1 引 言
世界各国越来越认识到水已成为21世纪可持续开展的一个要害问题。我国水资源已处于恰当紧缺的程度，加上全国90％的废、污水未经处理或处理未达标就直接排放的水污染，11%的河流水质低于农田供水规范。水是农业的命脉，是生态环境的操控性要素，一起又是战略性的经济资源，因而选用水泵抽取地下水灌溉农田，完结水资源合理运用，开展节水供水，改进生态环境，是我国现在准确农业的要害。
选用节水和节能的灌水办法是当今世界供水技能开展的总趋势。智能供水体系在国外发达国家推广得比较快，技能开展也比较老练，起步也比较早，特别是以色列、美国和加拿大等国，先进的电子技能、计算机和操控技能运用到了农业供水中，大大进步了用水功率和出产力。而跟着我国经济和科技的开展，节水供水体系开展得很快，但大多停留在单片机操控为核心技能基础上，与国外发达国家有必定的间隔。
农田供水的使命是当令适量地将水自水源送至农田，满意作物成长的需求。供水从天然状况到被作物吸收终究构成产值可归结为以下三大环节：
（1）经过供水取、输、配水体系将水引至田间；
（2）然后以恰当的灌水技能将水变成可供作物吸收的土壤水；
（3）作物根系自土壤中吸收水分（包含营养），经过光合效果将辐射能转化为化学能最终构成干物质（碳水化合物）。
前两个环节可依托一系列工程技能和办理办法来完结。节水供水增产的方针应是极大地进步上述两个环节中水的转化及产出功率。本规划论文是针对第一个环节而研讨规划的。假如再依据作物农田实践情况结合滴灌、喷洒、上肥、除害等技能合理运用，我国农业的远景将十分达观。
2 体系作业原理与硬件结构
2.1 体系作业原理
本文研讨单片机体系经过多个传感器对湿度、温度、降雨量、酸碱度、水分蒸发量（风速）和空气温度等多种信息的搜集来完结对农田的准确主动灌溉操控，输出A的信号信息经过无线全双工数传收发模块传送给操控中心（嵌入式体系）来确认是否发动水泵为农田供水，一起将此供水与否信息由GPRS通讯经过Internet传送到远方操控中心完结长途监控，并经过计算机中的一些模型来处理信息，作出供水计划。
2.2 体系的硬件结构
该体系由两个子体系组成，其一为操控中心：一个操控主机和无线传感器网络节点组成。其二是长途操控体系：GPRS通讯模块、Internet网络传输与监控中心主机。图1是体系的整体结构简图，图中的无线通讯模块结构完全相同。操控主机由依据MiniARM嵌入式微操控器的开发渠道和无线通讯模块组成。主机与无线传感器网络节点构成星型拓扑无线网络；长途操控体系由GPRS模块Mini-WG23完结Internet接入（本体系能够扩展，使GPRS通讯网络成星型拓扑接入）后传到长途操控中心。
2.3 无线传感器网络硬件规划
无线传感器网络模型（如图1所示）是不同于传统无线网络的基础设施网，经过在监测区域内随意布撤很多传感器节点（简称节点），由各节点自行和谐并敏捷组成通讯网络，在能量运用率优先考虑准则下进行作业使命区别以获取监督区域信息。网络的自组织特性表现在当节点失效或新节点加入时网络能够自适应重新组成，以调整大局的勘探精度，充分发挥资源优势，即网络中的各节点除具有数据搜集功用外兼有数据转发完结多跳的路由功用。无线传感器网络馥类节点的组成一般都由数据搜集、数据处理、数据传输和电源这四部分组成。其间每一个单片机体系的硬件规划和软件规划都是相同。本规划的研讨规划计划是只针对一个单片机体系的。被监测物理信号的方法决议了传感器的类型。处理器一般选用嵌入式CPU，如MOTOROLA公司的68HC16、C51系列单片机等。数据传输单元能够挑选由低功耗、短间隔的无线通讯模块组成，但考虑防盗与天然损坏，本体系挑选功耗较大、传输间隔较远的SA68D21DL，农人能够在办公室或家中安放主操控器。图2描绘了节点的组成，其间，箭头的方向表明数据在节点中的活动方向。
2.4 无线通讯模块挑选
关于移动或便携式数据搜集测控体系而言，选用无线数据传输是一种较好的挑选计划。由北京捷麦通讯器材有限公司出产的SA68D21DL无线数据报警收发模块便是一款可在微机与微机之间，或微机与单片机之间进行全双工远间隔无线通讯的收发模块。该模块还可组成最多65535点的单发多收或多发单收方法无线局域网。其上位机硬件接线电路如图3所示。
2.5 电源
在该体系中，SA68D21DL为较高电压器材，电压要求为6 V，为了与之接口，AT89S51也作业在6 V（AT89C2051是宽电压器材）电压下。该体系用+6 V电源供电，能够经过支流稳压电源得到，考虑搅扰与体系安稳，主张用干电池供电。
3 主控体系
在该体系中，操控主机作为衔接Internet网和无线传感器网络之间的协议转化网关。其硬件选用致远电子公司MiniARM嵌入式工控模块。MiniISA系列搜集板卡选用智能型板卡结构，即在板卡上内置MCU。板载MCU对板卡上I／O端口进行操控，完结I／O数据的缓存，然后下降板卡关于MiniISA接口主机的依靠，节约主机处理数据的时刻，确保MiniISA体系愈加高效的运转。此外板载MCU能够对搜集的数据或许输出数据进行进一步的处理。体系电路图如图4所示。
3.1 MiniISA-8016A数字量输入继电器输出板卡
MiniISA-8016A是一款用于MiniISA总线的继电器输出和阻隔数字量输入卡，该卡供给8路阻隔数字量输入，在噪声环境下为搜集数字量供给1 500 VDC的阻隔保护；它带有8个继电器，能够用作开／关操控设备或小型电力开关；此外它还带有2个可由用户自定义的阻隔脉宽调制PWM输出。
3.2 MiniISA-GMT05001人机界面板卡
MiniISA-GMT05001是一款依据MiniISA总线的人机界面板卡，适用于任何具有MiniISA总线主控电路的底板上。
选用5.7英寸、分辨率为320×240的单色屏，支撑触摸屏操作功用，供给了六个按键输入。经过操作MiniISA总线完结相应的显现和按键功用。
3.3 MiniISA GPRS无线数传设备MiniISA-WG23
MiniISA-WG23是依据GPRS网络的智能型无线数传设备（DTU），具有MiniISA并行接口，能够便利地嵌入到用户的设备中，供给通明的数据传输功用，能够便利地完结无线的数据传输。
4 长途操控体系
长途操控体系首要规划GPRS通讯体系、GPRS与Internet网络接入体系、监控中心主机友爱界面显现操控体系。这一部分硬件部分能够运用现有的移动公司与电信等互联网资源，软件考虑本钱和专业功用能够自主开发，主张运用现有长途软件，如《波尔长途操控》软件、湖南省长途监控设备有限公司的RC-2000可视化长途操控软件体系。
5 水泵电机驱动电路
考虑强电弱电阻隔效果，水泵供电体系能够考虑与整个体系分隔规划。运用体系板上的继电器操控电机电源即可完结，电路如图5所示。
6 体系软件规划
体系软件包含两大部分：传感器网络接点体系程序与主机操控体系程序。
6.1 搜集体系程序
无线传感器网络节点体系程序由主程序、数据搜集子程序、与上位机通讯的子程序等部分组成。这儿介绍主程序的规划框图。
6.2 通讯协议研讨
上位PC机作为操控中心有必要具有网络唤醒、数据处理、路由保护功用。C++Builder、Delphi和微软的Visual Basic都是可选的快速开发工具。上层软件功用由Delphi完结，考虑到点对点通讯的可靠性，数据在底层无线传输中需求添加必要的协议规范。规划中对有用数据进行打包，格局为：前导码、地址、有用数据载荷、校验码。
6.2.1 串口通讯格局
上位机与模块间的通讯是经过异步串口来完结的。异步串口选用规范的串口格局，即1个开始位、8个数据位和1个中止位，传输速率为1 200 b／s。上位机与模块间的通讯内容有两类，一类是数据，一类是指令。
6.2.2 数据及指令的区别
当上位机向模块传送信息时，DTR端的功用是指示串口信息的性质。若串口信息为指令，DTR端应置为逻辑“0”，若串口信息为数据，则DTR端应置为逻辑“1”。
当模块向上位机传送信息时，DSR端可用来指示串口信息的性质，若串口信息为指令，DSR端为逻辑“0”，若串口信息为数据，DSR端为逻辑“1”。当模块串口无数据宣布时，DSR端的功用可指示模块是否能够接纳上位机的信息，当模块准备好，能够接纳上位机的信息时，此端为逻辑“0”；当模块不能接纳计算机的数据时，此端为逻辑“1”。
6.2.3 指令和数据传送格局
SA68D21DL的指令传送格局为：
D7H 指令码H 参数H
其间，D7H为指令码的特征码，即字头。指令码为一字节长度，代表指令的性质。不同的指令码有不同的参数，模块在收到指令后，将依据指令码的不同，剖析参数并执行指令。关于有些需求发送信令的指令，模块将依据指令的性质来发送相应的信令。当SA68D21DL在进行数据传送时，不论是上位机传给模块，仍是模块传给上位机的数据，都选用无格局传送方法。
依据农田实践工程，选用平面路由协议DD（Directed Diffusion）定向分散路由是一种以数据为中心的信息传达协议，与已有的路由算法有着天壤之别的完结机制，运转DD的传感器节点运用依据特点的命名机制来描绘数据，并经过向一切节点发送对某个命名数据的INTEREST（使命描绘符）来完结数据搜集。在传达INTEREST的过程中，指定范围内的节点运用缓存机制动态保护接纳数据的特点及指向信息源的梯度矢量等信息，一起激活传感器来搜集与该INTEREST相匹配的信息。节点对搜集的信息进行简略的预处理后，运用本地化规矩和加强算法树立一条抵达意图节点的最佳途径。
6.3 主控软件程序规划
体系软件选用分层规划，包含硬件设备驱动层、操作体系层、运用程序接口层和运用软件层。软件体系结构如图7所示。操作体系挑选小型的实时操作体系μC／OS-II是依据以下考虑：广州致远公司MiniARM嵌入式工控模块供给正版μC／OS-II实时操作体系在内的丰厚软件资源，完好的软硬件架构只需专心于编写产品的运用程序。几行代码即可完结TCP／IP通讯、CAN-BUS现场总线通讯、USB通讯和大容量存储等杂乱功用，使嵌入式体系规划愈加简练便利。TCP／IP协议分为4层：链路层（ARP协议）、网络层（IP协议、ICMP协议）、传输层（TCP协议、UDP协议）、运用层（HTTP协议）。本体系的TCP／IP协议栈挑选UIP1.0。
7 结语
本文研讨了依据嵌入式体系而规划出来的智能广域农田供水体系，当检测到农田缺水信息时能够经过主动操控继电器来发动供水水泵，并且完结了长途GPRS通讯，能够经过PC机来了解体系的运转状况并可对其操控，能够主动搜集土壤信息来自行确认是否发动水泵为农田供水，这正契合我国乡村的基本国情。
本体系操作简略，对体系改造一下，能够规划成院子主动供水体系、温室主动供水体系和花园主动供水体系等，故本体系的可扩展性比较好，远景比较宽广。
