术，可使用3个频段，传输速率介于20～250kbps，具有低成本、低功耗、通信可靠、高链接数、传输距离远、网络容量大和数据安全等优点，且具备了强大的设备联网功能。基于Z igbee无线传感器网络系统解决了有线传输带来成本过高、布线复杂、维护麻烦、灵活性和扩展性差等一系列问题，既节省了人力资源，又方便了信息的管理，已广泛应用于钢铁炼钢温度监控，蔬菜大棚温度、湿度和土壤酸碱度监控，煤气抄表等领域，它为该系统的实现提供了较好的解决方案。
该系统采用Jennic公司的Z igbee无线微型控制器JN51212M02芯片。其电路部分由MC U和Z igbee模块、时钟电路模块、存储电路模块、驱动控制输出模块、模拟处理电路、通讯接口电路模块与电源处理模块共同组成。JN51212M02模块内置一款32位的RISC处理器，并集成有2.4G H z频段的IEEE802.15.4标准的无线收发器。实时时钟模块采用实时时钟芯片PCF8563为系统提供了时间基准，
定时存入数据存储器，同时也能唤醒微控制器进行自动采集。数据存储模块采用铁存储器F M25L256，实现了高速的数据存储，功耗低，可擦写次数高达亿次。驱动控制输出模块采用步进电机桥式驱动芯片L298，用以实现对现场设备的控制。模拟处理电路由多路模拟开关IS L43640IR和运算放大器OPA357AI D BVT 组成。通过通用模拟接口接入的不同传感器的模拟信号，经过多路开关切换后进入，经运算放大器放大数倍后送入微控制器的A/D转换输入口，完成数据的采集与转换。通讯接口电路模块采用RS232、RS485和IrDA红外接口，以实现与上位机进行通讯[2]。
Jennic公司的Z igbee无线微型控制器JN51212M02芯片模块上配备了湿度传感器。传感器的发射功率为+1dBm，采用了休眠模式，功耗低，在休眠模式下功耗小于5μA，报文接收电流小于50m A，报文发送电流小于40m A，接收灵敏度为-93dBm。测湿精度为±3%RH，测量范围为l0%～90%RH，传输视距可达1000m，网络中的无线数据传输稳定，节点之间的无线信号不会相互干扰。通信时延和从休眠状态激活的时延短，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。正常情况下，电池寿命可达100～1000d。
无线调节阀采用多值电子技术研究所的DZK201电动阀门控制器，可直接控制电动阀门开度并显示数值，可进行手/自动切换，可根据接收到的控制信号进行阀位值调整。阀位为4～20m A，电位器为500Ω～10KΩ，显示窗分为数字和模拟2种，精度为0.2%～2%，执行动作包括开、关、停，内含交流接触器和双向可控硅等驱动元件。
灌溉方式主要采用喷灌、滴灌2种灌溉方式。喷灌是把由水泵加压或自然落差形成的有压水通过压力管道送到田间，再经喷头喷射到空中，形成细小水滴，均匀地洒落在农田，达到灌溉的目的。滴灌是通过干管、支管和毛管上的滴头，在低压下向土壤经常缓慢地滴水，是直接向土壤供应已过滤的水分、肥料或其他化学剂等的一种灌溉方式。
2.2 系统软件设计 PC机的系统软件平台选用W ind ows XP 操作系统，系统的人机界面和数据库由组态软件MCG S开发。MCG S具有数据采集与控制功能，可以通过硬件驱动程序与设备通信，完成数据采集和控制任务。其具有图形化用户接口，允许开发者使用图形化的组态方式进行系统配置，并可以定义图形对象的动态特性。MCG S还提供了安全权限功能，可对部分重要操作设置访问权限，软件的结构如图3
islate
nut所示。
图3 软件结构
Fig.3 Structure o f so ftw are
实时数据库是整个系统数据处理的核心。以实时数据库为中介环节，实现了现场数据状况以动画的形式反映在屏幕上，使得操作人员在计算机前发布的指令能迅速地到达现场。实时数据库是联系PC机和硬件设备的桥梁，它包含了全部数据变量的当前值以及I/O变量。当系统运行时,I/O 变量的数据通过I/O驱动程序从硬件设备获取或向硬件设备输出[3]。
MCG S组态软件中数据存储不再使用普通的文件，而是用数据库来管理。组态时，系统生成的组态结果是一个数据库；运行时，数据对象、报警信息的存储也是一个数据库。利用数据库来保存和处理数据，提高了系统的可靠性和运行效率。同时，也使其他应用软件系统能直接处理数据库中的存盘数据。MCG S组态软件提供了3种数据库:MCG S自带的数据库、ACCESS、S Q L ver，用户可根据数据量大小进行选择[4]。该系统由于数据存储周期较长，所以采用了系统自带的数据库来保存数据。
控制程序和参数设置由MCG S所提供的编程语言在脚本程序中编写。系统运行时的控制程序的流程图，如图4所
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36卷24期 雷硕等 远程节水灌溉网络监控系统的设计与实现
示。首先由传感器采集数据反馈给系统，系统根据预先设定的报警限值决定是否控制调节阀放水，使农田的土壤湿度达
到目标值。
图4 控制程序流程
Fig.4 F low ch art o f control procedure
2014高考查询系统的人机界面由远程监控窗口、数据显示窗口、报警数据窗口、报警数据浏览窗口、修改报警限值窗口及版本信息窗口等组成。MCG S 具有丰富和方便的动画组态功能，能快速构造出各种复杂的动画画面。
系统监控窗口如图5所示，显示了整个灌溉系统的全景画面。背景是不同区域农田的灌溉图，画面实时地显示出不同区域农田的土壤湿度和上下限报警信息，并以动画的形式模拟显示灌溉过程中水流、
调节阀和蓄水池的运行状态。
图5 远程监控窗口
Fig.5 Window o f remote monitoring
system
图6 数据显示窗口
Fig.6 Window o f d ata view
blue plate special实时曲线是显示不同区域农田的土壤湿度的实时变化的曲线，通过该曲线可以形象地观察到农田湿度的动态变化。历史曲线是显示不同区域农田的土壤湿度的历史的曲
线，通过该曲线可以观察到农田湿度的历史变化规律，如图6所示。历史数据存入数据库，可以报表的形式打印出来，通过日报表、月报表和年报表，可对一些重要参数作短期、中期和长期的统计分析，达到科学灌溉的目的。在人机界面上，利用PC 机接口可输出打印报表，还可以通过网络将报表传送给上级有关部门查看。软件的报警系统可以处理模拟量的越限报警、变化率报警、开关量的变位报警等多类型的报警。在报警信息窗口既可以实时地显示各类报警信息，还可以对报警历史记录进行查询[3]。
在报警数据浏览窗口中可以查阅系统的报警数据，并产生历史数据报表，还可根据需要进行编辑和打印
(图7)。
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图7 报警数据浏览窗口
Fig.7 Window o f w arning d ata
系统安全是软件设计中的重要环节。使用MCG S 组态软件设计的本系统，对部分重要操作设置了访问权限。当不同类型的用户使用同一个远程监控系统时，系统根据不同操作人员授权的不同进行限权。对于一般的参观人员，可以监视界面，查看农田当前的状态；对于一般工作人员，除了监视界面以外，还能行使修改报警限值等基本控制；对于高层级的管理人员，除了基本控制以外还可以进行参数设置，用户设置等操作。
3 结语
该系统的作用是通过无线网络对农田灌溉用水量进行
实时远程监控，将土壤湿度信息快速反馈给系统。监控系统可实现多画面的灵活转换，通过画面可显示系统的各种状态。该系统易于操作，运行稳定，且采用无线网络解决了有线传输带来的成本过高、布线复杂等问题，同时也实现了灌溉水量数据以报表形式自动输出。该系统的投运将对农业灌溉管理起到促进作用，具有一定的推广应用价值。参考文献
姐姐的守护者下载[1]黄颖，张茂青，胡忠臣.基于组态软件M CG S 的升降机远程监控系统设
someone like you 什么意思计[J ].自动化信息,2007,78(10):74-75.
peninsula[2]回楠木，乔晓军，王成.Z igbee 无线农田采集控制系统的实现方案[J ].农
机化研究,2008(2):63-66.
[3]冯磊，王一鸣，杨卫中，等.基于工控机的日光温室灌溉自动控制系统的
开发[J ].农机化研究,2006(5):122-124.[4]赵辰，吴昊，曹辉.基于M CG S 组态软件的水量数据采集监控系统[J ].
电气时代,2004(8):114-116.
[5]龙迅，柴建云.基于组态软件的风电场远程监控系统的研发[J ].能源与
环境,2007(2):76-78.[6]阎欣.组态王和P LC 实现远程监控系统[J ].东北电力技术,2007(3):19
-22.
[7]成锐，李静，雷鸣，等.基于Z ig Bee 的无线传感器网络设计方案[J ].电子
迪迪龙元器件应用,2007,9(12):54-58.
41701 安徽农业科学 2008年
