遠(yuǎn)程監(jiān)控葡萄園土壤墑情的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究

康立軍，吳麗麗，郭繼富

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

釀酒葡萄作為甘肅省河西地區(qū)主要經(jīng)濟(jì)作物之一，2011年種植總面積已達(dá)9 300 hm2，年產(chǎn)量達(dá)12萬 t，已形成武威、張掖和嘉峪關(guān)3大產(chǎn)區(qū)。目前，該地區(qū)葡萄園灌溉方式以人工漫灌為主，技術(shù)較為落后，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。近年來，雖然有部分葡萄園開始采取滴灌措施，推廣節(jié)水灌溉技術(shù)，但是由于缺乏有效的土壤墑情監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)，灌溉程度仍然依靠經(jīng)驗(yàn)確定，常常出現(xiàn)灌溉不及時(shí)或過量灌溉的問題。因此，迫切需要一種合適的土壤墑情監(jiān)測(cè)分析技術(shù)，及時(shí)判斷葡萄園土壤是否缺水，從而進(jìn)行適時(shí)適量的灌溉，以滿足葡萄植株對(duì)水份的生理需求，確保葡萄的產(chǎn)量和品質(zhì)。物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，為葡萄園土壤墑情信息的采集、數(shù)據(jù)傳輸、灌溉決策、實(shí)時(shí)控制提供了一個(gè)嶄新的思路。

物聯(lián)網(wǎng)是通過射頻識(shí)別、紅外感應(yīng)、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把物品與互聯(lián)網(wǎng)連接，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[1-4]。近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者在墑情監(jiān)控方面利 用無線傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)、遠(yuǎn)程通信與控制技術(shù)做了大量研究，例如：吳秋明等 [5]開發(fā)的以物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的干旱地區(qū)智能化微灌系統(tǒng)、胡培金等[6]開發(fā)的以zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的土壤墑情監(jiān)控系統(tǒng)、樊志平等[7]設(shè)計(jì)的柑橘園土壤墑情遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、孫忠富等[8]實(shí)施的以GPRS和WEB為基礎(chǔ)的溫室環(huán)境信息采集系統(tǒng)、靳廣超等[9]設(shè)計(jì)的以ZigBee為基礎(chǔ)的土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，陳天華等[10]設(shè)計(jì)的以ARM和GPRS為基礎(chǔ)的遠(yuǎn)程土壤墑情監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)在一定程度上具備了物聯(lián)網(wǎng)模式的雛形，但系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不夠明晰、集成化程度不高，難以推廣應(yīng)用。

以葡萄園為對(duì)象，針對(duì)土壤墑情監(jiān)控的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸模式、決策支持、自動(dòng)控制等方面，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套物聯(lián)網(wǎng)葡萄園土壤墑情實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)傳感節(jié)點(diǎn)通過ZigBee無線通信技術(shù)組成星型網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了土壤墑情的不間斷實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，借助GSM和Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和灌溉控制，并開發(fā)了土壤墑情監(jiān)控與決策支持軟件系統(tǒng)，為該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

1 葡萄園土壤墑情實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

依據(jù)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)[11-14]，將葡萄園土壤墑情實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)分為感知層、數(shù)據(jù)傳輸層、數(shù)據(jù)處理層和用戶層4級(jí)結(jié)構(gòu)。各層之間功能相互獨(dú)立，層與層之間通過軟件接口傳輸數(shù)據(jù)。其中，感知層負(fù)責(zé)土壤墑情信息的采集及灌溉控制，由傳感節(jié)點(diǎn)和灌溉控制柜組成；傳輸層負(fù)責(zé)各類數(shù)據(jù)的傳輸，由田間ZigBee網(wǎng)絡(luò)、GSM模塊和Internet組成；數(shù)據(jù)處理層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、分析、圖形化顯示等，并根據(jù)土壤墑情信息進(jìn)行決策和自動(dòng)控制，由數(shù)據(jù)庫和后臺(tái)數(shù)據(jù)處理軟件組成；用戶層為各類管理人員，如網(wǎng)絡(luò)用戶和手機(jī)用戶，通過傳輸層訪問系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。感知層與傳輸層之間采用ZigBee技術(shù)通信；傳輸層與數(shù)據(jù)處理層之間采用SMS通信；用戶層與數(shù)據(jù)處理層之間通過Internet或SMS通信。

1.2 感知層設(shè)計(jì)

1.2.1 灌溉控制柜設(shè)計(jì) 一般條件下，灌區(qū)管理人員水平普遍偏低，使用現(xiàn)代化電子控制設(shè)備的能力不足。因此，自行設(shè)計(jì)了專門的灌溉控制柜，其只有啟動(dòng)和停止兩個(gè)控制鍵，操作十分簡(jiǎn)單，可對(duì)8個(gè)灌溉分區(qū)進(jìn)行灌溉控制。同時(shí)，控制柜具備人工控制和自動(dòng)控制兩種工作模式。自動(dòng)模式下，操作人員可通過軟件系統(tǒng)或移動(dòng)設(shè)備遠(yuǎn)程啟動(dòng)或停止。該控制柜主要由單片機(jī)、GSM模塊、PLC、液晶觸摸屏等組成，外接電磁閥、排沙裝置、肥料控制裝置、流量計(jì)等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，單片機(jī)選用STC12C5A60S2，GSM模塊選用杭州威步科技有限公司的NewMsg-RFC30H通訊模塊；單片機(jī)與GSM模塊集成到一塊電路板上，形成一個(gè)遠(yuǎn)程控制單元（Remote Control Unit，RCU），實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能；PLC采用西門子PLC-CPU224模塊。

圖1 葡萄園土壤墑情實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of real-time monitoring system for soil moisture in vineyard

1.2.2 無線傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì) 無線傳感節(jié)點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，由土壤濕度傳感器、ZigBee無線通信模塊、單片機(jī)和電源模塊4部分組成。該設(shè)計(jì)中土壤濕度傳感器采用TDR-3傳感器，其穩(wěn)定時(shí)間為1 s，測(cè)量范圍在0%～100%，精度在0%～50%時(shí)誤差為±2%；ZigBee通信模塊采用上海順舟電子科技公司的SZ02-200模塊，其發(fā)射功率為3 dbm，傳輸距離最大可達(dá)200 m；單片機(jī)的型號(hào)與控制柜的相同。單片機(jī)與ZigBee模塊之間通過TTL接口連接。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 傳感節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of wireless sensor node

1.3 傳輸層設(shè)計(jì)

考慮到田間布線、遠(yuǎn)距離通訊和用戶數(shù)據(jù)訪問等問題，傳輸層綜合了多種傳輸技術(shù)，主要由田間ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)、GSM模塊和通信網(wǎng)關(guān)等組成。ZigBee技術(shù)是一種新興的低能耗、低速率和低成本的無線通信技術(shù)，主要用于近距離無線通信；而GSM模塊則用以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，設(shè)計(jì)中采用SMS（short messaging service）收發(fā)數(shù)據(jù)；通信網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)將ZigBee網(wǎng)絡(luò)和GSM網(wǎng)絡(luò)連接起來，從而實(shí)現(xiàn)兩種不同網(wǎng)絡(luò)之間的通信。

該系統(tǒng)自行設(shè)計(jì)的通信網(wǎng)關(guān)由單片機(jī)、ZigBee模塊、GSM模塊、供電部分4部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。該系統(tǒng)有單點(diǎn)控制和整體控制兩種工作模式，依靠單片機(jī)軟件控制實(shí)現(xiàn)。單點(diǎn)控制是指網(wǎng)關(guān)可以向單個(gè)無線節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令，采集土壤墑情信息；整體控制是指網(wǎng)關(guān)一次向全部下接無線節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令，并延時(shí)等待所有節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)，若收到所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，則向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)；若在一定時(shí)間間隔內(nèi)有節(jié)點(diǎn)沒有返回?cái)?shù)據(jù)，則認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集失敗，將再次發(fā)送指令，直至收到所有數(shù)據(jù)。ZigBee模塊的型號(hào)與傳感節(jié)點(diǎn)的相同；GSM模塊、單片機(jī)的型號(hào)與控制柜的相同。

1.4 數(shù)據(jù)處理層設(shè)計(jì)

圖4 通信網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of communication gateway

數(shù)據(jù)處理層主要完成數(shù)據(jù)的組織與管理、編碼、解碼等工作，該結(jié)構(gòu)的易用性、穩(wěn)定性和可維護(hù)性對(duì)該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用至關(guān)重要。B/S架構(gòu)軟件在分布性、可維護(hù)性及部署方面有較大優(yōu)勢(shì)，是今后軟件運(yùn)行的主要方式，但其無法實(shí)時(shí)響應(yīng)數(shù)據(jù)的變化[15]。因此，開發(fā)了專門的后臺(tái)服務(wù)程序，主要完成對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、數(shù)據(jù)入庫以及根據(jù)土壤墑情信息進(jìn)行實(shí)時(shí)決策等；B/S架構(gòu)軟件主要完成對(duì)系統(tǒng)基本信息的管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、圖形化顯示等功能。同時(shí)，由于用戶需要通過B/S軟件發(fā)送控制指令，所以該軟件與后臺(tái)服務(wù)程序之間需要通信，此處采用UDP協(xié)議，利用socket完成數(shù)據(jù)交換[16]。在B/S構(gòu)架軟件中設(shè)計(jì)了系統(tǒng)管理、設(shè)備管理、土壤墑情監(jiān)測(cè)、灌溉控制、知識(shí)庫管理等功能。其中，系統(tǒng)管理用于設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)、水分傳感器所用校正公式、系統(tǒng)工作模式設(shè)定、數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出等；設(shè)備管理用于管理傳感器型號(hào)、公式、埋深、所屬節(jié)點(diǎn)等信息；土壤墑情監(jiān)測(cè)用于土壤墑情信息采集（包括定時(shí)自動(dòng)采集和人工采集）、圖形化監(jiān)測(cè)等；灌溉控制用于管理灌區(qū)的劃分、灌溉參數(shù)設(shè)置、灌溉控制、灌溉查詢等；知識(shí)庫用于管理葡萄的品種信息以及不同品種的生育期及其在不同生育期的需水參數(shù)等。系統(tǒng)在.net平臺(tái)下開發(fā)完成，數(shù)據(jù)庫采用MSSQL2000，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 B/S架構(gòu)軟件系統(tǒng)功能Fig.5 Function diagram of B/S architecture software

2 葡萄園土壤墑情實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理

該系統(tǒng)中，無線傳感節(jié)點(diǎn)、通信網(wǎng)關(guān)、灌溉控制柜是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，而軟件則是系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)調(diào)控各部分之間的協(xié)同工作。當(dāng)操作人員通過Web頁面發(fā)送土壤墑情采集指令時(shí)，指令先傳送至守護(hù)程序，再由守護(hù)程序?qū)懭氲紾SM模塊，GSM模塊以SMS方式將指令發(fā)送到通信網(wǎng)關(guān)，最后通信網(wǎng)關(guān)再將指令發(fā)送到下聯(lián)的土壤墑情采集器。接收數(shù)據(jù)時(shí)，執(zhí)行相反的流程。

灌溉控制方式分為人工控制和自動(dòng)控制兩種工作模式。在人工控制模式下，灌溉控制柜的啟動(dòng)或停止，由操作人員手動(dòng)或通過軟件系統(tǒng)發(fā)送啟停指令，而土壤墑情信息的采集可以即時(shí)采集，也可以定時(shí)采集；在自動(dòng)控制模式下，土壤墑情信息采集方式必須為定時(shí)自動(dòng)采集，當(dāng)土壤墑情信息低于預(yù)設(shè)下限時(shí)，即刻進(jìn)行灌溉。灌水方式為定量灌溉，即灌水量固定的工作模式，管理員需要首先確定灌水定額，而后系統(tǒng)根據(jù)灌溉面積計(jì)算灌水量。系統(tǒng)自動(dòng)控制原理如圖6所示。

圖6 葡萄園土壤墑情實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)控制的原理示意圖Fig.6 Principle schematic of automatic control for real-time monitoring system for soil moisture in vineyard

3 葡萄園土壤墑情實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)試

3.1 測(cè)試環(huán)境

試驗(yàn)在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)葡萄園進(jìn)行，該園區(qū)面積共6 600 m2，平均分為5個(gè)灌區(qū)，灌溉方式為滴管。在泵房安裝了1個(gè)灌溉控制柜、1個(gè)通信網(wǎng)關(guān)，軟件系統(tǒng)部署在校園網(wǎng)服務(wù)器上，通過Internet訪問。

3.2 網(wǎng)絡(luò)測(cè)試

網(wǎng)絡(luò)測(cè)試分為單點(diǎn)測(cè)試和組網(wǎng)測(cè)試兩種方式。單點(diǎn)測(cè)試時(shí)采用一個(gè)無線節(jié)點(diǎn)，組網(wǎng)測(cè)試時(shí)采用4個(gè)無線傳感節(jié)點(diǎn)，并啟動(dòng)網(wǎng)關(guān)和上位機(jī)通信模塊。無線節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)的距離從40 m開始，依次增加20 m，直至二者相距200 m。多次測(cè)試的結(jié)果表明，上位機(jī)從發(fā)送指令到收到返回?cái)?shù)據(jù)平均需要14 s，這主要是由于SMS的收發(fā)需要經(jīng)過運(yùn)營(yíng)商，加之上位機(jī)短信模塊為串口接入，而串口讀寫速度較慢造成的。因此，為確保系統(tǒng)通信質(zhì)量，測(cè)試中，上位機(jī)發(fā)送指令時(shí)間間隔設(shè)定為20 s，記錄2 h（上位機(jī)共發(fā)送360條指令）內(nèi)上位機(jī)接收數(shù)據(jù)包的數(shù)量，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

從表1中看出，單點(diǎn)測(cè)試時(shí)，當(dāng)傳感節(jié)點(diǎn)與通信網(wǎng)關(guān)距離在120 m以內(nèi)時(shí)，數(shù)據(jù)包發(fā)送成功率為100%，說明GSM模塊和ZigBee模塊兩者工作性能穩(wěn)定、可靠；當(dāng)距離超過120 m時(shí)，隨著傳感節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)距離的增大，成功率逐漸下降，說明ZigBee無線信號(hào)受距離影響明顯。組網(wǎng)測(cè)試時(shí)，當(dāng)距離在120 m內(nèi)時(shí)，成功率在99%以上；距離超過120 m時(shí)，成功率基本與單點(diǎn)測(cè)試步調(diào)一致，說明網(wǎng)關(guān)壓力增大會(huì)造成丟包，與通信距離無關(guān)。

表1 葡萄園土壤墑情實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)收發(fā)包情況統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of delivering packets of real-time monitoring system for soil moisture in vineyard

3.3 自動(dòng)控制測(cè)試

測(cè)試時(shí)，在葡萄園內(nèi)采用“矩形四點(diǎn)”方案[5]安裝了4個(gè)土壤墑情采集器，編號(hào)分別為0001（圖7A）、0002（圖7B）、0003（圖7C）、0004（圖7D）；0001～0004分別與通信網(wǎng)關(guān)距離54、64、90和82 m。每個(gè)土壤墑情采集器掛接了3個(gè)土壤水分傳感器。由于葡萄根系主要分布在20～60 cm深的土層中[17]，因此3個(gè)土壤水分傳感器的埋深分別為20、40和60 cm。每天采集1次信息。以4個(gè)節(jié)點(diǎn)20 cm處傳感器的平均值作為灌水控制閥值[18]。試驗(yàn)中灌水閥值設(shè)定為15%[19]，即土壤體積含水率低于15%時(shí)即刻灌水，灌水方式為定量灌溉。

圖7 自動(dòng)控制測(cè)試結(jié)果Fig.7 Test result of automatic control

從2012年3～4月運(yùn)行效果來看（圖7），3月29日和4月19日，20 cm處土壤的平均含水率分別為14.825%和14.985%，低于設(shè)定閥值，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行了灌溉，土壤含水率顯著提高，其后土壤含水率逐漸下降。試驗(yàn)結(jié)果表明，傳感節(jié)點(diǎn)、通信網(wǎng)關(guān)、灌溉控制柜、軟件系統(tǒng)4者之間能夠協(xié)同工作，葡萄園內(nèi)的土壤含水率一直維持在一個(gè)范圍之內(nèi)，保證了葡萄正常 生長(zhǎng)的需要。

4 結(jié) 論

目前，國(guó)內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究尚處于起步階段，相關(guān)技術(shù)還不夠成熟穩(wěn)定，但其有良好的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，容易擴(kuò)充和實(shí)現(xiàn)，因此在各個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

該設(shè)計(jì)將現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)硬件產(chǎn)品進(jìn)行二次開發(fā)和組裝，設(shè)計(jì)了針對(duì)葡萄園的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)智能處理等模塊，形成了一套完備的葡萄園土壤墑情實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，并成功投入使用。測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)安裝方便、運(yùn)行穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)性強(qiáng)；可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的分散部署、集中管理與控制，為今后物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的開發(fā)應(yīng)用提供了參考。

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