基于作物水脅迫聲發(fā)射技術(shù)與Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精細(xì)灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鄭先鋒,劉 剛

(1.河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校電氣工程系,河南 新鄉(xiāng) 453003;2.河南機(jī)電高等專科學(xué)校自動(dòng)控制工程系,河南 新鄉(xiāng) 453003)

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基于作物水脅迫聲發(fā)射技術(shù)與Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精細(xì)灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鄭先鋒1*,劉 剛2

(1.河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校電氣工程系,河南 新鄉(xiāng) 453003;2.河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校自動(dòng)控制工程系,河南 新鄉(xiāng) 453003)

設(shè)計(jì)了基于Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與作物水脅迫聲發(fā)射技術(shù)的精細(xì)灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)聲發(fā)射傳感器采集作物需水信息,通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器,服務(wù)器根據(jù)采集信息進(jìn)行精細(xì)灌溉。軟件系統(tǒng)采用VC++6.0和LabVIEW編寫。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)界面友好,操作簡(jiǎn)單,能對(duì)作物需水量進(jìn)行準(zhǔn)確的判斷,能夠很好的實(shí)現(xiàn)精細(xì)灌溉。

精細(xì)灌溉;Zigbee;LabVIEW;作物水脅迫;聲發(fā)射技術(shù)

精細(xì)灌溉可以有效的解決中國(guó)農(nóng)業(yè)水資源利用率低、浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題[1-3]。但是實(shí)施精量灌溉需要解決2個(gè)問(wèn)題:(1)準(zhǔn)確采集到農(nóng)作物需水的信息;(2)采用先進(jìn)且成本較低的遠(yuǎn)程信息傳輸技術(shù);國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者針對(duì)精細(xì)灌溉的兩方面做出了大量的研究。目前,已有多種傳感器投入了使用,如檢測(cè)土壤含水量、溫度、環(huán)境溫度、農(nóng)田小氣候等類型的傳感器。多種信息傳輸技術(shù)也應(yīng)用與精細(xì)灌溉技術(shù)中。但是從目前的發(fā)展現(xiàn)狀來(lái)看還有明顯的不足,主要表現(xiàn)在:(1)多種傳感器的應(yīng)用成本過(guò)高,投入資金過(guò)大,不適宜大規(guī)模推廣。(2)常用的灌溉控制系統(tǒng)主要采用有線方式,節(jié)點(diǎn)布置不靈活,安裝維護(hù)困難[4-5]。

近年來(lái),作物水脅迫發(fā)聲技術(shù)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)陸續(xù)應(yīng)用到了精細(xì)灌溉研究體系中,為精細(xì)灌溉的研究提供了很好的技術(shù)路線[6-8]。其中,作物水脅迫聲發(fā)射技術(shù),用于檢測(cè)作物是否缺水。通俗的講,就是作物在缺水的時(shí)候會(huì)發(fā)出聲音,這種聲音可以通過(guò)聲發(fā)射傳感器檢測(cè)。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了深入的研究和應(yīng)用,但主要側(cè)重于采用有線的數(shù)據(jù)傳輸方式組成傳感器網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)成本高,不適于在大田中普遍推廣。

綜上所述,無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與作物水脅迫聲發(fā)射技術(shù)的結(jié)合構(gòu)建的系統(tǒng)還不多見(jiàn)。本文即結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與作物水脅迫聲發(fā)射技術(shù),設(shè)計(jì)了精細(xì)灌溉系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

基于精細(xì)灌溉系統(tǒng)的功能需求,所涉及的系統(tǒng)如圖1所示。整個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的聲發(fā)射傳感器節(jié)點(diǎn)和噴滴灌節(jié)點(diǎn)布置在農(nóng)作物種植區(qū)。聲發(fā)射傳感器節(jié)點(diǎn)用于檢測(cè)1 kHz～300 kHz頻率范圍的作物聲發(fā)射信號(hào),傳感器節(jié)點(diǎn)上的無(wú)線射頻模塊將采集數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳送至遠(yuǎn)程服務(wù)器。遠(yuǎn)程服務(wù)器對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和保存,并通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)將結(jié)果輸出以控制作物生產(chǎn)區(qū)的噴滴灌控制節(jié)點(diǎn)的閥門開(kāi)閉時(shí)間。遠(yuǎn)程服務(wù)器將監(jiān)測(cè)信息與控制閥門關(guān)閉的信息通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息共享在系統(tǒng)中可以采用移動(dòng)設(shè)備PDA實(shí)時(shí)查詢?nèi)魏我徊糠值那闆r。

圖1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中有兩種無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn),分別是聲發(fā)射傳感器節(jié)點(diǎn)和噴滴灌控制節(jié)點(diǎn)。這兩種節(jié)點(diǎn)都采用了一樣的控制器模塊和無(wú)線射頻模塊,兩種節(jié)點(diǎn)根據(jù)各自功能再配以不同的功能擴(kuò)展電路模塊。如圖2所示為聲發(fā)射傳感器節(jié)點(diǎn),控制器模塊采用型號(hào)為STM32F107的ARM處理器,無(wú)線射頻模塊采用CC2530,控制器模塊和無(wú)線射頻模塊通過(guò)SPI接口方式連接。CC2530工作在2.4 GHz頻段,具有自組網(wǎng)的功能,可以使用戶用較少的時(shí)間成本完成整個(gè)系統(tǒng)的組建。

聲發(fā)射傳感器采用美國(guó)PAC公司生產(chǎn)的AE傳感器R15型。負(fù)責(zé)感知微弱的信號(hào)并通過(guò)AD轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)調(diào)理電路等將信息發(fā)送給控制器模塊。聲發(fā)射傳感器節(jié)點(diǎn)主要采用太陽(yáng)能供電方式,太陽(yáng)能電源模塊由3個(gè)部分構(gòu)成:光伏發(fā)電方陣、充放電控制單元、蓄電池。光伏發(fā)電模塊采用單晶硅光伏發(fā)電組件,該組件的光電轉(zhuǎn)換效率較高。充放電控制單元負(fù)責(zé)電池組的充放電過(guò)程。蓄電池采用磷酸鐵電池組。電源轉(zhuǎn)換部分采用LP2590-3.3芯片把電池電壓轉(zhuǎn)換成3.3 V電壓,整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)電流消耗為75 mA,能耗為247.5 mW,太陽(yáng)能供電模塊的輸出功率為10 W,完全能夠滿足節(jié)點(diǎn)能耗需求。本設(shè)計(jì)中采用美信公司的DS2780計(jì)算鋰電池剩余電量。DS2780的DQ引腳與STM32F107的IO口相連,電池的剩余電量信息通過(guò)IO口送入控制器中。遠(yuǎn)程服務(wù)器可以及時(shí)的了解各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的剩余電量。

圖2 聲發(fā)射傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

噴滴灌控制節(jié)點(diǎn)如圖3所示,控制器模塊與噴滴灌控制閥相連接,控制器根據(jù)接受到的指令控制噴滴灌頭的開(kāi)閉。由于噴滴灌控制閥多采用JD11SA-6型,線圈交流電壓為220 V,采用市電供電。噴滴灌控制節(jié)點(diǎn)采用市電供電的方式,市電經(jīng)過(guò)降壓、整流后接入LP2590-3.3芯片轉(zhuǎn)換成3.3 V電壓,供給其他模塊電路。控制器模塊和噴滴灌控制閥之間需要采用光耦隔離,以此避免強(qiáng)電干擾。

圖3 噴滴灌控制節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可以和所有的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)通信,主要是負(fù)責(zé)將各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的采樣數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS方式或Internet方式轉(zhuǎn)發(fā)給遠(yuǎn)程服務(wù)器,同時(shí)遠(yuǎn)程服務(wù)器的執(zhí)行指令發(fā)至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)后再由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳遞給各個(gè)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)上與傳感器節(jié)點(diǎn)類似,但本身集成了以太網(wǎng)接口、GSM接口等。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Zigbee的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要是基于TI公司的Z-Stack協(xié)議棧開(kāi)發(fā)的。Z-Stack協(xié)議棧中的協(xié)議部分的代碼已經(jīng)被設(shè)置好,只需在應(yīng)用層方面進(jìn)行開(kāi)發(fā)即可。

協(xié)議棧通過(guò)初始化后實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)建立,然后協(xié)議棧負(fù)責(zé)傳感器節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)的數(shù)據(jù)交換。Zigbee節(jié)點(diǎn)在加入網(wǎng)絡(luò)后,協(xié)議棧執(zhí)行兩個(gè)任務(wù),一個(gè)是每個(gè)5 s向網(wǎng)關(guān)發(fā)送心跳包,網(wǎng)關(guān)將心跳包發(fā)送至上位機(jī),上位機(jī)通過(guò)統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間心跳包的數(shù)目來(lái)判斷傳感器節(jié)點(diǎn)是否離線。另外一個(gè)任務(wù)就是每個(gè)一段時(shí)間,傳感器節(jié)點(diǎn)將聲發(fā)射傳感器采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。

Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軟件流程圖4所示。網(wǎng)關(guān)啟動(dòng)之后便開(kāi)始初始化射頻通道、短地址、操作系統(tǒng)等,然后對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行注冊(cè)并且定義配置文件,最后就可以啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。Z-Stack協(xié)議棧是以操作系統(tǒng)形式出現(xiàn)的,完成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng),協(xié)議棧在查詢到有事件發(fā)生時(shí)則去執(zhí)行相應(yīng)的事件。

圖4 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

整個(gè)精細(xì)灌溉系統(tǒng)的上位機(jī)軟件系統(tǒng)分別由后臺(tái)管理軟件與數(shù)據(jù)管理軟件分別獨(dú)立實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)管理軟件采用了NI LabVIEW進(jìn)行開(kāi)發(fā),后臺(tái)管理軟件主要是基于Microsoft Visual C++6.0的實(shí)現(xiàn)。整個(gè)系統(tǒng)采用了友好的圖形化界面設(shè)計(jì)作為人機(jī)接口。系統(tǒng)由參數(shù)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理和管理模塊組成。參數(shù)設(shè)置模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)節(jié)點(diǎn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,即每個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采樣時(shí)間,每個(gè)控制閥的開(kāi)閉時(shí)間等。數(shù)據(jù)采集模塊主要是對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采集,以及在此模塊下還可以顯示所采集的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)曲線圖。數(shù)據(jù)處理

和管理模塊主要是對(duì)接收到數(shù)據(jù)包進(jìn)行濾波、數(shù)值計(jì)算、標(biāo)度轉(zhuǎn)換等處理,管理者可以隨時(shí)查詢、打印。管理者可以通過(guò)Internet遠(yuǎn)程訪問(wèn)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù),同時(shí)管理者也可以通過(guò)Internet對(duì)服務(wù)器進(jìn)行操作。軟件系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)管理軟件截圖

4 試驗(yàn)結(jié)果

2012年7月至2012年9月,在新鄉(xiāng)市農(nóng)科院的試驗(yàn)田中布置整個(gè)精細(xì)灌溉系統(tǒng)。8個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)和8個(gè)噴滴灌控制節(jié)點(diǎn)采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)布置在試驗(yàn)田中,節(jié)點(diǎn)的通信半徑為20 m,節(jié)點(diǎn)布置完畢后啟動(dòng)系統(tǒng),各節(jié)點(diǎn)在2 min內(nèi)完成自組網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),當(dāng)有節(jié)點(diǎn)的刪除或者新節(jié)點(diǎn)加入時(shí)都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)果發(fā)生變化,需要1 min左右的調(diào)整時(shí)間。試驗(yàn)田采用一主管加多支管的梳狀輸配水管網(wǎng),每個(gè)噴滴灌閥門與無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)連接。噴滴灌控制節(jié)點(diǎn)對(duì)各種控制指令的響應(yīng)時(shí)間小于15 s。

系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)的采樣時(shí)間設(shè)置為2 s,當(dāng)每2 s接收到的聲發(fā)射信號(hào)頻次多于2次,遠(yuǎn)程服務(wù)器就會(huì)發(fā)出控制指令給噴滴灌閥門實(shí)施灌水。通過(guò)試驗(yàn)表明,當(dāng)采用精細(xì)灌溉系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)灌溉的用水量要比人為經(jīng)驗(yàn)用水量減少26%～33%。精細(xì)灌溉的模式對(duì)作物生長(zhǎng)與人為經(jīng)驗(yàn)灌溉沒(méi)有任何區(qū)別,但是精細(xì)灌溉對(duì)節(jié)水效果非常明顯。具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 按聲發(fā)射信號(hào)控制灌溉月灌溉頻次和灌水量及作物長(zhǎng)勢(shì)

5 結(jié)論

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的精細(xì)灌溉系統(tǒng)大部分采用有線數(shù)據(jù)傳輸方式,如:RS-485總線,CAN總線等。這類依靠有線的數(shù)據(jù)傳輸模式,布線比較困難,且成本高昂。國(guó)內(nèi)采用無(wú)線數(shù)據(jù)通訊方式進(jìn)行精細(xì)灌溉的系統(tǒng),在無(wú)線射頻模塊上采用nRF905,這種方式數(shù)據(jù)傳輸可靠性不高,無(wú)法實(shí)現(xiàn)傳感器模塊的組網(wǎng)。本文設(shè)計(jì)的基于作物水脅迫聲發(fā)射和Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精細(xì)灌溉系統(tǒng),進(jìn)行初步的試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果表明:(1)該系統(tǒng)通過(guò)采集并分析作物的聲發(fā)射信號(hào),以此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、實(shí)時(shí)、適量的灌溉。(2)管理人員可以在任何時(shí)間、地點(diǎn)通過(guò)PDA或者計(jì)算機(jī)獲取各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的參數(shù)。(3)與傳統(tǒng)的依靠人為經(jīng)驗(yàn)灌溉的方式相比,該系統(tǒng)具有布置簡(jiǎn)單、能耗低、擴(kuò)展節(jié)點(diǎn)靈活等優(yōu)點(diǎn)。

本文是在設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展中做出的探索性研究,整個(gè)精細(xì)灌溉系統(tǒng)還需要進(jìn)一步的改善,下一步的工作重點(diǎn)是:

(1)在整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方面需要對(duì)節(jié)點(diǎn)的硬件電路進(jìn)行改善,增加通信距離,提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確率。

(2)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全問(wèn)題需要進(jìn)一步的改善。

[1]高峰,俞立,張文安,等. 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的作物水分狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2009,25(2):107-112.

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鄭先鋒(1972-),男,漢族,河南人,碩士,副教授,中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)高級(jí)會(huì)員,河南省自動(dòng)化學(xué)會(huì)會(huì)員,主要從事測(cè)控技術(shù)、電氣絕緣測(cè)試等方面的科學(xué)研究,hnxxzxf@126.com。

DesignofPrecisionIrrigationSystemBasedonWaterStressandWirelessSensorNetwork

ZHENGXianfeng1*,LIUGang2

(1.Department of Electrical Engineering Henan Mechanical and Electrical Engineering College,Xinxiang He’nan 453003,China;2.Department of Automatic Control Engineering Henan Mechanical and Electrical Engineering College,Xinxiang He’nan 453003,China)

In order to accurately determine the crop water requirement and the proper strategy of precision irrigation,a precision irrigation system based on Zigbee wireless sensor networks and water stress technology was designed. The Zigbee was used to transmit the irrigation control signal,collect the sample data. LabVIEW and VC++6.0 were adopted to design the software system. The test results show that the system has friendly interface and is easy to use.

precision irrigation;Zigbee;LabVIEW;water stress;acoustic emission technology

2013-11-26修改日期:2013-12-12

S274.2

:A

:1005-9490(2014)06-1189-04

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.036