一種基于定向天線的農業灌溉中無線測控通信系統的制作方法

本發明涉及無線測控通信領域，具體涉及一種基于定向天線的農業灌溉中無線測控通信系統。

背景技術：

水對于農作物的重要性毋庸置疑。采用傳統人工灌溉的方式，工作效率低，且成本不斷提升。隨著電子通信技術在農業灌溉場景中的應用，現有的農業灌溉裝置大多采用有線或無線的通信方式。采用有線通信方式的灌溉裝置存在安裝維護不便的弊端。采用無線通信方式的灌溉裝置存在數據傳輸距離短，數據傳輸延時大等缺點。大范圍農場要求灌溉設備進行數據的遠距離傳輸，精確節水灌溉要求灌溉裝置進行數據快速的傳輸，而現有的灌溉裝置均無法滿足上述要求。

技術實現要素：

針對現有技術的不足，本發明公開了一種基于定向天線的農業灌溉中無線測控通信系統，用于解決農業灌溉設備中無線通信距離短、數據采集速率慢的問題。

具體技術方案如下：

一種基于定向天線的農業灌溉中無線測控通信系統，包括無線主機、無線分機和無線測控終端，所述無線主機包括若干定向主機模塊和一個總主機模塊，總主機模塊與各定向主機模塊之間通過RS-485總線進行相連，根據采集到的某無線分機所轄范圍內的土壤水分信息，能夠及時決定該無線分機所轄范圍內的灌溉設備的通斷，每個定向主機模塊配置一根定向天線，負責管理其通信范圍內的若干無線分機，所述每個無線分機配置兩根定向天線，負責管理其通信范圍內的若干無線測控終端，并與所屬定向主機模塊通信，所述無線測控終端負責對各測試點上土壤水分數據的獲取和對電磁閥電源的控制，從而控制水流的通斷，并與所屬無線分機通信；

優選的，每個定向主機模塊包括中央處理器、無線通信模塊、存儲模塊和電源模塊，所述中央處理器分別與存儲模塊、電源模塊、無線通信模塊相連接，總主機單元包括中央處理器、無線通信模塊、存儲模塊、顯示模塊和電源模塊，所述中央處理器分別與存儲模塊、電源模塊、無線通信模塊、顯示模塊相連接，所述無線分機包括兩個中央處理器，兩個Si4432無線通信模塊，每個中央處理器連接一個無線通信模塊，所述無線測控終端包括中央處理器、無線通信模塊、土壤水分傳感器、繼電器模塊、電磁閥模塊以及電源模塊組成，所述中央處理器分別與無線通信模塊、土壤水分傳感器、繼電器模塊、電磁閥模塊相連，所述電源模塊均由太陽能電池板、太陽能控制模塊和蓄電池構成；

優選的，所述無線通信模塊采用型號為Si4432的無線透明傳輸模塊，該模塊支持433Mhz和470Mhz頻段，實際應用時通過撥碼開關靈活配置使用頻段。利用其休眠喚醒機制，實現系統的低功耗數據采集、傳輸；

優選的，通過無線分機的數據轉發，無線主機實現對無線測控終端的定時巡檢和實時檢測功能；

優選的，所述總主機單元的中央處理器為STM32F103RBT6單片機，定向主機模塊、無線分機和無線測控終端的中央處理器為AVR系列單片機；

優選的，所述無線測控終端包含繼電器和電磁閥構成的灌溉開關；

優選的，所述定向天線的中心頻率分為470MHz和433MHz兩種，無障礙的視距情況下通信距離達4公里。

有益效果：

本發明采用無線通信方式使得結構簡單、安裝方便，成本低廉，功耗低。多定向主機同時工作大大提高了實時數據采集速率，定向天線的引入擴展了無線通信距離，省去了中繼裝置，節省成本。采用太陽能供電解決了供電不便問題，且節約能源。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1：基于定向天線的農業灌溉中無線測控通信系統系統框架圖；

圖2：基于定向天線的農業灌溉中無線測控通信系統總主機結構示意圖；

圖3：基于定向天線的農業灌溉中無線測控通信系統定向主機終端結構示意圖；

圖4：基于定向天線的農業灌溉中無線測控通信系統無線分機終端結構示意圖；

圖5：基于定向天線的農業灌溉中無線測控通信系統無線測控終端結構示意圖；

圖6：基于定向天線的農業灌溉中無線測控通信系統總主機電路原理圖；

圖7：基于定向天線的農業灌溉中無線測控通信系統定向主機電路原理圖；

圖8：基于定向天線的農業灌溉中無線測控通信系統無線分機終端電路原理圖；

圖9：基于定向天線的農業灌溉中無線測控通信系統無線測控終端電路原理圖。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

參看圖1：本發明的無線主機包括若干個定向主機，各定向主機和總主機分別連至RS-485總線，多定向主機同時工作顯著提高數據采集的效率，各定向主機的無線通信模塊通過撥碼開關設置成不同的通信頻率，以避免數據傳輸時的沖突。每個定向主機與其所轄范圍內的所有無線分機的上行通信模塊使用相同的通信頻率，具體信道頻率分配方法為：先通過撥碼開關依次將各定向主機和其通信范圍內的無線分機順序編號，在程序中根據定向主機號和分機號通過查表的方法確定各定向主機和無線分機的通信頻率。各通信信道的頻率分配方法為：以470MHz為中心頻率，間隔100KHz，例如，定向主機1使用470.0MHz信道，定向主機2為470.1MHz或者469.9MHz，定向主機3為470.2MHz或者469.8MHz等等，處于同一通信范圍內的無線分機的上行通信模塊使用相同的頻率并與定向主機頻率相同，達到頻譜利用率，擴展性強的效果，分配方法同定向主機。無線分機的下行通信模塊(中心頻率為433MHz的信道)、無線測控終端的信道分配方法與定向主機和無線分機的上行通信模塊的頻率分配方法相同。定向天線的波瓣寬度為70°，各定向主機只能與在定向天線波瓣范圍內的無線分機通信，根據現場情況靈活配置定向主機的數目。每個定向主機配置一根定向天線，在視距情況下，定向主機與無線分機之間的數據傳輸達4公里，省去了中繼，達到節省成本的目的，此傳輸距離滿足大多數農田、大棚等現場。

本發明提供的一種基于定向天線的農業灌溉中無線測控通信系統，包括無線主機、無線分機和無線測控終端。

結合圖3，參看圖2：所述無線主機由總主機和定向主機組成，放置在主控機房內。其中總主機由STM32F103RBT6單片機主芯片及其外圍的顯示模塊、存儲模塊、無線通信模塊以及電源模塊組成，主要完成數據的匯聚、存儲、人機交互的接口以及指令的下達，無線通信模塊為SI4432，通信頻段為433MHz/470MHz，各無線通信模塊通過撥碼開關設置成不同的通信頻率，以避免數據傳輸時的沖突。當系統暫時無需進行無線通信時將無線通信模塊設置為低功耗狀態，能明顯節省電能消耗，無線通信模塊使用的天線為定向天線。定向主機由存儲模塊、無線通信模塊和電源模塊組成，定向主機的無線通信模塊使用的天線同樣為定向天線。一個總主機管轄若干個定向主機，各定向主機和總主機分別連至RS-485總線，多定向主機同時工作顯著提高數據采集的效率。定向天線的引入擴展了無線通信距離，省去了中繼裝置，從而節省了成本。

參看圖4：所述無線分機可放置在農田中的適當位置，管轄一定數量的無線測控終端。由2塊Atmega16-AU單片機芯片、2塊無線通信模塊和電源模塊組成，2塊單片機芯片協調完成與上行定向主機和下行無線測控模塊的無線通信。2塊無線通信模塊使用的天線均為定向天線，每個無線分機只能與其所屬定向主機和所轄無線測控終端通信。無線分機的無線通信模塊在沒有數據傳輸的情況下同樣可設置成低功耗狀態以節約能源。

參看圖5：所述無線測控終端放置在需要進行土壤水分測量的農田中和各灌溉水流開關控制處。由Atmega16-AU單片機芯片、土壤水分傳感器、無線通信模塊、電源模塊以及由電磁閥和繼電器構成的灌溉開關組成。土壤水分傳感器信號輸出端與Atmega16-AU芯片的土壤水分含量信號輸入端連接，用于測量土壤的水分含量。繼電器的信號輸入端與Atmega16-AU芯片的灌溉控制信號的輸出端相連接，與電磁閥構成灌溉開關，控制灌溉水流的通斷。無線測控終端的無線通信模塊在沒有數據傳輸的情況下同樣可設置成低功耗狀態以節約能源。

定向主機采集數據有兩種方式：一是定時巡檢方式，二是根據需要實時檢測。當農田無人值守情況下，無線分機定時一定時間間隔通過下行通信模塊(中心頻率為433MHz的信道)廣播發送一定量的喚醒包來喚醒處于低功耗狀態下的無線測控終端，同時將忙信號線置成“忙”狀態，將無線測控終端喚醒后開始廣播發送采集指令至所轄范圍內的各無線測控終端，各無線測控終端接收到采集指令即開始采集數據，采集完畢，各無線測控終端按照自身終端號進行一定時間的延遲以便各無線測控終端按照時間隊列將數據上傳至無線分機，上傳完畢后無線測控終端即進入休眠狀態，無線分機接收完數據判斷各無線測控終端上傳的數據是否在正常范圍內，若超出正常范圍，無線分機則立即發送喚醒包喚醒無線測控終端，隨后廣播發送灌溉指令，無線測控終端接收到灌溉指令立即打開電磁閥開關進行灌溉，同時將灌溉標志位置成“開”狀態，無線測控終端接收到灌溉指令啟動定時器，每隔兩分鐘采集一次水分含量數據，并進行自檢判斷灌溉是否需要停止，若數據處于正常范圍內則將發送停止灌溉指令至無線分機下行通信模塊，直至最遠的無線測控終端發送停止灌溉指令至無線分機，無線分機接收到最后一個采集終端的停止灌溉指令后判定是否是故障指令，若不是則發送停止灌溉指令至無線測控終端停止灌溉，撤銷“忙”狀態，同時無線測控終端將灌溉標志位置成“關”狀態。

第二種實時采集的方式通過點擊總主機上觸摸屏的相應功能按鈕即可進行實時采集，采集的過程如下：總主機接收到觸摸屏發來的采集指令后通過RS-485總線廣播發送采集指令至各定向主機，各定向主機收到指令立即發送喚醒包喚醒無線分機的上行通信模塊，無線分機上行中央處理器接收到采集指令首先檢查下行中央處理器是否處于“忙”狀態，若忙，則通知定向主機稍后再試，定向主機接收到忙指令后通過顯示屏通知用戶系統正忙，稍后再試。若不忙，無線分機的上行中央處理器通過相互連接的串口通知無線分機的下行中央處理器進行水分數據采集，采集的過程同無人值守情況，無線分機下行中央處理器接收到實時數據后通過串口傳遞至無線分機的上行中央處理器，無線分機的上行中央處理器通過包發送的方式將數據打包發送至定向主機，再通過RS-485返回至用戶。采用數據包方式發送比按照無線測控終端單獨上傳的方式明顯提高數據傳輸效率。通過無線主機的顯示模塊能夠實時查看農作物的當前狀態以及歷史數據。

本發明通過觸摸屏可查看當前灌溉開關的的狀態，也能手動控制灌溉設備的開關，過程同實時采集，區別在于指令的不同，返回的狀態為無線測控終端的電磁閥的“開”或者“關”狀態。

采用工業級超低功耗的土壤水分傳感器，測量精度高，響應速度快，性能穩定。為了充分了解農作物生長過程中土壤的和水分含量，根據需要插入多個不同深度的水分傳感器，獲取植物根部不同深度的水分含量，能夠更好的控制植物的生長所需水分。

當無線測控終端處于空閑的情況下，暫時控制無線通信模塊進入休眠狀態，以達到節能的效果，需要進行數據傳輸時，先通過定向主機發送喚醒指令來喚醒無線測控終端，再進行數據傳輸。此種方案的優點是節能，但在數據實時傳輸上速率較低。另一種方案是使無線測控終端的無線通信模塊始終處于正常的收發狀態，明顯提高數據的傳輸速率。

電源模塊由太陽能電池板、蓄電池、太陽能控制模塊和支架構成，光線充足時，蓄電池通過太陽能電池板獲取能量并存儲，陰雨天或者夜晚光線不足時蓄電池為無線測控終端提供能量。在連續陰雨天無法為蓄電池充電的情況下，蓄電池支持不少于15天電能供應。

本發發明引入了定向天線使得系統通信距離增大，避免了中繼模塊的使用，并使用數據打包技術，從而大大減小了數據傳輸時延，各定向主機模塊與其所轄無線分機、無線分機與其所轄無線測控終端之間均采用休眠喚醒機制和獨立的頻率信道，達到了節能目的，并顯著提升了數據傳輸效率，系統采用模塊化的設計結構，安裝維護便捷。

以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精神和范圍。