1 引 言

　　世界各國越來越認識到水已成為21世紀可持續(xù)發(fā)展的一個關鍵問題。中國水資源已處于相當緊缺的程度，加上全國90％的廢、污水未經(jīng)處理或處理未達標就直接排放的水污染，11%的河流水質(zhì)低于農(nóng)田供水標準。水是農(nóng)業(yè)的命脈，是生態(tài)環(huán)境的控制性要素，同時又是戰(zhàn)略性的經(jīng)濟資源，因此采用水泵抽取地下水灌溉農(nóng)田，實現(xiàn)水資源合理利用，發(fā)展節(jié)水供水，改善生態(tài)環(huán)境，是我國目前精確農(nóng)業(yè)的關鍵。

　　采用節(jié)水和節(jié)能的灌水方法是當今世界供水技術發(fā)展的總趨勢。智能供水系統(tǒng)在國外發(fā)達國家推廣得比較快，技術發(fā)展也比較成熟，起步也比較早，特別是以色列、美國和加拿大等國，先進的電子技術、計算機和控制技術運用到了農(nóng)業(yè)供水中，大大提高了用水效率和生產(chǎn)力。而隨著我國經(jīng)濟和科技的發(fā)展，節(jié)水供水系統(tǒng)發(fā)展得很快，但大多停留在單片機控制為核心技術基礎上，與國外發(fā)達國家有一定的差距。

　　農(nóng)田供水的任務是適時適量地將水自水源送至農(nóng)田，滿足作物生長的需要。供水從天然狀態(tài)到被作物吸收最終形成產(chǎn)量可歸結為以下三大環(huán)節(jié)：

　?。?）通過供水取、輸、配水系統(tǒng)將水引至田間；

　　（2）然后以適當?shù)墓嗨夹g將水變成可供作物吸收的土壤水；

　　（3）作物根系自土壤中吸收水分（包括養(yǎng)分），經(jīng)過光合作用將輻射能轉(zhuǎn)化為化學能最后形成干物質(zhì)（碳水化合物）。

　　前兩個環(huán)節(jié)可依靠一系列工程技術和管理措施來實現(xiàn)。節(jié)水供水增產(chǎn)的目標應是極大地提高上述兩個環(huán)節(jié)中水的轉(zhuǎn)化及產(chǎn)出效率。本設計論文是針對第一個環(huán)節(jié)而研究設計的。如果再根據(jù)作物農(nóng)田實際情況結合滴灌、噴灑、施肥、除害等技術合理運用，我國農(nóng)業(yè)的前景將非常樂觀。

　　2 系統(tǒng)工作原理與硬件結構

　　2.1 系統(tǒng)工作原理

　　本文研究單片機系統(tǒng)通過多個傳感器對濕度、溫度、降雨量、酸堿度、水分蒸發(fā)量（風速）和空氣溫度等多種信息的采集來實現(xiàn)對農(nóng)田的精確自動灌溉控制，輸出A的信號信息通過無線全雙工數(shù)傳收發(fā)模塊傳送給控制中心（嵌入式系統(tǒng)）來確定是否啟動水泵為農(nóng)田供水，同時將此供水與否信息由GPRS通信通過 Internet傳送到遠方控制中心實現(xiàn)遠程監(jiān)控，并通過計算機中的一些模型來處理信息，作出供水計劃。

　　2.2 系統(tǒng)的硬件結構

　　該系統(tǒng)由兩個子系統(tǒng)組成，其一為控制中心：一個控制主機和無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點組成。其二是遠程控制系統(tǒng)：GPRS通信模塊、Internet網(wǎng)絡傳輸與監(jiān)控中心主機。圖1是系統(tǒng)的總體結構簡圖，圖中的無線通訊模塊結構完全相同?？刂浦鳈C由基于MiniARM嵌入式微控制器的開發(fā)平臺和無線通訊模塊組成。主機與無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點構成星型拓撲無線網(wǎng)絡；遠程控制系統(tǒng)由GPRS模塊Mini-WG23實現(xiàn)Internet接入（本系統(tǒng)可以擴展，使 GPRS通信網(wǎng)絡成星型拓撲接入）后傳到遠程控制中心。

　　2.3 無線傳感器網(wǎng)絡硬件設計

　　無線傳感器網(wǎng)絡模型（如圖1所示）是不同于傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡的基礎設施網(wǎng)，通過在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)隨意布撤大量傳感器節(jié)點（簡稱節(jié)點），由各節(jié)點自行協(xié)調(diào)并迅速組建通信網(wǎng)絡，在能量利用率優(yōu)先考慮原則下進行工作任務劃分以獲取監(jiān)視區(qū)域信息。網(wǎng)絡的自組織特性體現(xiàn)在當節(jié)點失效或新節(jié)點加入時網(wǎng)絡能夠自適應重新組建，以調(diào)整全局的探測精度，充分發(fā)揮資源優(yōu)勢，即網(wǎng)絡中的各節(jié)點除具備數(shù)據(jù)采集功能外兼有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)多跳的路由功能。無線傳感器網(wǎng)絡馥類節(jié)點的組成一般都由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸和電源這四部分組成。其中每一個單片機系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計都是一樣。本設計的研究設計方案是只針對一個單片機系統(tǒng)的。被監(jiān)測物理信號的形式?jīng)Q定了傳感器的類型。處理器通常選用嵌入式CPU，如MOTOROLA公司的68HC16、C51系列單片機等。數(shù)據(jù)傳輸單元可以選擇由低功耗、短距離的無線通信模塊組成，但考慮防盜與自然損壞，本系統(tǒng)選擇功耗較大、傳輸距離較遠的SA68D21DL，農(nóng)民可以在辦公室或家中安放主控制器。圖2描述了節(jié)點的組成，其中，箭頭的方向表示數(shù)據(jù)在節(jié)點中的流動方向。

　　2.4 無線通信模塊選擇

　　對于移動或便攜式數(shù)據(jù)采集測控系統(tǒng)而言，采用無線數(shù)據(jù)傳輸是一種較好的選擇方案。由北京捷麥通信器材有限公司生產(chǎn)的SA68D21DL無線數(shù)據(jù)報警收發(fā)模塊就是一款可在微機與微機之間，或微機與單片機之間進行全雙工遠距離無線通信的收發(fā)模塊。該模塊還可組成最多65535點的單發(fā)多收或多發(fā)單收形式無線局域網(wǎng)。其上位機硬件接線電路如圖3所示。

　　2.5 電源

　　在該系統(tǒng)中，SA68D21DL為較高電壓器件，電壓要求為6 V，為了與之接口，AT89S51也工作在6 V（AT89C2051是寬電壓器件）電壓下。該系統(tǒng)用+6 V電源供電，可以通過支流穩(wěn)壓電源得到，考慮干擾與系統(tǒng)穩(wěn)定，建議用干電池供電。