基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的智能灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙立新

（三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息傳媒學(xué)院，河南三門峽472000）

隨著中國(guó)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，用水量不斷增加。由于中國(guó)農(nóng)業(yè)水資源的短缺和浪費(fèi)，節(jié)水灌溉的實(shí)施越來(lái)越重要。土壤含水量是作物生長(zhǎng)的先決條件，而過量的土壤水分會(huì)導(dǎo)致作物根部腐爛，帶走大量肥料，造成水污染。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，土壤含水量的監(jiān)測(cè)和控制取得了很大進(jìn)展，但仍然存在兩個(gè)主要問題：第一，大多數(shù)灌溉控制系統(tǒng)采用有線方式工作，利用串行總線和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，布線復(fù)雜，安裝和維護(hù)成本高；其次，作物需水量是一個(gè)物理量，具有各種環(huán)境因素，耦合性和復(fù)雜性強(qiáng)，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。

當(dāng)前，很多研究結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了智能灌溉系統(tǒng)。文獻(xiàn)［1］基于WSN和GSM設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了智能灌溉控制系統(tǒng)；文獻(xiàn)［2］基于ZigBee無(wú)線感測(cè)器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了智能灌溉系統(tǒng)。ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有低功耗、低成本、免費(fèi)的無(wú)線通信頻率特性，可以取代傳統(tǒng)系統(tǒng)中的有線連接［3-4］。本文在此基礎(chǔ)上，將太陽(yáng)能收集并儲(chǔ)存在鋰電池中，為系統(tǒng)提供電力供應(yīng)。同時(shí)，分析了影響灌溉量的環(huán)境因素，選擇合理的作物需水量灌溉方法和土壤水分信息。

1 節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)分為兩部分：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心。傳感器節(jié)點(diǎn)、控制器節(jié)點(diǎn)、土壤濕度傳感器、灌溉管道、噴灌和灌溉控制閥部署在作物種植區(qū)域，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎肸igBee網(wǎng)絡(luò)［5-6］。為了滿足網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，同時(shí)降低節(jié)點(diǎn)能耗和成本，我們選擇少量傳感器節(jié)點(diǎn)作為路由器，完成數(shù)據(jù)采集和路由數(shù)據(jù)從其他設(shè)備到協(xié)調(diào)器。大多數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)充當(dāng)終端設(shè)備，僅收集數(shù)據(jù)并發(fā)送到路由器或協(xié)調(diào)器附近。控制面板延伸到傳感器節(jié)點(diǎn)以彌補(bǔ)控制器節(jié)點(diǎn)，平時(shí)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和打開控制閥，實(shí)現(xiàn)灌水指令時(shí)的灌溉。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)有三種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)：傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。所有節(jié)點(diǎn)都以CC2530為核心，與不同的擴(kuò)展模塊相匹配。CC2530是真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，專為IEEE 802.15.4和ZigBee應(yīng)用而量身定制，它使ZigBee節(jié)點(diǎn)能夠以非常低的總物料成本構(gòu)建。CC2530將領(lǐng)先的RF收發(fā)器的卓越性能與業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 MCU、32/64/128/256 KB閃存、32/64/128/256 KB RAM以及許多其他強(qiáng)大功能相結(jié)合。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)的開發(fā)基于ZigBee協(xié)議棧提供的MAC和物理層，主要涉及數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)幀問題。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)工作，接收數(shù)據(jù)采集和溫度、濕度的傳輸閾值。傳感器節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是數(shù)據(jù)采集和傳輸，完成初始化協(xié)議棧和硬件后，終端節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)掃描通道，然后發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的信息，如果確認(rèn)，它就開始通過傳感器收集數(shù)據(jù)，然后通過無(wú)線傳輸發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。電磁閥的類型是100-DVF，它通常在閉合電磁閥中，功能是根據(jù)設(shè)備發(fā)送的控制信號(hào)打開和關(guān)閉管道水。該閥配有TBOS控制模塊，閥門啟停由正和負(fù)脈沖控制，非常適合沒有交流電的場(chǎng)合。

2 節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成，分布在監(jiān)控區(qū)域的所有區(qū)域。所有節(jié)點(diǎn)都由太陽(yáng)能供電。溫濕度傳感器采集溫濕度信息，路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)路由通信和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)從路由節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)，并通過RS232串行總線發(fā)送給主機(jī)監(jiān)控中心。監(jiān)測(cè)中心可以記錄從所有節(jié)點(diǎn)上傳的實(shí)時(shí)土壤含水量，根據(jù)不同生長(zhǎng)期的植物生理特征計(jì)算作物灌溉用水需求，通過無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)輸出結(jié)果到中繼，控制閥門的開啟和關(guān)閉時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉的遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制。

此外，為了解決節(jié)點(diǎn)能量供應(yīng)問題，我們提出了一種基于太陽(yáng)能的供電系統(tǒng)，它由太陽(yáng)能模塊、能量管理控制器和鋰電池組成。太陽(yáng)能模塊不僅可以為鋰電池充電，還可以為傳感器節(jié)點(diǎn)供電。類似地，鋰電池可以為傳感器節(jié)點(diǎn)供電。能量管理控制器的微處理器收集太陽(yáng)能電池板和鋰電池的電壓，然后將反饋信息傳送到控制電路。根據(jù)微處理器的信息控制電路執(zhí)行電源和充電方案有效地解決了電池充電頻繁的問題。在連續(xù)供電的情況下，電源的優(yōu)先級(jí)是太陽(yáng)能電池板、鋰電池。如果鋰電池沒有飽和，則鋰電池的太陽(yáng)能電池充電，當(dāng)陽(yáng)光不足或沒有陽(yáng)光時(shí)加入鋰電池供電。

2.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)路由算法

由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量的限制，傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議一般不適合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，而集群路由協(xié)議應(yīng)該是低功耗自適應(yīng)集簇分層型協(xié)議［7-8］（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH），它是第一個(gè)基于多集群結(jié)構(gòu)的路由協(xié)議集群，相比較傳統(tǒng)的協(xié)議，LEACH可以更好地節(jié)省能源。由于中間無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)首先考慮的是能量問題，如果接收節(jié)點(diǎn)和發(fā)送節(jié)點(diǎn)之間的距離小于某個(gè)臨界值d0，則使用自由空間模型，否則，使用多個(gè)衰減模型。臨界值d0定義如下

其中，α是路徑損耗指數(shù)，λ是信號(hào)的波長(zhǎng)，hr是接收機(jī)天線高度，ht是發(fā)射天線的高度。當(dāng)發(fā)送節(jié)點(diǎn)k比特?cái)?shù)據(jù)到接收節(jié)點(diǎn)的相關(guān)傳輸距離d時(shí)，通過下式（2）計(jì)算發(fā)射節(jié)點(diǎn)的能量消耗

其中，ETx-eles（k）是發(fā)射k位數(shù)據(jù)發(fā)射器電路的能量消耗，Eeles數(shù)據(jù)用于發(fā)送或接收電路所消耗的能量中的每個(gè)電路，ETx-amp（k，d）是發(fā)射k位數(shù)據(jù)傳輸距離d和功率放大器時(shí)的能量消耗。

所有節(jié)點(diǎn)LEACH自組織集群在集群中，由一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為集群頭，所有集群成員節(jié)點(diǎn)發(fā)送到集群頭，集群頭的數(shù)據(jù)融合處理后到基站。簇頭比集群節(jié)點(diǎn)消耗更多的能量成員，因此，在LEACH路由協(xié)議中，使用簇頭節(jié)點(diǎn)機(jī)制的隨機(jī)旋轉(zhuǎn)來(lái)避免能量耗盡。集群在第一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中建立時(shí)，選出當(dāng)前輪次的簇頭節(jié)點(diǎn)。具體來(lái)說，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在0到1中選擇一個(gè)隨機(jī)數(shù)，如果隨機(jī)數(shù)比預(yù)定閾值小，那么節(jié)點(diǎn)在當(dāng)前輪中為簇頭，否則在本輪集群成員中。土壤環(huán)境是一個(gè)大慣性、非線性和時(shí)間延遲系統(tǒng)，很難建立一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型，由于溫室場(chǎng)條件的統(tǒng)一性、可變性和復(fù)雜性，很難實(shí)現(xiàn)精確控制，我們選擇模糊控制理論的智能控制方法實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的控制。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了對(duì)提出的智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，筆者在105 m2左右的農(nóng)田范圍內(nèi)設(shè)置編號(hào)為節(jié)點(diǎn)1～4共4個(gè)溫濕度傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，無(wú)線發(fā)送至主站計(jì)算機(jī)，從站單片機(jī)輸出數(shù)碼顯示模塊可以直接顯示采集到的參數(shù)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表l，從表中可以看出，在監(jiān)測(cè)時(shí)段內(nèi)農(nóng)田的溫度和濕度均維持在理想范圍內(nèi)，驗(yàn)證了提出方案的可行性。

表1 溫濕度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)我國(guó)現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)用水消耗量高與利用率低這一矛盾問題，本文設(shè)計(jì)了基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的智能灌溉控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心組成，采用太陽(yáng)能供應(yīng)能量分時(shí)期收集不同作物生長(zhǎng)信息，智能控制灌溉。該系統(tǒng)有效地提高了農(nóng)業(yè)用水效率，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)灌概作業(yè)的自動(dòng)化和智能化控制。