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1、10申请公布号CN104206234A43申请公布日20141217CN104206234A21申请号201410471045722申请日20140916A01G25/1620060171申请人黄河科技学院地址450063河南省郑州市航海中路94号南校区72发明人李伟柴远波肜瑶崔小伟郑晶晶刘超陈万里74专利代理机构北京科亿知识产权代理事务所普通合伙11350代理人汤东凤54发明名称一种农田灌溉系统57摘要本发明公开了一种农田灌溉系统，包括电磁阀、毛管、主管道设备，所述电磁阀分别与毛管和主管道相连，在一块农田中，四条毛管每个毛管的一端口都有一个电磁阀，主管道一端连接一个电磁阀，另一端分别和四条毛。
2、管的电磁阀相连。本发明具有能耗低、容易控制的特点，适合推广应用。51INTCL权利要求书1页说明书5页附图3页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书5页附图3页10申请公布号CN104206234ACN104206234A1/1页21一种农田灌溉系统，其特征在于，包括电磁阀、毛管、主管道设备，所述电磁阀分别与毛管和主管道相连，在一块农田中，四条毛管每个毛管的一端口都有一个电磁阀，主管道一端连接一个电磁阀，另一端分别和四条毛管的电磁阀相连。2根据权利要求1所述的农田灌溉系统，其特征在于，还包括农田灌溉监控控制系统，采用两个网络三模块的结构，将系统分为汇聚节点模块、终。
3、端模块、上位机管理模块模块，其中汇聚节点模块和终端节点模块通过MESH自组网网络进行通信，汇聚节点模块与上位机管理模块模块通过GSM网络进行通信，在农田采样农田信息的终端节点通过MESH网络和汇聚点连接；汇聚点中GSM模块通过UART接口和MESH网络节点相连；汇聚点通过GSM网络和上位机管理模块相连，其中，GSM模块通过RS232接口和电脑相连。权利要求书CN104206234A1/5页3一种农田灌溉系统技术领域0001本发明属于农业技术领域，具体地说，涉及一种农田灌溉系统。背景技术0002随着网络技术、无线通信技术和计算机技术的飞速发展，手机、互联网等高科技产品正在逐渐的改变人们的生活方式。
4、。在享受这些新技术给我们带来的喜悦的同时，人们不断的研究，能否采用一种技术将这些新技术应用到我们的生活中，将客观上的物质世界与逻辑上的信息世界结合在一起,周围的设备可以通过我们的手指一动就能控制；我们坐在电脑前就能远程的监控农田灌溉等。这一想法，产生了将传感器技术与无线通信技术相结合，集传感技术、嵌入式计算技术、网络及无线通信技术于一体的综合性、交叉性的无线传感网络理论。近年来对于集成电路、传感器、无线通信等技术研究的提高，使得越来越多的无线传感网络具有很低的功耗，比较低的安装成本，并且可以处理许多的事情。许多可以采集数据的节点相互的合作组成了无线传感网络，具有数据采集和处理、无线通信、协同合。
5、作等功能，并且能够相互的合作以获取周围环境的信息以完成特定任务。劳动者能够在应用无线传感网络的工农业中，进行安全性和劳动强度度低的工作，这将能够大大的降低生产成本和提高生产效率。0003无线MESH网络作为一种复杂度低、通信距离短、数据传输率低、功耗低的双向无线通信技术，目前被众多无线传感器网络广泛使用。在现代高效农业和科学技术的不断发展中，人们逐渐认识到自动化控制技术在农业现代过程中的地位和作用是不可替代的。在经济全球化的过程中，农产品的进出口越来越频繁，这使得市场竞争的压力逐渐的增大，因此要使现代农业得到生存必须使产品品质和生产率得到进一步的提高、生产成本得到进一步的降低。为了满足农业在新。
6、形势下的要求，现代农业生产必须具有高精度的机械化、自动化和高效率。无线传感器网络技术在农业生产中的使用，使得农业生产渐渐的转向以计算机和数据为中心并能进行远程自动控制现代农业生产模式，在这种模式中农民的工作量得到减轻并且农产品产量得到提高。传统的灌溉，没有使土壤始终保持疏松和最佳含水状态，这样农作物的生长必然会受到影响，导致农作物的产量不能达到最大。所以设计一套智能的灌溉监控系统，能根据农作物的需要，进行合理的灌溉，对提高农作物的产量和节约水资源具有重要的意义。发明内容0004为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种农田灌溉系统。其技术总体方案如下0005一种农田灌溉系统，包括电磁阀、毛管。
7、、主管道设备，所述电磁阀分别与毛管和主管道相连，在一块农田中，四条毛管每个毛管的一端口都有一个电磁阀，主管道一端连接一个电磁阀，另一端分别和四条毛管的电磁阀相连。0006优选地，还包括农田灌溉监控控制系统，采用两个网络三模块的结构，将系统分说明书CN104206234A2/5页4为汇聚节点模块、终端模块、上位机管理模块模块，其中汇聚节点模块和终端节点模块通过MESH自组网网络进行通信，汇聚节点模块与上位机管理模块模块通过GSM网络进行通信，在农田采样农田信息的终端节点通过MESH网络和汇聚点连接；汇聚点中GSM模块通过UART接口和MESH网络节点相连；汇聚点通过GSM网络和上位机管理模块相连。
8、，其中，GSM模块通过RS232接口和电脑相连。0007与现有技术相比，本发明的有益效果为00081农田中的数据采用无线的方式传输，每两个无线节点之间的传输距离至少为1000M，无线节点采用干电池进行供电，其连续供电时间不少于6个月。00092农田中的无线节点能够采集农田中土壤的温湿度信息、节点的电压信息，将其传输到远程监控端，能够接受并执行远程监控端的控制指令，进行相应操作。00103远程监控端不仅能够对无线节点的四个电磁阀进行同时控制，而且能进行单独控制。00114远程监控端能够设置温湿度上下限值，供自动灌溉或者提示用户进行灌溉，能够显示农田中的状态信息。00125远程监控端能够显示农田中。
9、的节点失去控制、电压过低等危险状况并给出报警提示，系统运行的成本不应太高。0013通过分析系统要实现的功能及技术指标，可知本发明研究的重点主要体现在系统运行时的低功耗性、控制的可靠性和系统的易管理性这三个方面。其中低功耗性和控制的可靠性是本发明研究的难点。0014低功耗性1由于本系统要求节点能够长时间的连续工作，工作时间大于6个月，系统的供电的方式只能采用两节普通的干电池，这对于集数据采集、电磁阀开关控制及无线传输功能于一体的无线节点不容易实现，现有的无线远程农田灌溉监控系统一般都是采用太阳能电池板对节点进行供电。2通过研究发现，数据采集和电磁阀的控制时间比较短，在毫秒级别，所以节点的能量消耗。
10、主要体现在数据的无线传输和节点待机时的电量消耗，所以设计节点的休眠与工作状态切换的算法和选择一个合适的无线传感网络是本发明实现系统运行时低功耗的一个难点。3研究现有的无线传感网络协议，发现只有一部分的协议栈考虑了网络运行的功耗问题，但是即使那部分考虑了功耗问题的协议栈，也只是适用于特定的工作状态不能很好的应用于本发明的系统，所以从协议栈的改进方面进行功耗降低，是本发明研究的一个难点。0015控制可靠性要保证系统的可靠性主要存在的难点有1由于要实现系统运行时的低功耗这个目的，节点必须在睡眠状态和工作状态之间切换，这必然使传统的无线传输网络协议不能适应本系统，造成数据传输的不可靠和数据的丢失，所以。
11、为了保证系统的数据传输的可靠性，必须修改一部分无线传感网络协议栈，使协议栈能够满足本系统的要求，而协议栈的设计比较复杂，要修改协议栈必须进行整个无线传感网络的协议栈的研究，找出不适合本系统的一部分，非常的困难。2在现有的协议栈的实现中，完全开源的协议栈实现代码没有，要实现修改后的协议栈非常的困难。3由于节点的睡眠，使得节点与节点之间不能在需要时立即进行数据的传输，必须设计一套通信协议来保证系统控制的可靠，通信协议的设计也是本发明研究的一个难点。说明书CN104206234A3/5页5附图说明0016图1是农田灌溉系统的结构示意图；0017图2是农田灌溉系统总体结构；0018图3是汇聚节点模块的。
12、硬件组成框图；0019图4是终端节点的组成框图；0020图5是农田灌溉监控系统软件总体设计图。具体实施方式0021下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细描述。00221、一种农田灌溉系统，包括该农田采用滴灌方式对农田进行灌溉，其中包括电磁阀、毛管、主管道设备,电磁阀分别与毛管和主管道相连，在一块农田中，四条毛管每个毛管的一端口都有一个电磁阀，主管道一端连接一个电磁阀，另一端分别和四条毛管的电磁阀相连。连接工作过程为灌溉时水流从干管流向支管，再由支管流向毛管进行灌溉。支管和干管通过电磁阀进行连接，通过控制电磁阀的开关实现对农田的灌溉或停止灌溉。根据农田灌溉的需求每一块地有四个支管。
13、，水流从主管的同一位置通过支管流向毛管进行农田的灌溉。电路图如图1所示。00232、本发明根据用户的需求，设计一套低功耗的农田灌溉监控控制系统，能够根据土壤的温湿度信息，实现对农田灌溉的远程监控，其主要是针对大面积的农田进行灌溉监控。由于农田种植面积大，地块分散，这使本系统具有数据采集节点与控制节点多，数据传输距离长等特点。基于上述特点，本发明采用两个网络三模块的结构。将系统分为汇聚节点模块、终端模块、上位机管理模块模块，其中汇聚节点模块和终端节点模块通过MESH自组网网络进行通信，汇聚节点模块与上位机管理模块模块通过GSM网络进行通信。其在农田采样农田信息的终端节点通过MESH网络和汇聚点连。
14、接；汇聚点中GSM模块通过UART接口和MESH网络节点相连；汇聚点通过GSM网络和上位机管理模块相连，其中，GSM模块通过RS232接口和电脑相连。其工作方式如下终端节点每隔一段时间采集农田中的土壤温湿度、电磁阀状态等信息，并通过MESH网络将农田的信息传输到汇聚节点，汇聚节点通过GSM网络将上述信息传输到上位机管理模块，上位机管理模块对此信息进行处理后，通过GSM网络发送相应的控制指令到农田中的汇聚节点，农田中的汇聚节点通过MESH网络将控制指令传输到终端节点，实现相应的控制，进行农田灌溉。其系统结构如图2所示。00243、农田灌溉汇聚节点模块设计框图0025汇聚节点模块由无线MESH模块。
15、、GSM模块、太阳能充电电路、充电电池、电池电量采集电路、土壤温湿度传感器电路、电磁阀驱动电路、电磁阀状态采样电路组成。其连接方式为太阳能充电电路通过充电接口和充电电池连接；电池电量采集电路通过数据线和充电电池相连并且和无线MESH模块通过数据线相互通信；充电电池再分别通过电源线与无线MESH模块、GSM模块、土壤温湿度传感器电路、电磁阀驱动电路、电磁阀状态采样电路连接；无线MESH模块通过数据线和土壤温湿度传感器电路相互通信；无线MESH模块通过UART接口和GSM模块相连并相互通信；电磁阀状态采样电路通过数据线和无线MESH模块相连并相互通信；无线MESH模块通过控制线和电磁阀驱动电路相连。
16、。具体原理为土壤温湿度传感器电路把采样过来的信号送给无线MESH模块，无线MESH模块再把信号传给GSM说明书CN104206234A4/5页6通信模块，GSM通信模块把这个信息长距离的传给让位及模块管理进行处理并发出控制指令，驱动电磁阀驱动电路进行对土地的浇灌。这个电路具有MESH网络维护、数据采集、电磁阀控制等功能，并且能通过GSM网络与监控管理中心进行双向的信息传输。由于汇聚节点要维护整个MESH网络，且要不断接收上位机管理系统发送来的控制信息，因此节点的供电系统必须要可靠，在本系统中汇聚节点采用充电电池供电，充电电池通过太阳能电池板进行充电。汇聚节点模块硬件的组成框图如图3所示。002。
17、64、终端节点模块硬件设计0027终端模块有电池供电电路、无线MESH模块、电池电量采集电路、土壤温湿度传感器电路、电磁阀驱动电路、电磁阀状态采样电路组成。其连接方式为充电电池再分别通过电源线与无线MESH模块、土壤温湿度传感器电路、电磁阀驱动电路、电磁阀状态采样电路连接；电池电量采集电路通过数据线和充电电池相连并且和无线MESH模块通过数据线相互通信；无线MESH模块通过数据线和土壤温湿度传感器电路相互通信；电磁阀状态采样电路通过数据线和无线MESH模块相连并相互通信；无线MESH模块通过控制线和电磁阀驱动电路相连。具体原理为次终端模块具有数据采集、电磁阀控制功能，通过MESH网络与协调器节。
18、点进行双向的信息传输。它将传感器采集到的电磁阀开关数据、土壤温湿度、电池电量等信息传送到汇聚节点，同时接收汇聚节点发送的控制命令，对终端节点的电磁阀进行相应的控制。由于控制节点通过询问的方式来查询协调器节点是否有向它发送的数据，所以它能休眠，它的耗电量比较小，采用电池供电即可，其硬件组成框图如图4所示。00285、农田灌溉监控系统模块总体设计0029本发明设计一套低功耗的灌溉控制系统，根据土壤的温湿度信息，实现农田灌溉的远程监控。为了能有效的实现此功能，本发明将模块设计部分划分为终端节点模块模块、汇聚节点模块模块、上位机管理模块模块组成。模块总体结构框图如图5所示。如图5所示协议栈模块设计是无。
19、线节点最底层的设计，MESH网络的建立、节点的加入、无线节点的数据收发都是通过底层协议栈来实现的，所以设计好底层协议栈是本发明系统设计的基础。在底层协议栈上是各硬件的控制程序，通过这些程序来控制硬件实现系统的数据采集、电磁阀控制等功能。上位机管理模块负责提供用户可视的操作环境方便用户进行系统管理。在各总体结构模块之间设计通信协议模块，保证控制指令能够可靠的传输和执行。0030其连接方式为在终端节点模块模块中,温湿度传感器首先把采样过来的信号通过数据线传给无线MESH网络与调谐器节点,然后再短距离的通过无线MESH网络传给汇聚节点模块,汇聚节点把传过来的信息通过UART接口串口通信传给GSM模块。
20、,最后GSM模块按照一定的通信协议再远距离的传给上位机模块管理模块其工作过程为在终端节点模块模块中,温湿度传感器首先把采样过来的信号通过数据线传给无线MESH网络与调谐器节点,然后再短距离的通过无线MESH网络传给汇聚节点模块,汇聚节点把传过来的信息通过UART接口串口通信传给GSM模块,最后GSM模块按照一定的通信协议再远距离的传给上位机模块管理模块,上位机模块对传过来的信号要采用多线程程序设计，使费时的操作与不费时的操作相分开。用户可以在家中通过上位机管理模块向农田中的节点发送控制指令对农田中的电磁阀进行控制，也可以采用专家的控制策略自动的发送控制指令到终端进行农田的灌溉控制。上位机管理模。
21、块通过串口发送AT指令控制GSM模块通过GSM网络与协调器节点进行双向的信息传输，将汇聚节点发送过来的电磁阀的开关状态等信息显说明书CN104206234A5/5页7示到监控中心的管理模块上，并向汇聚节点发送控制指令，控制农田中的节点进行灌溉。上位机模块能根据用户的设置的参数，对农田中返回的信息进行分析，以指导用户执行下一步的操作。0031本发明改进传统的灌溉系统，农田中采用无线MESH自组网网络进行农田中信息的汇聚，能够避免在农田中进行通信线路的布置，减少系统安装时对农田耕种的影响。远程数据的传输采用GSM网络，不需要额外的布置通信设备，减少农田灌溉监控系统安装成本，增加系统的安全性。系统采。
22、用具有低功耗特性的无线MESH自组网单片机，采用两节干电池供电，减少能量的消耗。农田中的无线传感网络可以实时的采集农田的温湿度信息，将其传输到远程的监控系统，工作人员可以在远程分析数据，实时远程控制灌溉，极大的节省了劳动力，提高了工作效率，增加了农民的收入。0032本发明在分析MESH协议栈MAC层协议的基础上，找出其中存在的问题，并且采用睡眠与监听的方法来改进MESH协议栈，使系统具有更低的运行功耗。本发明对MESH协议栈的MAC层功耗问题的改善，对于采用电池供电的所有MESH应用场合极其重要，使MESH技术能够更加的广泛应用。0033本发明的创新点为采用汇聚节点统一对控制指令进行管理，通过。
23、广播方式发送控制指令对终端节点的进行控制，在终端节点收到控制信息后，更新汇聚节点维护的所有终端的控制消息，使下次广播时收到控制消息的终端不会再次动作，这相对于传统单播方式的点对点的控制指令发送方式，缩短了控制的时间和减少了系统运行时功耗。0034以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。说明书CN104206234A1/3页8图1说明书附图CN104206234A2/3页9图2图3说明书附图CN104206234A3/3页10图4图5说明书附图CN104206234A10。