農(nóng)業(yè)土壤含水率監(jiān)測(cè)及灌溉系統(tǒng)研究—基于物聯(lián)網(wǎng)模式

宋 艷，黃留鎖

(河南教育學(xué)院 信息技術(shù)系，鄭州 450046)

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農(nóng)業(yè)土壤含水率監(jiān)測(cè)及灌溉系統(tǒng)研究—基于物聯(lián)網(wǎng)模式

宋 艷，黃留鎖

(河南教育學(xué)院 信息技術(shù)系，鄭州 450046)

為提高農(nóng)業(yè)灌溉效率，保障農(nóng)作物正常生長(zhǎng)，設(shè)計(jì)了穩(wěn)定可行、易于安裝的、以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的農(nóng)田灌溉系統(tǒng)。系統(tǒng)以MSP430 F149低功耗單片機(jī)與射頻模塊為基礎(chǔ)，使用基于無(wú)線(xiàn)技術(shù)ZigBee的CC2530芯片作為網(wǎng)絡(luò)連接點(diǎn)，采用RHD-100土壤水分傳感器采集農(nóng)業(yè)土壤含水率信息；通過(guò)無(wú)線(xiàn)技術(shù)ZigBee與無(wú)線(xiàn)通信GPRS無(wú)縫連接，將土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)通過(guò)JN5121通信模塊傳輸?shù)綗o(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)信息傳輸和智能灌溉。將系統(tǒng)運(yùn)用于不同農(nóng)田環(huán)境進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，運(yùn)行平穩(wěn)，可進(jìn)行推廣運(yùn)用。

物聯(lián)網(wǎng)；土壤墑情；ZigBee；傳感器

0 引言

隨著現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)(如藍(lán)牙、紅外線(xiàn)、WiFi、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(如ZigBee、GPRS)、信息處理技術(shù)(如云計(jì)算技術(shù)等)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在機(jī)械化的基礎(chǔ)上正在朝著自動(dòng)化、智能化的方向推進(jìn)。

土壤水分反映了農(nóng)業(yè)干旱程度，以土壤水分為指標(biāo)，可以指導(dǎo)農(nóng)業(yè)灌溉。土壤的含水狀況俗稱(chēng)土壤墑情，還包括土壤性質(zhì)、深度等狀態(tài)，其關(guān)系到農(nóng)作物的優(yōu)質(zhì)生長(zhǎng)。不能及時(shí)、足量灌溉，或過(guò)量灌溉，都可能導(dǎo)致農(nóng)作物根莖不能從土壤及時(shí)吸收水分，影響農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)。另一方面，從農(nóng)業(yè)節(jié)水、節(jié)能及可持續(xù)性發(fā)展角度考慮，在灌溉作業(yè)中，要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉水資源高效利用，必須實(shí)時(shí)、精確地掌握農(nóng)田土壤水分信息，準(zhǔn)確地控制灌溉開(kāi)始時(shí)機(jī)、結(jié)束時(shí)機(jī)及水量，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)能和作物的良好生長(zhǎng)雙重目標(biāo)。

作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，我國(guó)的農(nóng)業(yè)用水量消耗了80%的水資源總量[1]，研究開(kāi)發(fā)土壤含水率自動(dòng)監(jiān)測(cè)和智能控制的灌溉系統(tǒng)，有助于作物良好生長(zhǎng)條件的建立和水資源的節(jié)約。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研發(fā)出土壤水分檢測(cè)器，利用無(wú)線(xiàn)傳感器采集農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤含水率的數(shù)據(jù)。當(dāng)土壤含水率數(shù)值低于閾值下限時(shí)，開(kāi)啟水泵進(jìn)行灌溉；當(dāng)土壤含水率數(shù)值高于閾值上限時(shí)，關(guān)閉水泵以停止灌溉，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)模式下的農(nóng)業(yè)土壤水分智能控制。

然而，受制于傳感器等硬件及通信模塊等軟件系統(tǒng)的發(fā)展，現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用范圍還很小，普及率較低。目前，物聯(lián)網(wǎng)傳感器一般體積較大、不便于攜帶與安裝、能耗高、價(jià)格貴、響應(yīng)速度慢、精度低及數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定。同時(shí)，作為土壤水分傳感器，還需要具備受土質(zhì)影響小及不易受到土壤中各種成分腐蝕等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)的組成及原理

系統(tǒng)主要包括硬件部分，如RHD-100土壤水分傳感器、射頻識(shí)別芯片CC2530、MSP430 F149單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)，以及上位機(jī)系統(tǒng)軟件等部分。

系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)土壤水分，檢測(cè)數(shù)據(jù)由傳感器采集并通過(guò)GPRS作為通信渠道發(fā)送，采用SPS控制傳感器的采樣時(shí)間，每1.7s發(fā)送1次傳感器數(shù)據(jù)信息。在一個(gè)設(shè)定的時(shí)間斷內(nèi)，傳感器可自動(dòng)繪制土壤水分曲線(xiàn)，土壤水分低于閾值下限時(shí)，控制終端發(fā)送指令，單片機(jī)接到指令，通過(guò)I/O口控制電磁閥開(kāi)關(guān)開(kāi)啟步進(jìn)電機(jī)；高于閾值上限時(shí)，及時(shí)關(guān)閉電機(jī)，所用數(shù)據(jù)信息和指令通過(guò)無(wú)線(xiàn)技術(shù)ZigBee進(jìn)行傳輸。

2 硬件實(shí)現(xiàn)方案

2.1 處理器的選擇

單片機(jī)具有高集成度、高可靠性、低功耗、控制能力強(qiáng)、擴(kuò)展能力好、體積小巧、高性?xún)r(jià)比和使用便利等優(yōu)點(diǎn)，在儀器儀表、專(zhuān)用設(shè)備智能化管理及過(guò)程控制等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，有效地控制了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

農(nóng)民群眾普遍學(xué)歷不高，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的認(rèn)識(shí)不足，對(duì)培訓(xùn)工作缺乏重視，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)的學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性較低。部分農(nóng)民輕視農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)培訓(xùn)，在接受培訓(xùn)時(shí)應(yīng)付了事，甚至在培訓(xùn)過(guò)程中損壞機(jī)械設(shè)備，引發(fā)安全事故。這些情況的發(fā)生，使農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)的推廣受到影響。

TI公司設(shè)計(jì)的MSP430F149 因其極低的空閑功耗而聞名，是一個(gè)16位的、結(jié)合了指令和數(shù)據(jù)總線(xiàn)的馮諾依曼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。MSP430F149具有60kB的非易失性存儲(chǔ)器，系統(tǒng)內(nèi)可編程，還具備一個(gè)2 kB的內(nèi)部SRAM。該處理器可以在1.8～3.6V之間進(jìn)行操作，并且可以被鎖定在1.8V、8MHz兆赫和3.6V、高達(dá)4.15MHz的范圍之間。本系統(tǒng)中，處理器電壓為1.8V，于32.76kHz時(shí)鎖定，每個(gè)樣品的平均周期數(shù)為988，意味著處理器每秒197.600次活躍；功率測(cè)量顯示共耗電204μW，功率測(cè)量值只有32.768kHz。MSP430F149具有通信高速、開(kāi)發(fā)環(huán)境方便高效、較寬的運(yùn)行溫度范圍及較強(qiáng)的抗干擾力，工作穩(wěn)定，時(shí)鐘系統(tǒng)靈活，具有可串行在線(xiàn)編程、喚醒時(shí)間較短及中斷功能強(qiáng)大等優(yōu)勢(shì)。本設(shè)計(jì)以TI公司的MSP430F149作為微處理器。

2.2 傳感器的選擇

在選擇傳感器時(shí)，需要考慮使用環(huán)境對(duì)傳感器的影響，所選用傳感器不應(yīng)受到土壤的腐蝕，且受土質(zhì)影響應(yīng)較小，對(duì)土壤土壤含水率的應(yīng)具有較高的分辨率，確保傳感器能在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)穩(wěn)定、準(zhǔn)確地感知土壤的含水率。

綜合考慮多方面因素，如傳感器的性?xún)r(jià)比、穩(wěn)定性、可靠性、能耗及使用維修的便利性等指標(biāo)，選用邯鄲市邯山瑞華電子有限公司生產(chǎn)的RHD-100土壤水分傳感器為本智能控制系統(tǒng)的終端檢測(cè)端。該檢測(cè)終端以CMOS芯片為核心，可以監(jiān)測(cè)并傳輸數(shù)據(jù)信息，且具有簡(jiǎn)潔合理的結(jié)構(gòu)，小巧的體積，運(yùn)輸、安裝、操作及后期維護(hù)的便利等優(yōu)勢(shì)。其檢測(cè)頭以不繡鋼材料制成，使用壽命較長(zhǎng)，并進(jìn)行了環(huán)氧樹(shù)脂封裝，可以有效隔絕外部異物侵襲，防止干擾破壞，埋入土壤中使用時(shí)不易受收到土壤中各種成分的侵蝕；受土質(zhì)得影響較小，可以在較廣范圍的地區(qū)運(yùn)用。

2.3 太陽(yáng)能供電模塊設(shè)計(jì)

因?yàn)橄到y(tǒng)的監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)檗r(nóng)田，一般沒(méi)有設(shè)置電線(xiàn)電纜，無(wú)法使用外接電源實(shí)現(xiàn)能源供給，需要自備電源。為避免頻繁更換電池帶來(lái)的系列問(wèn)題，特選用太陽(yáng)能電池為供能單元，為每個(gè)傳感器配備一個(gè)獨(dú)立的太陽(yáng)能供電模塊，主要包括：1個(gè)12 V、12 Ah充電電池； 1塊太陽(yáng)能電池板，輸出功率為15W；1個(gè)調(diào)壓器，壓力范圍為3.3～12 V。

運(yùn)行試驗(yàn)表明：太陽(yáng)能電池模塊可以滿(mǎn)足田間傳感器的供能要求。

CC2530為內(nèi)部集成的無(wú)線(xiàn)通信模塊，其內(nèi)核符合RF4CE/Zigbee 1.8V協(xié)議，可進(jìn)行CRC硬件校驗(yàn)；結(jié)合了具有優(yōu)良收發(fā)性能的RF收發(fā)器和增強(qiáng)型8051MCU，可編程4種不同的閃存版本，包括CC2530 F32/128/64/256，分別具有32/128/64/256KB 的閃存。其壓控振蕩器完全集成，也集成了其它很多功能模塊，靈敏度極高、抗干擾性能佳，提供了完整而強(qiáng)大的ZigBee方案、ZigBee RF4CE 遠(yuǎn)程控制方案。使用該收發(fā)模塊，只需極少的外接元件(如天線(xiàn))、晶振等少量的外圍電路元件，就能在2.4GHZ的頻段上工作。CC2530內(nèi)部使用1.8V工作電壓，并且能夠把外界提供的電壓(3.3V)轉(zhuǎn)化為內(nèi)部使用電壓。本設(shè)計(jì)以產(chǎn)自TI公司的 CC2530射頻收發(fā)模塊作為射頻收發(fā)模塊的主芯片。

2.5 GPRS通信模塊設(shè)計(jì)

與GSM相比較， GPRS的用戶(hù)接入時(shí)間更短、可靠性更高、通信速度更快，能夠支持TCP /IP協(xié)議[2]。GPRS模塊通過(guò)串口與ZigBee灌溉系統(tǒng)主控制網(wǎng)關(guān)連接，ZigBee節(jié)點(diǎn)在反饋土壤水分信息時(shí)，首先將信號(hào)通過(guò)ZigBeb網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給主控制網(wǎng)關(guān)，然后由控制器網(wǎng)關(guān)通過(guò)GPRS模塊，將信號(hào)發(fā)送到用戶(hù)端;用戶(hù)端可以根據(jù)具體的作物品種設(shè)定終端節(jié)點(diǎn)水位閾值上、下限，控制終端節(jié)點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)啟與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

IEEE802.15.4，俗稱(chēng)ZigBee，是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率及低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)[3]。ZigBee協(xié)議棧是基于IEEE 802.15.4之上的協(xié)議棧，其網(wǎng)絡(luò)層功能包括多跳路由，以及路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)、安全和連接/離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)向新加入的設(shè)備分配16位地址。

ZigBee技術(shù)是一個(gè)特別為短距離無(wú)線(xiàn)通信及低功耗設(shè)計(jì)的媒體訪(fǎng)問(wèn)控制(MAC)和物理層的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，因此當(dāng)遇到傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、指令傳輸觸發(fā)此類(lèi)工作時(shí)，ZigBee成為不二之選。

本設(shè)計(jì)選用了CC2530支持的免費(fèi)ZigBee協(xié)議棧，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立之后，用戶(hù)通過(guò)ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)、GPRS通信網(wǎng)絡(luò)，管理ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，設(shè)定不同作物土壤含水量的閾值上下限范圍。當(dāng)傳感器檢測(cè)到土壤水分值低于閾值下限值時(shí)，通過(guò)單片機(jī)I/O口開(kāi)啟步進(jìn)電機(jī)，自動(dòng)啟動(dòng)灌溉動(dòng)作；當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)并發(fā)送的土壤水分值高于閾值上限時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)，傳輸指令，通過(guò)單片機(jī)關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)，中止灌溉動(dòng)作。由此，實(shí)現(xiàn)土壤水分的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和智能灌溉控制。

計(jì)算機(jī)端程序采用Java語(yǔ)言編寫(xiě)，可實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理，包括傳輸、存儲(chǔ)、顯示及指令的執(zhí)行等功能。

4 系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)及結(jié)果分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，檢測(cè)制作的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)是否符合設(shè)計(jì)要求，工作能否穩(wěn)定、連續(xù)和可靠，對(duì)制作完成的自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了測(cè)試。

4.1 水稻田土壤含水量檢測(cè)控制試驗(yàn)

將本系統(tǒng)試樣樣機(jī)運(yùn)用于水稻田，設(shè)置土壤含水量閾值為30%～60%，監(jiān)測(cè)并控制土壤水分，得到的土壤水分變化圖如圖1所示。

圖1 水稻田土壤水分變化圖

由于濕度傳感器具有延遲特性，濕度的變化并不是呈線(xiàn)性地增長(zhǎng)或降低，具有一定的滯后性。

4.2 棉花地土壤含水量檢測(cè)控制試驗(yàn)

將本系統(tǒng)運(yùn)用于棉花田，設(shè)置土壤含水量閾值為20%～35%，監(jiān)測(cè)并控制土壤水分，土壤水分變化圖如圖2所示。

試驗(yàn)表明：系統(tǒng)工作狀態(tài)良好、運(yùn)行穩(wěn)定，可適應(yīng)不同土壤環(huán)境的水分控制，能隨著土壤濕度的變化而動(dòng)作，達(dá)到了將土壤濕度自動(dòng)控制在設(shè)定范圍內(nèi)的目的。

圖2 棉花地土壤水分變化圖

5 結(jié)論

在我國(guó)當(dāng)前的農(nóng)業(yè)大環(huán)境下，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在土壤水分監(jiān)測(cè)和控制中的應(yīng)用還處于初級(jí)階段，實(shí)際推廣運(yùn)用范圍偏小，與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，技術(shù)相對(duì)落后[4]。因此，在物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際運(yùn)用的設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的實(shí)際情況，充分考慮實(shí)用性和可推廣性。

本文設(shè)計(jì)了基于RHD-100土壤水分傳感器、射頻芯片CC2530、MSP430 F149單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、及上位機(jī)軟件系統(tǒng)的土壤含水率監(jiān)測(cè)及灌溉控制系統(tǒng)。試驗(yàn)表明：系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，可有效地檢測(cè)土壤水分并通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉，將土壤水分控制端設(shè)定范圍內(nèi)，具備一定的準(zhǔn)確性和廣泛的適應(yīng)性。

[1] 邢志卿,付興,房駿,等.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用研究[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備,2010(8):16-17,20.

[2] 趙養(yǎng)社.基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)的灌溉系統(tǒng)研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2011(7):4203-4206.

[3] 趙榮陽(yáng),王斌,姜重然. 基于ZigBee的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究,2016,38(6):244-248.

[4] 許世衛(wèi). 我國(guó)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及對(duì)策[J].中國(guó)科學(xué)院院刊,2013，38(6):686-692.

Monitoring and Controlling System of Agricultural Soil Moisture —Based on Internet of Things

Song Yan, Huang Liusuo

(Department of Information Technology,Henan Institute of Eduaction,Zhengzhou 450046,China)

In order to improve the efficiency of agricultural irrigation, ensure g good rop growth, A stable and feasible irrigation system is designed based on the Internet Of Things technology. With low power MSP430 F149 MCU and RF module as CPU, CC2530 chip based on ZigBee wireless network technology as node, the RHD-100 soil moisture sensor to collect agricultural soil moisture information, using the ZigBee wireless technology and GPRS wireless communication seamlessly, the rate of soil moisture is transmitted through the GPRS communication modules JN5121 to the wireless network, A terminal node data information feedback and user control of intelligent agriculture irrigation systems is realized. Test results showed that the data transmission is stable, and the system is stable and feasible.

the Internet of Things; soil moisture; ZigBee; sensor

2016-05-07

河南省社科規(guī)劃決策咨詢(xún)委托項(xiàng)目(2015JCWT06)

宋 艷(1979-)，女，河南周口人，實(shí)驗(yàn)師，碩士研究生，(E-mail)34538543@qq.com。

黃留鎖(1976-)，男，鄭州人，講師，(E-mail)ls.huang@139.com。

S126

A

1003-188X(2017)04-0237-04