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摘要：为解决目前我国农业领域中水资源利用率低等问题，结合igBee无线传感器网络和GPRS技术，设计了1套以GPRS igBee无线组网技术为核心的智能灌溉监控系统。igBee无线传感器网络由终端节点和协调器节点（网关节点基于IEEE 802154/igBee协议构建，终端节点对土壤、环境等信息读取和传输来自上层的指令，协调器节点基于TCP/IP协议连接到监控服务器形成远程灌溉监控网络，将数据经过处理后发送至监控中心及手机用户，实现对作物的精准灌溉。
关键词：智能灌溉；无线传感器网络；GPRS技术；igBee
中图分类号： TP2772；S126文献标志码： A
文章编号：1002-1302（201412-0404-03[HS][HT9SS]
收稿日期：2014-01-10
基金项目：国家自然科学基金（编号：61261045。
作者简介：王福平（1963—，男，宁夏银川人，教授，硕士生导师，研究方向为计算机控制技术。E-mail：w_fuping@126com。
目前我国农业领域由于水资源利用率低以及耕地管理效率低等问题，制约了农业的发展。在灌溉期浇水全凭农民的经验和感觉，造成水资源的严重浪费，也使农作物不能得到最佳的生长环境，影响了农作物的产量和质量。近几年来，物联网技术在农业领域的应用逐步频繁，集成短距离igBee、蓝牙、蜂窝移动、卫星通讯等各种无线通讯技术和互联网技术实现了信息的多尺度传输[1]。在农田灌溉中数据的传输要可靠及时，对灌水量的控制要精确。igBee具有短距离、低成本、低功耗的特点，主要适合应用于监控点密集又难于布线的场合；而GPRS网络不受通讯距离的限制，通信可靠并使底层的igBee网络与Internet网络实现可靠的数据传输。本研究充分发挥2种无线技术的优势，设计1套以GPRS igBee无线组网技术为核心的智能灌溉监控系统。
1系统框架设计
基于GPRS igBee无线组网技术的智能灌溉监控系统的总体结构如图1所示，主要由无线传感器网络、中央监控服务器和终端监控系统组成。无线传感器网络通过对终端节点采集的数据信息进行处理，然后将处理后的数据通过igBee协议传输至协调器节点，将数据融合并打包传输到监控中心来完成数据的采集、处理和传输。中央监控服务器对接收到的数据结合气象信息进行分析，并与专家决策系统信息按照一定算法（模糊控制得出决策信息，来控制电磁阀的开关。管理员可以采用PC机作为客户端来进行用户管理、信息查看和控制灌溉；通过登录权限设置，用户也可以通过PC机或手机来登录终端监控系统，查看耕地的土壤墒情、灌水量及水费剩余等信息。
设计的智能灌溉监控系统具有以下主要功能：（1精准灌溉，上传到服务器端的数据经过解析存储到数据库，通过专家系统利用模糊算法处理数据并结合作物在各个生长时期的不同需求，得出最佳的灌水时间和灌水量，以确保作物始终处于最优的生长环境，进而来保证作物的品质和产量。（2远程管理，系统管理员和用户可通过联网以Web形式访问监控中心，来进行管理。（3移动控制，持有手机移动终端的用户可通过开通GPRS业务来查看所属农田的信息、灌水量信息等，若遇特殊情况需要灌溉而系统不予灌溉时，用户可通过手机终端界面来控制阀门，实施灌溉。（4智能施肥，通过对灌溉管道中灌溉肥水pH值、EC值的检测，结合专家系统设定的适合各个作物生长时期的pH值和EC值，来控制施肥管道的开度以达到调整肥水的pH值、EC值的目的。
2无线传感器网络的设计
传统的无线传感器网络组网方案是将节点随机的放置在需要进行监控的地点，各个节点对自己的覆盖区域进行数据采集，然后向汇聚节点进行数据传送，离汇聚节点近的节点因数据采集和转发的任务最重，能量消耗也最大。鉴于灌溉区域环境的面积广阔，土壤条件差异大特点，设计了基于分簇结构的两层无线传感器网络构成。无线传感器网络包括协调器节点和终端节点，利用基于igBee技术的协调器节点实现农田近距离数据采集传输，通过终端节点的GPRS模块实现数据的远程传输。适用于无线控制和自动化应用的较低速率的IEEE 802153技术，即igBee技术，每个igBee网络最多可以设置254个从设备和一个主设备，节点间的距离可从标准的75 m，到扩展后的几百米，甚至几千米[5]。
21igBee节点硬件设计
igBee终端节点是无线传感器网络的基本单元，由数据采集模块、信息处理模块、射频天线和电源模块4部分组成（图2。根据系统需求设计数据采集模块由温湿度传感器、降雨量传感器等组成。采用翻斗式雨量传感器来测量降水量、降水强度和降水起止时间，并将脉冲信号传输到采集系统；信息处理模块采用CC2430芯片，能满足以igBee为基础的24 GHz ISM波段应用对低成本，低功耗的要求。在单个芯片上整合了igBee射频（RF前端、内存和微控制器， 结合[FL]
[F（W23][TPWFP1tif][F]
[FL（22]一个高性能24 GHz DSSS射频收发器核心和一个小巧高效的8051控制器，CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。电源模块采用高能大容量的碱性电池来提供电能[6]。
[F（W9][TPWFP2tif][F]
22GPRS协调器节点设计
igBee网络面向的是短距离通信，GPRS面向的是远距离通信，传输距离远且数据可靠，两者优势互补，可以实现大范围的农田数据监测。协调器节点主要负责igBee网络与GPRS网络的双向数据传输，实际是一个基于igBee协议和GPRS协议的转换网关（网关节点。本系统采用华为的GTM900无线模块实现无线发送、接受和数据处理等功能，支持EGSM900/GSM1800频段，内嵌TCP/IP协议，使用AT指令集，通过UART接口与外部CPU进行串口通信。GTM900模块与数据处理模块存储CC2430芯片通过RS232接口连接，完成GPRS网络的链接、数据的接受和发送等。 传输到GPRS模块的数据经过内置的嵌入式处理器进行处理和协议封装后发送到GPRS网上，由于GPRS网与互联网都是基于IP协议且是互相连接的[7]，所以只要灌溉监控中心通过任意方式联网就能通过GPRS网络接收监测数据，并将数据信息保存到监控服务器的数据库中。同时，监控中心中由专家系统得出的决策信息经过Internet和GPRS网络发送到GPRS模块中，再由GPRS模块传送至阀门控制器来控制远端灌溉系统的运行。GPRS上电复位后，首先要对模块进行初始化设置，如工作模式、接入网关、协议类型、通信波特率等，初始化设置后就可以发送拨号命令进行GPRS网络连接，GPRS模块初始化如下：（1设置通讯波特率，使用“AT IPR=115200”命令设置波特率为115 200 bps；（2设置接入[JP2]网关，使用“AT CGDCONT=1，”IP“，”CMNET命令设置为移动梦网的接入网关；（3测试是否开通，使用“AT CGACT=1”命令，激活GPRS功能。如果返回O，可GPRS连接成功；如果返回ERROR，则表示GPRS连接失败；（4与监控中心建立TCP连接；使用“AT CIPSTART=”TCP“，”1721855107“，”2020”命令建立TCP连接，其中“2020”为接入端口号；（5设置移动终端的类别，使用“AT CGCLASS=B”命令设置移动终端的类别为B类，在同一时间只能运行一种业务，GPRS或GSM。
3中央监控服务器设计
中央监控服务器是整个系统信息管理和监控中心，是数据处理的重要环节，能够为管理者提供充足的信息和快捷的查询手段，大大方便管理者的管理。服务器端监控软件采用Java语言来实现，实现数据的实时显示。采用SQL Server 2000数据库来存储灌溉现场采集的信息及水费管理信息，数据库存储使数据的存储结构化，不仅增加了存储的效率，还使数据查询更加高效。
31中央监控服务器的功能
建立的友好的人机交互平台，可以实现监管中心与底层传感器和阀门控制器的通信、数据传输及监控功能。利用GSM的SMS短消息业务实现向用户发送灌溉控制信息；同时，用户可向监管中心发送强制灌溉控制指令和土壤墒情数据提取指令，完成对灌溉的远程监控[8-9]；其智能灌溉监控系统结构框图如图3。[FL]
[F（W16][TPWFP3tif][F]
[FL（22]32专家系统
灌溉专家决策系统采用模糊控制技术实现，设计了一个双输入-单输出的二位节水灌溉控制器。控制器的输入量为设定值与实际测量计算得到的差值（E，及其变化率（EC，输出量为灌溉时间（U，并分别定义了7个语言变量，即NB、NM、NS、0、PS、PM、PB，采用简单的三角形隶属函数，选用的模糊推理条件语句为“if A and B then C”。根据作物不同生长阶段的不同需求得出各阶段的模糊控制表，查询该表便可得到输出量的量化等级，对输出量去模糊化，即乘以比例因子，便可以得到灌溉时间。模糊控制系统结构示意图如图4所示。[FL]
[F（W10][TPWFP4tif][F]
[FL（22]4结论
本研究设计了一种基于igBee和GPRS技术的智能灌溉监控系统，具体研究了利用无线传感器网络实现农田信息的采集和智能节水灌溉的控制，设计了无线传感器网络和智能灌溉系统的具体实现方案。igBee技术不但具有低成本、低功耗的特点，而且避免了灌溉现场布线带来的各种问题。并且利用Internet使用户通过计算机访问中央监控服务器，或通过手机利用用户名登陆，随时随地查看农田信息及水费使用情况等，该智能灌溉系统可以实现节水灌溉，并有效改善农业生产及管理模式。
[HS2][HT85H]参考文献：[HT8SS]
[1][（#]赵丽 浅议物联网在农业领域的应用及关键技术要求[J] 电信科学，2011，10（S1：71-74
[2]吴松，杨春园，杨仁全，等 智能施肥机系统的设计与实现[J] 上海交通大学学报：农业科学版，2008，26（5：445-448[HJ19mm]
[3]马宏锋，党建武，胡玫 一种基于无线传感器网络的分簇线形拓扑结构[J] 传感器与微系统，2010，29（8：48-50，53
[4]王权平，王莉 igBee技术及其应用[J] 现代电信科技，2004（1：33-37
[5]代忠，樊晓光，万明，等 基于射频芯片CC2420的igBee无线通信节点设计[J] 传感器世界，2006，12（5：41-44
[6]张军国 面向森林火灾监测的无线传感器网络技术的研究[D] 北京：北京林业大学，2010
[7]黄承安，张跃，云怀中 基于GPRS的远程仪表监控系统[J] 电测与仪表，2003，40（8：42-45
[8]Sahota H，umar R，amal A A wireless sensor network for precision agriculture and its performance[J] Wireless Communications
关键词：智能灌溉；无线传感器网络；GPRS技术；igBee
中图分类号： TP2772；S126文献标志码： A
文章编号：1002-1302（201412-0404-03[HS][HT9SS]
收稿日期：2014-01-10
基金项目：国家自然科学基金（编号：61261045。
作者简介：王福平（1963—，男，宁夏银川人，教授，硕士生导师，研究方向为计算机控制技术。E-mail：w_fuping@126com。
目前我国农业领域由于水资源利用率低以及耕地管理效率低等问题，制约了农业的发展。在灌溉期浇水全凭农民的经验和感觉，造成水资源的严重浪费，也使农作物不能得到最佳的生长环境，影响了农作物的产量和质量。近几年来，物联网技术在农业领域的应用逐步频繁，集成短距离igBee、蓝牙、蜂窝移动、卫星通讯等各种无线通讯技术和互联网技术实现了信息的多尺度传输[1]。在农田灌溉中数据的传输要可靠及时，对灌水量的控制要精确。igBee具有短距离、低成本、低功耗的特点，主要适合应用于监控点密集又难于布线的场合；而GPRS网络不受通讯距离的限制，通信可靠并使底层的igBee网络与Internet网络实现可靠的数据传输。本研究充分发挥2种无线技术的优势，设计1套以GPRS igBee无线组网技术为核心的智能灌溉监控系统。
1系统框架设计
基于GPRS igBee无线组网技术的智能灌溉监控系统的总体结构如图1所示，主要由无线传感器网络、中央监控服务器和终端监控系统组成。无线传感器网络通过对终端节点采集的数据信息进行处理，然后将处理后的数据通过igBee协议传输至协调器节点，将数据融合并打包传输到监控中心来完成数据的采集、处理和传输。中央监控服务器对接收到的数据结合气象信息进行分析，并与专家决策系统信息按照一定算法（模糊控制得出决策信息，来控制电磁阀的开关。管理员可以采用PC机作为客户端来进行用户管理、信息查看和控制灌溉；通过登录权限设置，用户也可以通过PC机或手机来登录终端监控系统，查看耕地的土壤墒情、灌水量及水费剩余等信息。
设计的智能灌溉监控系统具有以下主要功能：（1精准灌溉，上传到服务器端的数据经过解析存储到数据库，通过专家系统利用模糊算法处理数据并结合作物在各个生长时期的不同需求，得出最佳的灌水时间和灌水量，以确保作物始终处于最优的生长环境，进而来保证作物的品质和产量。（2远程管理，系统管理员和用户可通过联网以Web形式访问监控中心，来进行管理。（3移动控制，持有手机移动终端的用户可通过开通GPRS业务来查看所属农田的信息、灌水量信息等，若遇特殊情况需要灌溉而系统不予灌溉时，用户可通过手机终端界面来控制阀门，实施灌溉。（4智能施肥，通过对灌溉管道中灌溉肥水pH值、EC值的检测，结合专家系统设定的适合各个作物生长时期的pH值和EC值，来控制施肥管道的开度以达到调整肥水的pH值、EC值的目的。
2无线传感器网络的设计
传统的无线传感器网络组网方案是将节点随机的放置在需要进行监控的地点，各个节点对自己的覆盖区域进行数据采集，然后向汇聚节点进行数据传送，离汇聚节点近的节点因数据采集和转发的任务最重，能量消耗也最大。鉴于灌溉区域环境的面积广阔，土壤条件差异大特点，设计了基于分簇结构的两层无线传感器网络构成。无线传感器网络包括协调器节点和终端节点，利用基于igBee技术的协调器节点实现农田近距离数据采集传输，通过终端节点的GPRS模块实现数据的远程传输。适用于无线控制和自动化应用的较低速率的IEEE 802153技术，即igBee技术，每个igBee网络最多可以设置254个从设备和一个主设备，节点间的距离可从标准的75 m，到扩展后的几百米，甚至几千米[5]。
21igBee节点硬件设计
igBee终端节点是无线传感器网络的基本单元，由数据采集模块、信息处理模块、射频天线和电源模块4部分组成（图2。根据系统需求设计数据采集模块由温湿度传感器、降雨量传感器等组成。采用翻斗式雨量传感器来测量降水量、降水强度和降水起止时间，并将脉冲信号传输到采集系统；信息处理模块采用CC2430芯片，能满足以igBee为基础的24 GHz ISM波段应用对低成本，低功耗的要求。在单个芯片上整合了igBee射频（RF前端、内存和微控制器， 结合[FL]
[F（W23][TPWFP1tif][F]
[FL（22]一个高性能24 GHz DSSS射频收发器核心和一个小巧高效的8051控制器，CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。电源模块采用高能大容量的碱性电池来提供电能[6]。
[F（W9][TPWFP2tif][F]
22GPRS协调器节点设计
igBee网络面向的是短距离通信，GPRS面向的是远距离通信，传输距离远且数据可靠，两者优势互补，可以实现大范围的农田数据监测。协调器节点主要负责igBee网络与GPRS网络的双向数据传输，实际是一个基于igBee协议和GPRS协议的转换网关（网关节点。本系统采用华为的GTM900无线模块实现无线发送、接受和数据处理等功能，支持EGSM900/GSM1800频段，内嵌TCP/IP协议，使用AT指令集，通过UART接口与外部CPU进行串口通信。GTM900模块与数据处理模块存储CC2430芯片通过RS232接口连接，完成GPRS网络的链接、数据的接受和发送等。 传输到GPRS模块的数据经过内置的嵌入式处理器进行处理和协议封装后发送到GPRS网上，由于GPRS网与互联网都是基于IP协议且是互相连接的[7]，所以只要灌溉监控中心通过任意方式联网就能通过GPRS网络接收监测数据，并将数据信息保存到监控服务器的数据库中。同时，监控中心中由专家系统得出的决策信息经过Internet和GPRS网络发送到GPRS模块中，再由GPRS模块传送至阀门控制器来控制远端灌溉系统的运行。GPRS上电复位后，首先要对模块进行初始化设置，如工作模式、接入网关、协议类型、通信波特率等，初始化设置后就可以发送拨号命令进行GPRS网络连接，GPRS模块初始化如下：（1设置通讯波特率，使用“AT IPR=115200”命令设置波特率为115 200 bps；（2设置接入[JP2]网关，使用“AT CGDCONT=1，”IP“，”CMNET命令设置为移动梦网的接入网关；（3测试是否开通，使用“AT CGACT=1”命令，激活GPRS功能。如果返回O，可GPRS连接成功；如果返回ERROR，则表示GPRS连接失败；（4与监控中心建立TCP连接；使用“AT CIPSTART=”TCP“，”1721855107“，”2020”命令建立TCP连接，其中“2020”为接入端口号；（5设置移动终端的类别，使用“AT CGCLASS=B”命令设置移动终端的类别为B类，在同一时间只能运行一种业务，GPRS或GSM。
3中央监控服务器设计
中央监控服务器是整个系统信息管理和监控中心，是数据处理的重要环节，能够为管理者提供充足的信息和快捷的查询手段，大大方便管理者的管理。服务器端监控软件采用Java语言来实现，实现数据的实时显示。采用SQL Server 2000数据库来存储灌溉现场采集的信息及水费管理信息，数据库存储使数据的存储结构化，不仅增加了存储的效率，还使数据查询更加高效。
31中央监控服务器的功能
建立的友好的人机交互平台，可以实现监管中心与底层传感器和阀门控制器的通信、数据传输及监控功能。利用GSM的SMS短消息业务实现向用户发送灌溉控制信息；同时，用户可向监管中心发送强制灌溉控制指令和土壤墒情数据提取指令，完成对灌溉的远程监控[8-9]；其智能灌溉监控系统结构框图如图3。[FL]
[F（W16][TPWFP3tif][F]
[FL（22]32专家系统
灌溉专家决策系统采用模糊控制技术实现，设计了一个双输入-单输出的二位节水灌溉控制器。控制器的输入量为设定值与实际测量计算得到的差值（E，及其变化率（EC，输出量为灌溉时间（U，并分别定义了7个语言变量，即NB、NM、NS、0、PS、PM、PB，采用简单的三角形隶属函数，选用的模糊推理条件语句为“if A and B then C”。根据作物不同生长阶段的不同需求得出各阶段的模糊控制表，查询该表便可得到输出量的量化等级，对输出量去模糊化，即乘以比例因子，便可以得到灌溉时间。模糊控制系统结构示意图如图4所示。[FL]
[F（W10][TPWFP4tif][F]
[FL（22]4结论
本研究设计了一种基于igBee和GPRS技术的智能灌溉监控系统，具体研究了利用无线传感器网络实现农田信息的采集和智能节水灌溉的控制，设计了无线传感器网络和智能灌溉系统的具体实现方案。igBee技术不但具有低成本、低功耗的特点，而且避免了灌溉现场布线带来的各种问题。并且利用Internet使用户通过计算机访问中央监控服务器，或通过手机利用用户名登陆，随时随地查看农田信息及水费使用情况等，该智能灌溉系统可以实现节水灌溉，并有效改善农业生产及管理模式。
[HS2][HT85H]参考文献：[HT8SS]
[1][（#]赵丽 浅议物联网在农业领域的应用及关键技术要求[J] 电信科学，2011，10（S1：71-74
[2]吴松，杨春园，杨仁全，等 智能施肥机系统的设计与实现[J] 上海交通大学学报：农业科学版，2008，26（5：445-448[HJ19mm]
[3]马宏锋，党建武，胡玫 一种基于无线传感器网络的分簇线形拓扑结构[J] 传感器与微系统，2010，29（8：48-50，53
[4]王权平，王莉 igBee技术及其应用[J] 现代电信科技，2004（1：33-37
[5]代忠，樊晓光，万明，等 基于射频芯片CC2420的igBee无线通信节点设计[J] 传感器世界，2006，12（5：41-44
[6]张军国 面向森林火灾监测的无线传感器网络技术的研究[D] 北京：北京林业大学，2010
[7]黄承安，张跃，云怀中 基于GPRS的远程仪表监控系统[J] 电测与仪表，2003，40（8：42-45
[8]Sahota H，umar R，amal A A wireless sensor network for precision agriculture and its performance[J] Wireless Communications