開(kāi)閉環(huán)結(jié)合的水肥混灌系統(tǒng)①

李 睿,肖和艾,劉學(xué)文,彭新德

1(湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 湖南省農(nóng)業(yè)信息與工程研究所,長(zhǎng)沙 410125)

2(中國(guó)科學(xué)院 亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所,長(zhǎng)沙 410125)

3(湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,長(zhǎng)沙 410125)

我國(guó)水資源短缺且分布很不均勻,有些地區(qū)的人均占有量甚至低于世界最貧水的國(guó)家埃及和以色列的水平.目前,我國(guó)農(nóng)業(yè)用水量約為總用水量的80%,水的利用率僅為45%,遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家70%～80%的水平.

世界農(nóng)作物增產(chǎn)的30%～60%來(lái)自化肥.然而,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用上,普遍存在的問(wèn)題是化肥利用率低,以及過(guò)量施用對(duì)生態(tài)環(huán)境的污染.以畜禽糞便發(fā)酵液作為肥料,能為農(nóng)田提供豐富的有機(jī)肥源,有效改良土壤肥力,符合農(nóng)業(yè)生態(tài)循環(huán)發(fā)展的需求.

基于上述原因,本研究開(kāi)發(fā)了一套無(wú)人值守的開(kāi)閉環(huán)水肥精量自動(dòng)混灌系統(tǒng),系統(tǒng)的閉環(huán)部分能根據(jù)土壤的濕度,自動(dòng)實(shí)現(xiàn)灌水,系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)部分,接受人工干預(yù),按農(nóng)戶的農(nóng)藝經(jīng)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)水和液肥的精量混配灌溉.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在“中南稻區(qū)復(fù)合生物循環(huán)技術(shù)集成與示范”項(xiàng)目的實(shí)施中,主要涉及養(yǎng)牛場(chǎng)、蔬菜地、牧草生產(chǎn)地等區(qū)域,生產(chǎn)中循環(huán)路徑如下：養(yǎng)牛場(chǎng)糞便堆積發(fā)酵,發(fā)酵液為蔬菜、牧草生產(chǎn)提供有機(jī)肥,剩余發(fā)酵液經(jīng)狐尾藻凈化后無(wú)害排放,牧草養(yǎng)牛.

本研究(“蔬菜生產(chǎn)中水肥藥一體分區(qū)共網(wǎng)精量自動(dòng)施用技術(shù)的研究與應(yīng)用”)作為前述項(xiàng)目的配套項(xiàng)目,主要解決問(wèn)題在于：其一,平時(shí)依據(jù)蔬菜地土壤濕度,實(shí)現(xiàn)蔬菜地生產(chǎn)中的自動(dòng)灌水作業(yè);其二,依據(jù)蔬菜生長(zhǎng)生理需求需要施肥時(shí),能依據(jù)指令,實(shí)現(xiàn)蔬菜地生產(chǎn)中的自動(dòng)施肥作業(yè).

基于任務(wù)目標(biāo),系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為兩個(gè)部分：其一為水、液肥的輸送管路設(shè)計(jì),以便將水與液肥輸送至菜地;其二為自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).本文著重對(duì)自動(dòng)控制的設(shè)計(jì)進(jìn)行探討.

1.1 系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)

項(xiàng)目中,蓄水池、發(fā)酵池均位于上游養(yǎng)牛場(chǎng),蓄水池常年有水,牛糞尿經(jīng)發(fā)酵池沉積、發(fā)酵后,發(fā)酵液作為液肥供下游菜地使用,牛場(chǎng)與下游菜地高差約200 m,距離約1.5 km,水、液肥均采用重力自流的形式,送達(dá)菜地.

如圖1所示,發(fā)酵液經(jīng)過(guò)初級(jí)過(guò)濾后,進(jìn)行傳輸,傳輸采用110 mm PPR管,接近項(xiàng)目實(shí)施地后,經(jīng)分接頭轉(zhuǎn)換,傳輸管徑變?yōu)?5 mm,在抵達(dá)實(shí)施地附近,再次實(shí)施過(guò)濾,并分為兩路,一路為75 mm,對(duì)露地蔬菜進(jìn)行漫灌,漫灌為手動(dòng)控制,一路為32 mm,經(jīng)混配池與清水按指定比例混配后,對(duì)大棚蔬菜進(jìn)行滴灌,滴灌由系統(tǒng)自動(dòng)控制.

圖1 系統(tǒng)管路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)有4個(gè)灌溉目標(biāo)區(qū),各目標(biāo)區(qū)與混配池一一對(duì)應(yīng),每個(gè)混配池均有一根進(jìn)水管,一根進(jìn)肥管,一根輸出管,各管上均安裝有電磁閥,電磁閥由無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通過(guò)光耦繼電器進(jìn)行控制.此外,在入水管和輸出管之間,還安裝有一根短接管,短接管接于入水管電磁閥之前,輸出管電磁閥之后,短節(jié)管上安裝有電磁閥.

1.2 系統(tǒng)拓?fù)湓O(shè)計(jì)

如圖2所示,系統(tǒng)總體包含了開(kāi)環(huán)和閉環(huán)兩個(gè)部分.其中,開(kāi)環(huán)部分的主要功能為接收用戶的指令,并指示相應(yīng)的無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)依據(jù)指令的要求控制電磁閥的動(dòng)作.

圖2 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

由于指令由用戶遠(yuǎn)程發(fā)出,所以需要用戶指令的傳輸需要跨網(wǎng)進(jìn)行,需要選擇適當(dāng)?shù)木W(wǎng)關(guān).從系統(tǒng)工況、運(yùn)行成本、使用的方便性考慮,本文選擇移動(dòng)數(shù)傳模塊作為網(wǎng)關(guān),實(shí)現(xiàn)指令的透?jìng)?

從開(kāi)環(huán)部分功能實(shí)現(xiàn)的角度,又可將開(kāi)環(huán)部分分為指令下達(dá)與傳輸部分,以及指令的分析與執(zhí)行部分.前者包含手機(jī)客戶端、移動(dòng)數(shù)傳模塊(以下簡(jiǎn)稱網(wǎng)關(guān))、與網(wǎng)關(guān)相連的無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)(以下簡(jiǎn)稱網(wǎng)關(guān)終端);后者主要包含執(zhí)行用戶指令的無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)(以下簡(jiǎn)稱控制終端).

系統(tǒng)閉環(huán)部分的主要功能為探測(cè)土壤濕度,并根據(jù)土壤的濕度情況,自動(dòng)執(zhí)行灌水業(yè)務(wù).閉環(huán)部分的數(shù)據(jù)和指令的傳輸,均只在無(wú)線傳感網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行.

從功能的實(shí)現(xiàn)上來(lái)說(shuō),系統(tǒng)閉環(huán)部分又分為土壤濕度采集部分,以及自動(dòng)灌水動(dòng)作執(zhí)行部分.前者包含采集土壤濕度的無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)(以下簡(jiǎn)稱采集節(jié)點(diǎn))和執(zhí)行土壤濕度業(yè)務(wù)邏輯的無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)(本系統(tǒng)中,該節(jié)點(diǎn)為協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn),以下簡(jiǎn)稱協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn));后者主要包含執(zhí)行自動(dòng)灌水命令的無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)(以下簡(jiǎn)稱控水終端).

1.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.3.1 電磁閥的驅(qū)動(dòng)

系統(tǒng)中,灌溉動(dòng)作承擔(dān)者為電磁閥,電磁閥的動(dòng)作邏輯由無(wú)線傳感網(wǎng)終端節(jié)點(diǎn)控制.無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)在內(nèi)部邏輯的作用下,控制GPIO的輸出,并將其作為光耦繼電器模塊的觸發(fā)信號(hào),控制著光耦繼電器輸出觸點(diǎn)的通斷,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥的控制.

本系統(tǒng)無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備采用5 V、2 A電源適配器進(jìn)行供電,系統(tǒng)采用的2路直流光耦繼電器,繼電器輸入電平為5 V,低電平觸發(fā),觸發(fā)信號(hào)為無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的GPIO輸出,各路均提供一對(duì)常開(kāi)常閉觸點(diǎn),觸點(diǎn)可承受250 V、20 A的負(fù)載.繼電器各路常開(kāi)觸點(diǎn)均連接一個(gè)直流電磁閥,電磁閥為24 V、2 A設(shè)備.

1.3.1 土壤濕度的采集

為了采集土壤濕度,本系統(tǒng)選擇5 V土壤濕度傳感模塊,土壤濕度傳感模塊提供一路繼電器,該路繼電器提供一對(duì)常開(kāi)常閉觸點(diǎn),還提供一個(gè)探頭,作為信號(hào)輸入,土壤濕度傳感器靈敏度可調(diào).其工作原理為：模塊上電后,將探頭插入土壤,當(dāng)土壤濕度達(dá)到要求時(shí),土壤中的離子使得探頭的金屬片導(dǎo)通,觸發(fā)繼電器;反之,當(dāng)土壤濕度不足以使得探頭上的金屬片導(dǎo)通時(shí),繼電器復(fù)位.

基于上述工作原理,土壤濕度傳感模塊可以直接用來(lái)控制機(jī)電設(shè)備,但不能滿足系統(tǒng)對(duì)土壤濕度信息的采集.為此,對(duì)土壤濕度傳感器模塊進(jìn)行了電路改造,改造后,土壤濕度傳感器可以將土壤的干濕狀態(tài),轉(zhuǎn)化為高低電平信號(hào).如圖3所示.

圖3 土壤濕度傳感器接線

圖3中,土壤濕度傳感模塊的常開(kāi)觸點(diǎn)一端接GND,一端作為無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的GPIO輸入.當(dāng)土壤濕度達(dá)到預(yù)定值時(shí),觸點(diǎn)導(dǎo)通,向節(jié)點(diǎn)設(shè)備輸出低電平;否則,觸點(diǎn)斷開(kāi),節(jié)點(diǎn)設(shè)備的GPIO輸入端懸空,等同接收高電平輸入.

1.4 開(kāi)發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)運(yùn)行于CC2530片上系統(tǒng),開(kāi)發(fā)環(huán)境為IAR 8051,協(xié)議棧為ZStack 2.5.0,所用語(yǔ)言為C.

2 系統(tǒng)工作原理

2.1 開(kāi)環(huán)部分工作原理

2.1.1 指令接收與預(yù)分析

系統(tǒng)在開(kāi)環(huán)部分接受用戶指令,并按照指令中指定的水肥比例、灌溉量控制不同繼電器先后動(dòng)作,進(jìn)行水與液肥的混合,然后實(shí)施肥液灌溉作業(yè)(施肥作業(yè)).

由于指令通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳送至系統(tǒng),因此開(kāi)環(huán)部分網(wǎng)關(guān)終端在上電初始化時(shí),通過(guò)寫串口,向網(wǎng)關(guān)發(fā)出AT指令,以初始化網(wǎng)關(guān),規(guī)定短信格式,以及短信讀取后的動(dòng)作.本系統(tǒng)中,為方便指令的解析,規(guī)定短信格式為文本,并且為保證每次讀的都是第一條短信,初始化網(wǎng)關(guān)時(shí),刪除所有短信.

完成對(duì)網(wǎng)關(guān)的初始化之后,開(kāi)環(huán)部分可接受用戶指令.用戶指令由移動(dòng)客戶端發(fā)出,移動(dòng)客戶端的指令以短信形式通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)發(fā)送至網(wǎng)關(guān).當(dāng)網(wǎng)關(guān)接收到短信后,會(huì)觸發(fā)網(wǎng)關(guān)終端的串口回調(diào)函數(shù),網(wǎng)關(guān)終端在回調(diào)函數(shù)中通過(guò)循環(huán)讀取串口,獲得完整的短信信息,隨后網(wǎng)關(guān)終端對(duì)短信信息進(jìn)行預(yù)分析.

在預(yù)分析中,網(wǎng)關(guān)終端首先判斷短信信息是否為預(yù)定格式的指令,若短信信息并非指令,則直接通過(guò)串口向網(wǎng)關(guān)寫AT指令,刪除所有短信,然后繼續(xù)等待短信信息的到來(lái).若接收的短信信息為指令,網(wǎng)關(guān)終端對(duì)短信進(jìn)行分析,判斷指令類型,以及指令格式是否完備,若指令格式不完備,則設(shè)置指令錯(cuò)信息,觸發(fā)事件,在事件中寫串口,向網(wǎng)關(guān)發(fā)AT指令,將指令錯(cuò)信息通過(guò)網(wǎng)關(guān)由移動(dòng)網(wǎng)發(fā)給移動(dòng)客戶端,然后刪除所有短信.若指令格式完備,則依指令類型進(jìn)行不同處理,處理完畢后刪除所有短信.指令預(yù)分析流程見(jiàn)圖4.

圖4 指令預(yù)分析流程

如圖4所示,對(duì)于格式完備的指令,網(wǎng)關(guān)終端分類進(jìn)行處理.若對(duì)預(yù)設(shè)目標(biāo)區(qū)的工作狀態(tài)進(jìn)行查詢,則網(wǎng)關(guān)終端獲取保存的最新工作狀態(tài),然后通過(guò)串口寫AT指令,將預(yù)設(shè)目標(biāo)區(qū)的最新?tīng)顟B(tài)以短信形式發(fā)回移動(dòng)客戶端.若為開(kāi)始灌溉指令,則檢查預(yù)設(shè)目標(biāo)區(qū)是否處于忙碌狀態(tài),如果忙碌,則不執(zhí)行指令,網(wǎng)關(guān)終端只是通過(guò)AT指令將指令正確信息發(fā)回客戶端,否則網(wǎng)關(guān)終端首先通過(guò)WSN 2.4 G無(wú)線信道將混灌指令,混灌參數(shù)下達(dá)至與預(yù)設(shè)目標(biāo)區(qū)對(duì)應(yīng)的控制終端,然后通過(guò)AT指令將指令正確的回應(yīng)信息發(fā)回客戶端.若為中止灌溉指令,則檢查預(yù)設(shè)目標(biāo)區(qū)是否處于空閑狀態(tài),若空閑,則不執(zhí)行指令,只是發(fā)回指令正確信息,否則,將中止指令下達(dá)至控制終端,然后將回應(yīng)信息發(fā)回客戶端.

上述工作處理完畢后,網(wǎng)關(guān)終端通過(guò)串口向網(wǎng)關(guān)寫AT指令,使得網(wǎng)關(guān)刪除所有短信.

2.1.2 參數(shù)提取與混灌執(zhí)行

指令經(jīng)網(wǎng)關(guān)終端預(yù)分析后,若為開(kāi)始灌溉指令或中止灌溉指令,則依通信簇轉(zhuǎn)發(fā)給控制終端.控制終端依接收的指令分別執(zhí)行相應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯.

控制終端依通信簇接收到混灌參數(shù)后,利用字符串函數(shù),獲得表示灌溉量、水肥比例的子串,然后通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù),將字符串轉(zhuǎn)換為數(shù)值.然后以進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,獲得混灌所需的水量、肥液量,然后依據(jù)水流量、肥液流量、輸出流量(通過(guò)流量計(jì)測(cè)得的,作為系統(tǒng)參數(shù)保存),計(jì)算得出進(jìn)水需時(shí)(時(shí)間1)、進(jìn)肥需時(shí)(時(shí)間2)及混合液輸出所需時(shí)間(時(shí)間3).

得到進(jìn)水、進(jìn)肥、輸出所需的時(shí)間后,利用定時(shí)器進(jìn)行控制,依次開(kāi)始執(zhí)行輸入、輸出操作,同時(shí)向網(wǎng)關(guān)終端發(fā)送“忙碌”狀態(tài)信息,表示預(yù)設(shè)區(qū)域正處于混灌作業(yè)狀態(tài),避免向同一預(yù)設(shè)區(qū)重復(fù)提交混灌作業(yè)請(qǐng)求,向協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送“開(kāi)環(huán)”狀態(tài)信息表示預(yù)設(shè)區(qū)域正處于開(kāi)環(huán)工作狀態(tài),使此區(qū)域的閉環(huán)部分暫時(shí)空轉(zhuǎn).

選擇時(shí)間1、時(shí)間2中較小值,開(kāi)始執(zhí)行輸入操作.這段時(shí)間內(nèi),與預(yù)設(shè)區(qū)域?qū)?yīng)的控制終端通過(guò)向兩個(gè)不同的GPIO端口輸出低電平,保持相應(yīng)的兩路繼電器常開(kāi)觸點(diǎn)的觸發(fā)(閉合)狀態(tài),從而同時(shí)打開(kāi)入水電磁閥、入肥電磁閥.

超時(shí)后,控制終端向相應(yīng)的GPIO端口輸出高電平,復(fù)位與較小時(shí)間值對(duì)應(yīng)的那一路繼電器的常觸點(diǎn),從而關(guān)閉相應(yīng)的電磁閥,而繼續(xù)保持較大時(shí)間值對(duì)應(yīng)的電磁閥為開(kāi)啟狀態(tài).同時(shí)控制終端重置定時(shí)器的超時(shí)值為時(shí)間1、時(shí)間2的差值的絕對(duì)值.

再次超時(shí)后,控制終端關(guān)閉較大時(shí)間值對(duì)應(yīng)的電磁閥,同時(shí)開(kāi)啟輸出電磁閥.同時(shí)重置定時(shí)器的超時(shí)值為時(shí)間3.超時(shí)后,關(guān)閉輸出電磁閥結(jié)束混灌作業(yè).

結(jié)束混灌作業(yè)后,控制終端向網(wǎng)關(guān)終端發(fā)送“空閑”狀態(tài)信息,表示預(yù)設(shè)區(qū)域可以接收新的混灌作業(yè)請(qǐng)求,向協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送“閉環(huán)”狀態(tài)信息,表示預(yù)設(shè)區(qū)域開(kāi)環(huán)作業(yè)已結(jié)束,進(jìn)入閉環(huán)狀態(tài).

2.1.3 控制終端的初始化與終止指令的執(zhí)行

由于系統(tǒng)布置在野外,無(wú)人值守,考慮到鄉(xiāng)村電網(wǎng)不穩(wěn),可能存在某次作業(yè)尚未結(jié)束就遭遇停電的情況,因此為控制終端設(shè)置了必要的初始化動(dòng)作.控制終端在上電、入網(wǎng)后,立即發(fā)“忙碌”和“開(kāi)環(huán)”狀態(tài)信息,并按最大灌溉量執(zhí)行輸出操作,結(jié)束后再發(fā)“空閑”和“閉環(huán)”狀態(tài)信息,此時(shí)系統(tǒng)正式進(jìn)入就緒狀態(tài).

若為控制終端依通信簇接收到中止灌溉指令,則立即清除相應(yīng)控制終端上的所有計(jì)時(shí)器,并關(guān)閉入水、入肥電磁閥,同時(shí)開(kāi)啟輸出電磁閥,并按本次作業(yè)所需輸出時(shí)間,即時(shí)間3啟動(dòng)計(jì)時(shí)器,超時(shí)后,關(guān)閉輸出電磁閥,并修正工作狀態(tài)信息為“空閑”,開(kāi)閉環(huán)狀態(tài)信息為“閉環(huán)”.

2.2 閉環(huán)部分工作原理

系統(tǒng)就緒后,各預(yù)設(shè)區(qū)域的控制部分即進(jìn)入閉環(huán)工作狀態(tài),依土壤濕度信息執(zhí)行自動(dòng)灌水作業(yè).在閉環(huán)狀態(tài)下,系統(tǒng)可接收外部指令,從而轉(zhuǎn)入開(kāi)環(huán)狀態(tài),指令執(zhí)行完畢后,再轉(zhuǎn)回閉環(huán)狀態(tài).且各預(yù)設(shè)區(qū)域相互獨(dú)立,即各預(yù)設(shè)區(qū)域均可單獨(dú)在開(kāi)閉環(huán)狀態(tài)切換,而不影響其它預(yù)設(shè)區(qū)域的灌溉作業(yè).

2.2.1 土壤濕度采集

如圖3所示,土壤濕度傳感器模塊將土壤濕度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電平信號(hào),作為采集節(jié)點(diǎn)GPIO的輸入.采集節(jié)點(diǎn)接收表征土壤濕度的電平信號(hào),并將所接收的電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)值,例如土壤濕度低于閾值,則采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPIO接收高電平輸入,并設(shè)置代表預(yù)設(shè)區(qū)域土壤濕度情況的變量值為1,相反的情況下,采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)GPIO得到低電平輸入,并設(shè)置變量值為0.

基于上述原理,采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)計(jì)時(shí)器,按指定頻率(本系統(tǒng)為每分鐘一次)觸發(fā)事件,在事件處理中,去讀取GPIO的輸入值,并依據(jù)獲取的值設(shè)定表征預(yù)設(shè)區(qū)域土壤濕度情況的變量的值.隨后,采集節(jié)點(diǎn)將該值按約定的通信簇發(fā)送給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn).

為了減少對(duì)菜地農(nóng)事的干擾,每塊地3點(diǎn)取樣,分別記為a、b、c,只有當(dāng)其中兩點(diǎn)有灌水需求時(shí),才執(zhí)行自動(dòng)灌水操作.

本系統(tǒng)采用累加計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)判斷邏輯,實(shí)現(xiàn)方法描述如下：(1) 預(yù)設(shè)區(qū)中,通過(guò)通信簇約束信息傳送路徑,本系統(tǒng)中,采集節(jié)點(diǎn)獲取的信息傳送路徑如下,節(jié)點(diǎn)c傳給節(jié)點(diǎn)b,節(jié)點(diǎn)b傳給節(jié)點(diǎn)a,節(jié)點(diǎn)a傳給協(xié)調(diào)器;(2) 節(jié)點(diǎn)b在收到c傳送的濕度信息(0,1)值后,與節(jié)點(diǎn)b所采集的濕度信息累加,然后將累加值傳送給節(jié)點(diǎn)a;(3) 節(jié)點(diǎn)a接收前兩點(diǎn)的累加值后,與自己采集的濕度信息累加,并將累加值向協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)發(fā)送.

由于采集節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)距離較遠(yuǎn),因此各預(yù)設(shè)區(qū)域中的采集節(jié)點(diǎn)依其在傳感網(wǎng)中的地位分為兩類,一類為路由節(jié)點(diǎn),一類為終端節(jié)點(diǎn),二者在自動(dòng)灌溉上的業(yè)務(wù)邏輯一致.

2.2.2 自動(dòng)灌水與開(kāi)閉環(huán)協(xié)調(diào)

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)依通信簇接收采集節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的表征預(yù)設(shè)區(qū)域土壤濕度的值以后,檢查系統(tǒng)開(kāi)閉環(huán)狀態(tài)標(biāo)識(shí),若系統(tǒng)此時(shí)正處于開(kāi)環(huán)工作狀態(tài),則對(duì)于采集節(jié)點(diǎn)傳過(guò)來(lái)的值,協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)只接收,而不處理.當(dāng)系統(tǒng)結(jié)束開(kāi)環(huán)狀態(tài)后,處于閉環(huán)狀態(tài)時(shí),協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)才對(duì)采集節(jié)點(diǎn)傳送的值進(jìn)行處理.

協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)依通信簇接收預(yù)設(shè)區(qū)域采集節(jié)點(diǎn)傳送過(guò)來(lái)的值,若該值大于或等于2,表明預(yù)設(shè)區(qū)域土壤濕度低于閾值,此時(shí)協(xié)調(diào)器依約定通信簇,向控水終端發(fā)送灌水指令,控水終端依通信簇接收到灌水指令后,控制相應(yīng)GPIO端口,使其輸出低電平,從而觸發(fā)控制短接電磁閥的繼電器,打開(kāi)短接電磁閥向預(yù)設(shè)區(qū)域進(jìn)行灌水作業(yè).

灌水作業(yè)進(jìn)行時(shí),采集節(jié)點(diǎn)仍以預(yù)定頻率采集預(yù)設(shè)區(qū)域的土壤濕度,并將表征濕度的值傳回協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn),當(dāng)協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)接收到值小于2時(shí),表明預(yù)設(shè)區(qū)域土壤濕度高于閾值,此時(shí)協(xié)調(diào)器依約定通信簇,向控水終端發(fā)送灌水指令,控水終端控制相應(yīng)GPIO端口,輸出高電平,斷開(kāi)控制短接電磁閥的繼電器,關(guān)閉短接電磁閥,結(jié)束預(yù)設(shè)區(qū)域的灌水作業(yè).

3 小結(jié)

在本系統(tǒng)中,通過(guò)控制無(wú)線傳感網(wǎng)節(jié)點(diǎn)GPIO輸出,來(lái)控制光耦繼電器的觸發(fā)與復(fù)位,從而可以控制包含電磁閥在內(nèi)的各類機(jī)電設(shè)備的上電與掉電,通過(guò)控制GPIO的輸入,可以讀取傳感器信息,使得系統(tǒng)具有執(zhí)行和感知能力.

通過(guò)對(duì)協(xié)議棧的改寫和通信簇的規(guī)劃,可以靈活地調(diào)整不同節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)中相互關(guān)系,可以方便的實(shí)現(xiàn)分布式控制,也可以根據(jù)需要方便地進(jìn)行集中控制[1,2].如本系統(tǒng)用一個(gè)網(wǎng)關(guān)終端去控制移動(dòng)數(shù)傳模塊的通信,而將指令參數(shù)提取與執(zhí)行邏輯交付控制終端執(zhí)行,又如本系統(tǒng)將土壤濕度信息采集的定時(shí)邏輯下放到各采集節(jié)點(diǎn),使傳感網(wǎng)中各類節(jié)點(diǎn)的負(fù)擔(dān)較為均衡.那么,如果需求發(fā)生改變,系統(tǒng)稍作調(diào)整,就可以方便地將這些邏輯集中到某個(gè)節(jié)點(diǎn)之上,如協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn).

本系統(tǒng)中,無(wú)線傳感網(wǎng)與外界的通信具有通信數(shù)據(jù)量小,驟發(fā)通信等特點(diǎn)[3,4],選擇適合的通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)于降低成本有著極大的幫助.本系統(tǒng)選擇移動(dòng)數(shù)傳模塊作為網(wǎng)關(guān),通信費(fèi)用只需支付短信費(fèi),較之架設(shè)上位機(jī)、租用商用IP,成本得到極大的節(jié)約[5].而且也十分有利于移動(dòng)客戶端的APP開(kāi)發(fā),APP只需設(shè)計(jì)一個(gè)不錯(cuò)的界面,就可調(diào)用SMS服務(wù),將指令以短信形式發(fā)送給系統(tǒng).

總之,本研究所開(kāi)發(fā)的自動(dòng)灌溉系統(tǒng),包含了灌溉管線設(shè)計(jì),土壤濕度傳感器的改裝,ZStack協(xié)議棧的改寫,繼電器的控制,人工指令的接收、分析和處理,自動(dòng)控制邏輯的實(shí)現(xiàn),最終完成了一個(gè)開(kāi)閉環(huán)結(jié)合水肥混灌系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)任務(wù).

系統(tǒng)工作在無(wú)人值守狀態(tài),在無(wú)指令到達(dá)的情況下,系統(tǒng)處于閉環(huán)狀態(tài),采集預(yù)設(shè)區(qū)域的土壤濕度,并執(zhí)行自動(dòng)灌溉作業(yè),當(dāng)人工指令下達(dá)時(shí),系統(tǒng)切入開(kāi)環(huán)狀態(tài),執(zhí)行水肥的混配及灌溉作業(yè),指令執(zhí)行完畢后,系統(tǒng)切回閉環(huán)狀態(tài),再次執(zhí)行自動(dòng)灌水作業(yè),且各預(yù)設(shè)區(qū)域的控制部分相互獨(dú)立,可獨(dú)立在開(kāi)環(huán)、閉環(huán)狀態(tài)間相互切換而互不影響.

1 李文仲,段朝玉.ZigBee2007/PRO協(xié)議棧實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐.北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2009：30-60.

2 武風(fēng)波,強(qiáng)云霄.基于ZigBee技術(shù)的遠(yuǎn)程無(wú)線溫濕度測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì).西北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,38(5)：731-734.

3 李加念,倪慧娜.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的小粒種咖啡園滴灌自動(dòng)控制系統(tǒng).傳感器與微系統(tǒng),2014,33(10)：43-46.

4 孫麗婷.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[碩士學(xué)位論文].大連：大連理工大學(xué),2013.

5 劉建平.基于GPRS的遠(yuǎn)程無(wú)線抄表系統(tǒng)設(shè)計(jì).中國(guó)高新技術(shù)企業(yè),2009,(2)：45-47.