太陽能無線微灌控制系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計及測試

陳君梅，孫道宗，葉 娟

(1.廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣州 510640；2.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642)

0 引 言

微灌技術(shù)在我國節(jié)水灌溉技術(shù)中占重要地位[1,2]。世界上許多國家和地區(qū)大量應(yīng)用微灌技術(shù)。微灌自動控制是現(xiàn)代節(jié)水灌溉發(fā)展的前沿技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用不僅能夠提高灌溉信息采集的時效性與準(zhǔn)確性，同時能夠有效提高水資源的利用效率，增加作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[2]。在微灌技術(shù)領(lǐng)域，以美國和以色列水平居首[3]，以色列近年開發(fā)的可編程邏輯控制器(PLC)，通過把不同網(wǎng)絡(luò)連接到主機上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，開發(fā)的現(xiàn)代診斷式控制器，通過不同的傳感器采集信息，通過Internet 網(wǎng)、遠(yuǎn)程控制、GSM等來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，然后通過計算機處理信息，作出灌溉計劃[1]。

國內(nèi)從20世紀(jì)70年代起也開始了相關(guān)技術(shù)研究,近十幾年來，在中央和地方政府的政策和投入激勵下，微灌技術(shù)不斷提升[4]，在作物需水信息的評價與檢測方法、灌溉方式與灌溉自動控制技術(shù)、基礎(chǔ)環(huán)境信息監(jiān)測等方面取得了較大進(jìn)展,但總體技術(shù)還是不夠成熟[2]。微灌控制系統(tǒng)引入無線技術(shù)，可實現(xiàn)微灌管理的自動化和遠(yuǎn)程控制[5]，在基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的微灌控制系統(tǒng)研究中，研究人員結(jié)合不同的監(jiān)測場合，設(shè)計了多種專用的 WSN(wireless sensor network)節(jié)點[6-11]，但在實際應(yīng)用中，WSN 節(jié)點的供電問題導(dǎo)致其生命周期較短，是制約 WSN 應(yīng)用的主要瓶頸之一[12-14]，成為了限制微灌自動控制實際應(yīng)用的最主要原因[15-20]。

本文將太陽能供電技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜合應(yīng)用于桃園的節(jié)水微灌控制系統(tǒng)中，解決目前無線節(jié)水微灌控制系統(tǒng)中傳感器節(jié)點壽命有限，不能長期可靠工作的問題。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用ZigBee無線通信方式，硬件上主要由主節(jié)點、傳感器及路由節(jié)點和泵房節(jié)點三部分組成。主節(jié)點既能與電腦進(jìn)行通信又可脫離電腦自行運行，用以控制傳感器及路由節(jié)點、泵房節(jié)點，將采集到的土壤濕度信息及水泵狀態(tài)信息存儲起來并發(fā)送給電腦。傳感器及路由節(jié)點根據(jù)主節(jié)點指令定時采集節(jié)點土壤濕度信息并通過多跳的方式發(fā)送給主節(jié)點，若該類節(jié)點不連接傳感器，則只充當(dāng)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的路由功能，稱為路由節(jié)點，節(jié)點有低功耗模式，由太陽能和鋰電池供電。泵房節(jié)點有自動工作模式和定時模式，自動工作模式下，根據(jù)主節(jié)點指令改變電池閥及水泵狀態(tài)，定時模式則根據(jù)設(shè)定灌溉時長定時灌溉，方便用戶通過灌溉管道進(jìn)行施肥、施藥等生產(chǎn)活動。

主節(jié)點和泵房節(jié)點分別部署在辦公室和泵房，通過市電供電，傳感器及路由節(jié)點按需部署于園區(qū)，通過太陽能電池板和鋰電池供電。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of system

在圖1中，泵房節(jié)點通過控制線控制水泵的啟、停以及各個電磁閥的開、閉，每個電磁閥負(fù)責(zé)一個灌溉區(qū)域。傳感器節(jié)點定時采集土壤濕度并以多跳、無線的方式發(fā)送給主節(jié)點，主節(jié)點根據(jù)用戶設(shè)定的土壤濕度上下限，向泵房節(jié)點發(fā)送控制指令。同時主節(jié)點把數(shù)據(jù)通過USB口將數(shù)據(jù)傳送到電腦存儲、顯示，供用戶查閱。傳感器節(jié)點根據(jù)需要部署在各個灌溉區(qū)內(nèi)，如果節(jié)點間的距離較遠(yuǎn)，則中間加入路由節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)的多跳傳輸。

1.2 系統(tǒng)軟件

主節(jié)點上電時首先進(jìn)行初始化，并等待上位機的指令。接收到上位機的正確指令之后，根據(jù)指令內(nèi)容修改采集時間、休眠時間、土壤濕度上、下限等參數(shù)配置信息。當(dāng)采集時間到時，發(fā)送節(jié)點采集指令、等待接收，然后將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機并儲存進(jìn)SD卡，當(dāng)設(shè)定時間內(nèi)傳感器及路由節(jié)點信息沒有返回時，報告上位機進(jìn)行錯誤處理。

路由節(jié)點上電時也首先進(jìn)行初始化，并等待主節(jié)點的采集指令。當(dāng)接收到主節(jié)點的采集指令之后，采集所需的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理發(fā)送。如果發(fā)送成功，則傳感器及路由節(jié)點隨后的工作時間內(nèi)只是充當(dāng)其他傳感器及路由節(jié)點的傳輸中繼節(jié)點直至接收到主節(jié)點的睡眠指令。如果發(fā)送不成功，則延時一段時間繼續(xù)發(fā)送，如此循環(huán)直至發(fā)送成功或者接收到主節(jié)點的睡眠指令。

泵房節(jié)點上電時首先進(jìn)行初始化并等待主節(jié)點的灌溉指令。當(dāng)接收到主節(jié)點的灌溉指令之后，根據(jù)指令內(nèi)容控制水泵開關(guān)狀態(tài)并向主節(jié)點發(fā)送水泵開關(guān)狀態(tài)信息。如果泵房節(jié)點長時間接收不到主節(jié)點灌溉指令，則認(rèn)為與主節(jié)點的通訊中斷，這時啟動定時灌溉模式，按照事先設(shè)定好的順序和時間輪流開啟電池閥，直至重新接收到主節(jié)點的灌溉指令。

安裝在電腦上的上位機運行軟件含有數(shù)據(jù)接收及顯示區(qū)域，可以顯示節(jié)點號、數(shù)據(jù)接收的日期時間、土壤濕度和所對應(yīng)的電磁閥狀態(tài)?？稍O(shè)置傳感器節(jié)點的采集周期和土壤濕度上、下限。界面中的閥門控制功能用于用戶直接控制各個電磁閥的開、閉。

2 理論計算與分析

2.1 節(jié)點功耗分析

系統(tǒng)中選用TDR-3土壤水分傳感器，其正常工作時電壓為5 V，電流為60 mA，其功耗的計算見公式(1)。

PTDR-3-u×i=5×60×10-3=0.3(W)

(1)

系統(tǒng)采用的微處理器STM32F103C8T6工作時電壓為3.3 V，休眠模式時電流為22 uA，最大工作電流小于20 mA，微處理器最大功率及最小功率計算見公式(2)、(3)。

pSTM(WORK)=u×i=3.3×20×10-3=0.066(W)

(2)

pSTM(SLEEP)=u×i=3.3×22×10-6=7.26×10-5(W)

(3)

系統(tǒng)采用的CC2530 ZigBee模塊工作電壓為3.3 V，發(fā)射電流為80 mA，接收電流為45 mA，ZigBee模塊的發(fā)射和接收功率計算見公式(4)、(5)。

pZigBee(TRA)=u×i=3.3×80×10-3=0.264 (W)

(4)

pZigBee(REC)=u×i=3.3×45×10-3=0.148 5(W)

(5)

系統(tǒng)采用LM2596和AMS1117-3.3電源芯片。其中LM2596將兩節(jié)18650鋰電池7.4V的電壓轉(zhuǎn)換成5V電壓，LM2596是開關(guān)穩(wěn)壓芯片，理論上最高轉(zhuǎn)化效率達(dá)95%，使用時以85%進(jìn)行計算。AMS1117-3.3將LM2596輸出的5V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V電壓供微處理器及ZigBee無線傳感器正常工作。AMS1117-3.3是線性穩(wěn)壓芯片，功耗為其電壓差與通過芯片電流的乘積。

系統(tǒng)工作時總電流的計算見公式(6)。

i=iZigBee+iSTM+iTDR-3=80+20+60=160 (mA)

(6)

路由節(jié)點正常工作及休眠時LM2596芯片功耗的計算分別見公式(7)、(8)。

PLM2596(WORK)=5×160×10-3×(1-85%)=0.12(W)

(7)

PLM2596(SLEEp)=5×22×10-6×(1-85%)=1.65×10-5(W)

(8)

節(jié)點正常工作及休眠時AMS1117-3.3功耗的計算分別見公式(9)、(10)。

pAMS1117-3.3(WORK)=(5-3.3)×160×10-3=0.272(W)

(9)

pAMS1117-3.3(SLEEp)=(5-3.3)×22×10-6=3.74×10-5(W)

(10)

路由節(jié)點正常工作及休眠時整體功耗的計算見公式(11)、(12)。

p(WORK)=pSTM(WORK)+pLM2596(WORK)+

pAMS1117-3.3(WORK)+pTDR-3+pZigBee(TRA)=

0.066+0.12+0.272+0.3+0.264=1.022(W)

(11)

p(SLEEP)=pSTM(SLEEP)+pLM2596(SLEEP)+pAMS1117-3.3(SLEEP)=

7.26×10-5+1.65×10-5+3.74×10-5=1.265×10-4(W)

(12)

2.2 太陽能充電能力計算

本系統(tǒng)采用的太陽能充電板輸出電壓最大值為17.5 V，輸出最大電流為0.59 A。太陽能充電功率的計算見公式(13)。

pSOLAR=17.5 V×0.59 A=1.325 W

(13)

太陽能充電芯片CN3722將17.5 V轉(zhuǎn)換成給鋰電池充電的7.4 V電壓。假設(shè)平均每天太陽能充電電路有效工作6 h，太陽能轉(zhuǎn)化成電能效率為75%，則每天能存儲的電能計算見公式(14)。

ECHARGING=17.5 V×0.59 A×75%×6 h=46.462 5 W·h

(14)

2.3 節(jié)點壽命計算

假設(shè)路由節(jié)點每小時喚醒4次，每次工作20 s，其余時間則進(jìn)入待機狀態(tài)，則路由節(jié)點一天所消耗的電能計算見公式(15)。

Q=[p(WORK)+t(WORK)+p(SLEEP)×t(SLEEP)]×24=

[1.022 W×(4×20/3 600) h+1.26×10-4W×

(3 520/3 600) h]×24=0.548 W·h

(15)

系統(tǒng)采用的充電電池容量為6 000 mAh，路由節(jié)點工作時最大電流小于160 mA，若睡眠電流忽略不計，則節(jié)點在不充電情況下，所能工作的時間約為70 d，計算公式見(16)。

t≈[E(BATTERY)/i×(t/t(WORK))]/24h=

6 000mAh/160mA×(3 600/80)/24h=70d

(16)

綜上所述，系統(tǒng)中的傳感器及路由節(jié)點，在沒有充電的情況下，以每小時喚醒4次，每次工作20 s的節(jié)奏，可以獨立工作70 d。在太陽能電池板正常工作時，由于太陽能電池板的充電電能遠(yuǎn)大于傳感器及路由節(jié)點的耗電電能，即 ，所以傳感器及路由節(jié)點可以長期正常工作，節(jié)點壽命得到極大延長，保證了通信的可靠性。

3 試驗與分析

控制系統(tǒng)自2015年12月6日開始在廣東省連平縣警雄農(nóng)業(yè)合作社鷹嘴桃園進(jìn)行應(yīng)用測試，試驗區(qū)面積約為5 hm2，分為3個灌溉區(qū)域，部署了8個傳感器及路由節(jié)點，1個主節(jié)點和1個泵房節(jié)點，主節(jié)點安裝于山下的辦公區(qū)，泵房節(jié)點在半山腰的泵房中，山坡上種植鷹嘴桃，最遠(yuǎn)的傳感器及路由節(jié)點距離主節(jié)點約200 m。

3.1 節(jié)點能耗試驗

傳感器及路由節(jié)點不連接太陽能電池板，僅由電池獨立供電，以15 min喚醒一次，每次工作20 s，每天試驗時間為12 h，于每天開始試驗和結(jié)束試驗時各測量一次電池電壓，計算電壓降，連續(xù)測量5 d，以此來估算實際網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的功耗。測量數(shù)據(jù)如表1。表中ID代表節(jié)點的地址，其中04號節(jié)點距離主節(jié)點01號節(jié)點最近。

由表1可知，當(dāng)不連接太陽能電池板，僅由電池獨立供電時，距離主節(jié)點最近的04號節(jié)點單日電壓降最大為26 mV，以電池的額定端電壓7 400 mV計算， 04號節(jié)點單日電壓最大降幅為0.35%，其他節(jié)點的單日電壓降幅大部分在0.14%以內(nèi)。

將傳感器及路由節(jié)點連接太陽能電池板，連續(xù)5天測量電池的端電壓，數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可知，當(dāng)連接太陽能電池板后，節(jié)點電源端電壓大于額定電壓，并在電池額定電壓附近波動。

表3為各個節(jié)點每天轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的個數(shù)。

表1 各節(jié)點電壓降統(tǒng)計表 mV

表2 充電后各節(jié)點端電壓統(tǒng)計表 mV

表3 各節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包統(tǒng)計表 個

由表3可知，距離主節(jié)點最近的04號路由節(jié)點每天轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包最多。由于04號路由節(jié)點所轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包數(shù)量并不等于其他傳感器及路由節(jié)點所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包總和，所以網(wǎng)絡(luò)中還存在數(shù)據(jù)冗余或數(shù)據(jù)直接發(fā)送至主節(jié)點的現(xiàn)象，節(jié)點的路由算法和部署方式需要進(jìn)一步優(yōu)化。根據(jù)表1和3的數(shù)據(jù)，可得到傳感器及路由節(jié)點每天功耗和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包個數(shù)的關(guān)系如圖2所示。

圖2 節(jié)點功耗和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包數(shù)的關(guān)系圖Fig.2 Diagram of node power consumption and forwarding packets

由圖2可知，無線模塊能耗占節(jié)點能耗的主要部分，同時轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包越多，節(jié)點主模塊能耗隨著增加；傳感模塊消耗的能量基本和采集數(shù)據(jù)的密度成正比，采集時間間隔越短，消耗能量越多，反之越少。

3.2 控制功能測試

隨機選取一個灌溉區(qū)域作為測試對象，設(shè)定土壤濕度下限為15%，土壤濕度上限為35%，人為逐步改變該灌溉區(qū)域內(nèi)傳感器節(jié)點周圍的土壤濕度，觀察水泵、電磁閥的受控情況。采用TRIME-FM土壤水分測量系統(tǒng)同步測量土壤濕度作為參考。測試情況如表4所示。

表4 控制系統(tǒng)的功能測試數(shù)據(jù)1Tab.4 The test data 1 of the control system

采用不同濕度的土樣，將傳感器隨機插入各土樣中，觀察水泵和電磁閥的工作狀態(tài)，測試數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 控制系統(tǒng)功能測試數(shù)據(jù)2Tab.5 The test data 2 of the control system

由表4和表5可見，當(dāng)傳感器節(jié)點采集到土壤濕度有變化時，根據(jù)用戶設(shè)定的土壤濕度上、下限值，系統(tǒng)可以成功控制水泵和電磁閥的工作狀態(tài)。

4 討論與展望

本文設(shè)計的太陽能無線微灌控制系統(tǒng)，通過設(shè)計合理的電源電路，使傳感器及路由節(jié)點的耗電速度低于太陽能電池板的充電速度，實現(xiàn)能量自給，有效延長了節(jié)點的壽命，保證了無線通信的穩(wěn)定性。節(jié)點能可靠地將控制命令以無線的方式發(fā)送至泵房節(jié)點，并根據(jù)用戶設(shè)定的土壤濕度上限、下限自動控制水泵的啟動、停止以及電磁閥得開、閉，實現(xiàn)按需灌溉。但也存在以下問題有待于進(jìn)一步探索：

(1)節(jié)點的耗電量不均勻。由于節(jié)點的耗電量與節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包有關(guān)系，耗電量不均勻說明節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包數(shù)量有差異，需進(jìn)一步優(yōu)化路由算法，使得每個節(jié)點所承擔(dān)的任務(wù)相同或相近，以盡可能實現(xiàn)耗電均勻。

(2)距離主節(jié)點最近的傳感器及路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)包并不等于其他節(jié)點所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)包總和，說明無線通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存在數(shù)據(jù)冗余現(xiàn)象，同一個數(shù)據(jù)包可能被不同的節(jié)點反復(fù)地傳遞。

(3)選擇更為合適的太陽能電池板，以充分匹配各個傳感器及路由節(jié)點的耗電量，減小節(jié)點的體積和降低成本。

(4)僅部署了8個傳感器及路由節(jié)點和1個主節(jié)點、1個泵房節(jié)點，尚未進(jìn)行大規(guī)模組網(wǎng)時數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃约胺€(wěn)定性測試。

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