简介：
本系统是基于物联网的温室大棚智能灌溉管理系统，采用低功耗的无线射频RF、节水灌溉和物联网等技术，通过对温室土壤的湿度、空气的温度、二氧化碳含量以及光照强度等信息的实时采集，和远程终端服务器的自动决策实现节水灌溉、光照控制及二氧化碳预警功能。采用科学的方法解决人为因素造成的灌溉弊端，减少水资源的浪费、优化作物的灌溉制度，实现温室大棚的自动控制。且无线节点采用太阳能供电，安全节能又环保。
本系统主要由无线RF模块、节点信息采集模块、灌溉控制模块、光照控制模块和二氧化碳预警模块构成。 工作频段为470~480MHz， 无线节点最大发射功率10mW，可靠传输距离250m，工作电压3.3 ~ 3.6V，睡眠电流<10uA，波特率2400bps。
详细设计：
一、 系统总体设计
1、需求分析
在温室智能节水灌溉系统中，通过无线传感器获取土壤的温度、湿度、光照等信息，把结果储存到相关实时数据库中，由节水灌溉管理平台系统通过计算、分析后给出作物的精确灌溉时间和最佳灌水量，灌溉工作则由自动控制系统根据决策支持系统的指令自动或有人工点击按键完成。利用终端服务器系统平台自动控制灌溉，以替代传统人工手工控制的灌溉管理制度，实现节水灌溉控制的精确化、系统化、科学化和自动化。
2、主要功能
数据采集：通过接在无线射频模块终端的传感器获取土壤温度、湿度、PH值以及空气二氧化碳含量、光照强度等信息，并在PC机上以实时波形的形式显示出最近时间段内各个信息值的变化情况。
数据通信：把传感器节点监测到的数据经过无线射频传感器网络传输到终端管理服务器上，再将管理平台的控制信息再发送到监控节点完成整个数据间的双向通信。
灌溉管理：土壤的信息数据的动态输入，作物种类信息输入，数据的计算、灌溉控制指令的输出，历史数据的查询、计算、报表的打印等。
光照自动控制：通过检测温室中光照强度自动开关灯，保持温室光照强度，并可设定光照时间。
二氧化碳预警：当检测到温室中二氧化碳含量过低时将发出预警信息通知补充二氧化碳。
灌溉自动控制：由终端服务器上管理平台输出自动或人工操作的控制指令信号，由D／A转换电路转换成电信号，经过放大电路处理，决定电磁阀门的开启或关闭，从而控制农田的灌溉。
3、系统结构
根据需求分析和需要完成的主要功能，本系统可划分为以下几个子系统：温室实时监测数据采集系统、低功耗无线射频通信系统、无线灌溉自动化控制系统、终端服务器系统。
二、 系统模块设计
1、实时监测和数据采集系统
此模块的功能是，实时采集各节点温室大棚传感器数据，上交至射频无线通信网络。模块由温度、湿度采集与数据发送端和数据接收端两部分组成，发送端由测温传感器、主控模块组成，接收端由无线射频RF模块、数据转换电路等组成。
2、数据通信系统
无线射频监测主要由分布在监测区域的温度传感器、土壤水分传感器、空气二氧化碳传感器及光照传感器组成，各测量单位都配备有低成本的RF远端节点，用于无线上传数据，各子RF节点与RF主节点构成了一个星形网络，该射频模块使用的是利尔达公司的LSD-RFMC-B401-A2射频模块，点对点的有效传输距离达到250m；故可以在调研的基础上合理规划网络节点的分布，设计合理的网络结构。接收来自无线传感器的采集数据，或发送来自网络传递的数据，通过数据转换，输到远程终端服务器系统或接受远程终端服务器的监控命令。
图一数据采集及通信系统示意图
3、无线灌溉自动化控制系统
灌溉系统的控制主要是通过远程终端服务器灌溉管理平台系统根据射频RF传感器节点监测土壤的温度、含水量数据信息，计算判断，发出指令控制田间电磁闸门的启闭，实现节水灌溉的远程自动化的灌溉，同理，通过光照的检测实现对日光灯的控制，这样既提高了灌溉系统的自动化控制程度，减少水资源浪费，又能实现光照控制以及二氧化碳预警。
4、供电系统
供电系统主要是给无线射频RF模块、主控模块以及电池阀提供稳定电压，并且不间断供电。无线节点的所有供电均来自太阳能电池板，太阳能电池板将太阳能转化为电能存储于蓄电池中，供无线节点各个模块使用，真正实现无线物联网的无线传输与无线控制。
三、 系统硬件设计
1、网络节点
本系统网络节点是由利尔达公司的LSD-RFMC-B401-A2射频模块组成的，在组网时每一个射频模块都将是网络中的一个节点，这些射频模块负责将采集到的土壤信息整合后发送给主节点，进而传送给PC机供显示使用。
2、温湿度采集
温湿度采集传感器采用的是单总线的DTH21/AM2301传感器，具有结构简单、体积小、功耗低、无须外接元件、用户可自行设定预警上下限温度等特点。二氧化碳采用的是MG811，可探测0-10000ppm范围内的二氧化碳含量。可见光强度传感器采用的是PNA4603H00LB，它具有双极集成电路与光电探测功能，输出电压与亮度呈线性关系。根据以上传感器的功能特点及时序要求，编写相应程序便可实现对温度、湿度、二氧化碳含量、可见光强度的读取。
3、灌溉自动控制
在智能节水灌溉系统中，灌溉自动控制模块的控制由监控模块指令信号通过放大器电路驱动和D／A转化器转化成直流脉冲信号，把直流脉冲信号传输到直流闭锁电磁阀来控制电磁阀的闭合，用直流脉冲控制器来控制灯泡开关以实现对光照的控制。
4、太阳能电源控制
太阳能电池板经过太阳能控制器给蓄电池充放电，并且经过分压得到不同的电压，将电能分配到各个模块中。
四、 系统软件设计
1、数据帧格式
|
帧起始 |
命令字 |
源地址 |
目的地址 |
温度 |
湿度 |
光照 |
帧结束 |
图二帧结构
2、终端节点软件设计
图三终端节点流程图
由上面的流程图可知，终端节点接收的数据可以来自子节点的监测数据，也可以是来自上位机发出的命令数据。如果终端节点要接收来自子节点的数据，必须要解决的就是发送冲突，为了解决冲突问题，借鉴CSMA/CA的原理，在开机启动是对所有节点进行一次同步，而且在每隔固定时间对网络上的节点进行再次同步处理。如果接收的是来自上位机的命令，则直接将数据不做处理直接发送出去，数据由子节点来处理。
3、子节点软件设计
子节点在完成网络生成及加入管理后，首先接收来自各传感器的温度、湿度、二氧化碳和光照数据，将数据融和、打包发送到终端服务器上（上位机软件）。当服务器处理完数据后，将控制数据下传，唤醒子节点，实现对电磁阀等的控制。子节点可以将传感器的数据传送到指定节点，也能响应来自终端节点的控制命令。
4、终端服务器（上位机）设计
图五上位机软件流程图
上位机软件是智能节水管理系统数据显示和灌溉系统控制的中心，该软件可实时远程监测田间传感器采集的动态土壤温度、湿度数据，以图表或波形形式显示在屏幕中，并根据作物不同阶段的需水需求进行评判并发出命令，通过网络传送到监测节点，由远程终端节点随时自动控制灌溉阀门的开闭，实现节水灌溉的智能化和无人值守的目的。上位机软件实现自动控制设计的主要依据是“作物需水灌溉控制指标体系表”，它是智能节水灌溉系统灌溉控制系统模块实施灌溉控制指令决策电磁阀开启、闭合灌溉与否最主要的程序设计依据。
五、 创新特色
本系统是基于无线物联网的智能节能节水灌溉系统，采用无线射频RF技术，实现温室大棚土壤信息的智能采集，同时结合优良的服务器软件系统，实现温室大棚的节水灌溉、光照控制和二氧化碳预警功能，另外还有太阳能的利用，安全节能又环保，减少了人力物力成本，实现节水灌溉，使农业管理实现智能化。
六、 应用前景
本系统可应用于温室大棚之中，利用无线物联网技术实现对许多温室大棚的统一管理，由于温室大棚的产值较高，对温室内环境的要求较为苛刻，采用本系统可实现温室大棚的智能全天候的管理，且能避免人工管理所产生的弊端。本系统可在温室大棚的建造中加入其中，也可对现有的温室大棚进行改造，由于采用的是无线射频来实现数据的传输和控制指令的发出，整个模块采用太阳能供电，因此能够减少布线，减少了改造的难度，又达到节能环保目的。本系统在量产之后成本将会大大降低，由该系统带来的收益将会弥补改造的花费。