一种基于ZigBee与GPRS的变频灌溉远程监控系统技术方案

本实用新型专利技术公布了一种基于ZigBee与GPRS的变频灌溉远程监控系统，现有技术布线复杂，不易扩展，本实用新型专利技术包括现场监控部分和远程监控中心两部分，现场监控部分包括数据采集节点、变频器控制节点、电磁阀控制节点和现场汇聚节点，现场监控部分的通信采用无线的ZigBee通信协议；远程监控中心由PC机及监控软件组成；数据采集节点、电磁阀控制节点和电磁阀控制节点采集灌溉现场的信息发送到现场汇聚节点再通过GPRS网络发送到远程监控中心；远程监控中心实时显示灌溉现场的信息，通过控制变频器控制节点和电磁阀控制节点，对灌溉进行精确控制；本系统结合了ZigBee技术和GPRS技术，实现了无人值守的灌溉远程监控。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及农业节水智能灌溉的
,具体是一种基于ZigBee与GPRS的变频灌溉远程监控系统。
技术介绍
我国的水资源已处于紧缺状态，其中农业用水量约占总用水量的75%，但目前我国农业灌溉用水的利用率仅为45%，浪费现象严重，发展自动化的糊节水灌溉技术势在必、行。随着电子信息技术的飞速发展，自动化的节水灌溉系统已经有了很大的发展。传统的灌溉监控系统中多采用有线连接方式组成的上位机和下位机的二级系统，下位机一般为嵌入式的单片机，上位机通常为工控机，它们之间通过各种总线电缆来连接。但此类系统布线复杂，不易移动。特别是在监测范围较大，传感器及控制节点较多的情况下，安装布线和搬动都会面临很大的困难，而且大范围的布线也是一项不菲的投资。另一方面，在节水灌溉园区，特别是温室大棚内的滴灌或喷灌系统中，由于各温室大棚内作物的种植结构和种植时间不同，各大棚的灌水时间、灌水定额及整个园区的需水量均可视为随机的，而各大棚在灌溉时所需的压力是一定的，是属于恒压变流供水。通过采用变频灌溉的方式不但能够满足灌溉流量和管道压力随时变化的要求，同时节约能源和水资源，保护滴管或喷灌管道。
技术实现思路
本技术的目的是克服现有技术的不足，提供一种基于ZigBee与GPRS技术的变频灌溉远程监控系统。基于ZigBee与GPRS的变频灌溉远程监控系统包括现场监控部分和远程监控中心两部分，其中现场监控部分包括数据采集节点、变频器控制节点、电磁阀控制节点和现场汇聚节点，现场监控部分的通信采用无线的ZigBee通信协议，网络拓扑结构为星型网络；远程监控中心由一台连接Internet网络的PC机与监控软件组成；数据采集节点采集灌溉现场的环境信息，电磁阀控制节点采集阀门的开关信息，变频器控制节点采集灌溉管道的压力信息，这些信息都发送到现场汇聚节点，现场汇聚节点再通过GPRS网络以TCP/IP协议的方式发送到远程监控中心；远程监控中心实时显示灌溉现场的信息，通过图形化的控制界面把控制指令以TCP/IP协议经GPRS网络发送到现场汇聚节点再由它发送到变频器控制节点和电磁阀控制节点，对灌溉进行精确控制；变频控制节点是一个恒压控制的闭环子系统，节点的处理器上设计了恒压控制的PID算法，它根据接收的监控中心的控制命令控制DA通道的输出电压，以控制变频器的频率，控制灌溉现场的水泵的转速，从而控制灌溉管道的压力，让系统在进行滴管或喷灌时能随时根据灌溉的需要改变管道的压力，保护管道，并且保证灌溉所需的压力的恒定；电池阀控制节点接收监控中心的控制命令后驱动电磁阀的开关。数据采集节点包括JN5139无线单片机、光照强度传感器TSL2550D、空气温湿度传感器SHT11、土壤水分传感器TDR-3和天线，JN5139无线单片机分别与光照强度传感器TSL2550D,空气温湿度传感器SHT11，土壤水分传感器TDR-3，天线相连接。TSL2550D与SHTl I均为数字信号输出，可直接与JN5139的I/O 口相连；TDR_3的输出信号为0-2. 5V的模拟电压，降压到0-2. OV后再送到JN5139的AD输入端(JN5139的AD输入范围为0-2. 4V)。变频器控制节点包括JN5139无线单片机、天线、第一 HCNR201光电隔离模块、第二HCNR201光电隔离模块、变频器、水泵、管道和压力传感器，无线单片机JN5139与天线相连，JN5139的DA电压输出端经第一光耦HCNR201线性隔离与放大模块后再接到变频器的模拟电压输入端，变频器的三相电压输出端再与水泵的三相电压输入端相连；灌溉管道上安装有压力传感器，压力传感器的输出经第二线性光耦HCNR201线性隔离放大模块后再传送到JN5139。该节点构成闭环的恒压控制子系统。电磁阀控制节点包括JN5139无线单片机、天线、光耦P521隔离放大模块、固态继电器和电磁阀，JN5139无线单片机与天线相连，JN5139的I/O输出端经光耦P521隔离放大 模块后再与固态继电器相连接，固态继电器分别与各灌溉管道的电磁阀相连接。现场汇聚节点包括JN5139无线单片机、GTM900 GPRS模块和天线，JN5139无线单片机分别与天线，GTM900 GPRS模块连接。JN5139与GTM900 GPRS模块是通过RS232串口进行通信。本技术有益效果是DZigBee技术自组织、低成本、低功耗的特点，是灌溉现场的监控网络构建非常简单，省去了传统监控网络中复杂的电缆布线。系统安装维护简便，易于扩展。2)结合了无线传感网络中的ZigBee技术和GPRS技术，即充分利用了无线传感器网络节点灵活、节点部署方便的特点，又利用了 GPRS技术扩展了无线传感器网络数据的传输范围，实现了无人值守的灌溉远程监控，可以根据现场环境信息进行智能的精确灌溉。3)为适应节水灌区恒压变流灌溉的需要，设计了变频器控制节点。该节点由无线单片机JN5139、两个HCNR201线性隔离与放大模块、变频器、水泵和压力传感器组成一个闭环的控制系统，微控制器JN5139上设计了恒压控制的PID算法程序。JN5139根据接收的监控中心的控制命令控制DA通道的输出电压来控制变频器的频率，以控制灌溉现场的水泵的转速，从而控制灌溉管道的水压力，让系统在进行滴管或喷灌时能根据灌溉的需要改变管道的压力，保护管道和保证灌溉所需的压力的恒定。附图说明图I是基于ZigBee与GPRS技术的变频灌溉远程监控系统的结构框图；图2是本技术的数据采集节点电路框图；图3是本技术的变频器控制节点电路框图；图4是本技术的电磁阀控制节点电路框图；图5是本技术的现场汇聚节点的电路框图；图6是本技术的监控中心软件功能图。具体实施方式如图I所示，基于ZigBee与GPRS技术的变频灌溉远程监控系统包括现场监控部分和远程监控中心两部分，其中现场监控部分包括数据采集节点、变频器控制节点、电磁阀控制节点和现场汇聚节点，现场监控部分的通信采用无线的ZigBee通信协议；远程监控中心由一台连接Internet网络的PC机及相应的监控软件组成；数据采集节点采集灌溉现场的环境信息，电磁阀控制节点采集阀门的开关信息，这些信息都发送到现场汇聚节点，现场汇聚节点再通过GPRS网 络以TCP/IP协议的方式发送到远程监控中心；远程监控中心实时显示灌溉现场的信息，通过图形化的控制界面把控制指令以TCP/IP协议经GPRS网络发送到现场汇聚节点再由它发送到变频器控制节点和电磁阀控制节点，对灌溉进行精确控制；变频控制节点是一个恒压控制的闭环子系统，节点的处理器上设计了恒压控制的PID算法，它根据接收的监控中心的控制命令控制DA通道的输出电压，以控制变频器的频率，控制灌溉现场的水泵的转速，从而控制灌溉管道的压力，让系统在进行滴管或喷灌时能随时根据灌溉的需要改变管道的压力，保护管道，并且保证灌溉所需的压力的恒定；电池阀控制节点接收监控中心的控制命令后驱动电磁阀的开关。另外，数据采集节点、变频器控制节点、电磁阀控制节点的总数理论上可增加到254个，系统既有极强的扩展能力。如图2所示，数据采集节点中，空气温湿度传感器SHT11、光照强度传感器TSL2550D、土壤水分传感器TDR-3分别把采集的信息传送到本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1. 一种基于ZigBee与GPRS的变频灌溉远程监控系统包括现场监控部分和远程监控中心两部分，其特征在于现场监控部分包括数据采集节点、变频器控制节点、电磁阀控制节点和现场汇聚节点，现场监控部分的通信采用无线的ZigBee通信协议，网络拓扑结构为星型网络；远程监控中心为一台连接Internet网络的PC机； 数据采集节点包括JN5139无线单片机、光照强度传感器TSL2550D、空气温湿度传感器SHT11、土壤水分传感器TDR-3和天线，JN5139无线单片机分别与光照强度传感器TSL2550D,空气温湿度传感器SHT11，土壤水分传感器TDR-3，天线相连接，TSL2550D与SHTll均为数字信号输出，可直接与JN5139的I/O 口相连；TDR_3的输出信号为0-2. 5V的模拟电压，降压到0-2. OV后再送到JN5139的AD输入端； 变频器控制节点包括JN5139无线单片机、天线、第一 HCNR201光电隔离模块、第二HC...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨祥龙，陈辉，李琦，曹泓，贾生尧，缪军，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：实用新型
国别省市：