基于無線傳感器網絡的山地柑橘園灌溉控制系統(tǒng)設計與試驗

賴俊桂　孫道宗　王衛(wèi)星　宋淑然　薛秀云　謝家興

摘要：為了科學合理地制定灌溉計劃、解決農業(yè)生產粗獷用水的問題，以STM32C8T6單片機作為主控單元，結合土壤水分傳感器、空氣溫濕度傳感器、電磁閥及驅動電路組成無線傳感器網絡節(jié)點，設計基于無線傳感器網絡的山地柑橘園灌溉控制系統(tǒng)，實現柑橘園的土壤濕度監(jiān)測和精準灌溉，達到農業(yè)生產節(jié)約用水的目的。田間試驗結果表明，在節(jié)點通信距離平均為203 m時，系統(tǒng)的合計丟包率為0.09%，空氣溫度數據采集誤差低于6%，空氣濕度數據采集誤差低于4%，土壤濕度采集誤差低于6%，電磁閥節(jié)點平均響應時間為6.7 s。

關鍵詞：無線傳感器網絡;柑橘;濕度檢測;精準灌溉;控制系統(tǒng)設計

中圖分類號： S126文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）07-0245-05

針對目前我國農業(yè)用水利用率低、農業(yè)灌溉管理粗放的現狀[1-2]，同時為了更加高效地管理柑橘園，提升柑橘園管理的自動化水平，設計了一個基于Zigbee協(xié)議的無線傳感器網絡山地柑橘園灌溉控制系統(tǒng)。系統(tǒng)選用STM32C8T6單片機作為主控芯片，由ZigBee模塊、空氣溫濕度傳感器、土壤水分傳感器、太陽能電池板、電磁閥等組成，具有相對較高的智能化和自動化水平，可實現土壤濕度實時監(jiān)測、空氣溫濕度檢測、電磁閥智能開閉等功能。目前，基于Zigbee的無線傳感器網絡技術在農業(yè)上的應用已經非常普遍[3-5]。謝振偉等設計了一套基于Zigbee無線傳感器網絡的棉田節(jié)水灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用8051微處理器作為控制器，與各類溫濕度傳感器組成傳感器節(jié)點，實現對棉田土壤墑情信息的采集，并通過功放芯片CC2591與主芯片CC2530的連接，實現信息的遠距離傳輸[6]。陳艷麗等設計一套基于Zigbee無線傳感器網絡的農田灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用CC2530無線收發(fā)模塊，將土壤含水量經LPC932單片機處理后傳送到PC終端，用戶可實時查看土壤含水量，并根據灌溉臨界值對電磁閥的開啟與關閉進行控制[7]。陳曉燕等設計了一套基于Zigbee的溫室節(jié)水灌溉系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)以CC2430構建無線土壤水分傳感器網絡，實現了溫室內各節(jié)點土壤含水量的自動采集，并可根據作物需求進行自動灌溉[8]。上述系統(tǒng)均為應用在地勢較為平坦場景下的系統(tǒng)，而在復雜的山地環(huán)境下應用的無線傳感器技術較為少見，為此本研究將主要介紹無線傳感器網絡在山地場景下柑橘園灌溉控制系統(tǒng)中的應用。

1 試驗方案設計

試驗地點位于廣西壯族自治區(qū)賀州市昭平縣北陀鎮(zhèn)水樓村的一個柑橘種植園（地理位置為24°00′N、111°05′E），該地氣候溫和，光照充足，降水充沛，柑橘種植在海拔高度為100～200 m的山丘上，種植面積達6 hm2。因系統(tǒng)在戶外場景下應用，選擇太陽能電池板作為能量來源。

影響柑橘生長的因素主要有土壤含水量、光照時間、氣溫以及土壤品質等[9]。由于柑橘在生長的不同時期需水量是不同的，因此要求系統(tǒng)能夠實時準確地判定土壤的含水量，并根據作物生長情況進行及時灌溉[10]。系統(tǒng)使用山東建大仁科科技有限公司的土壤水分傳感器，水分測量精度為3%，測量量程為0～100%。為了保證傳感器測量的準確性，土壤濕度由傳感器采集10次數據后求平均值得出。采用廣州奧松電子有限公司生產的DHT11儀器測定空氣溫、濕度，濕度測量范圍為20%～90%，測量誤差為5%;溫度測量范圍為0～50 ℃，測量誤差為2 ℃。為了驗證系統(tǒng)采集環(huán)境信息的準確性，分別與使用?，攦x表AR837電子溫濕度計、美國Decagon公司的Em50 Data Logger采集的空氣溫濕度以及土壤濕度信息進行對比。

為了保證節(jié)點能夠穩(wěn)定通信，需要在實際應用場景下對系統(tǒng)的最大有效通信距離以及系統(tǒng)的丟包率進行測試。

2 系統(tǒng)方案設計

2.1 系統(tǒng)總體架構

本研究系統(tǒng)總體架構如圖1所示，可以看出，該系統(tǒng)由基于ZigBee網絡的終端節(jié)點、遠程服務器、基于STM32的無線路由節(jié)點及基于通用分組無線服務技術（GPRS）的網關構成[11-12]。終端節(jié)點由土壤水分傳感器、空氣溫濕度傳感器、電磁閥組成，負責監(jiān)測環(huán)境參數，執(zhí)行灌溉命令。無線路由節(jié)點用于處理各個節(jié)點的入網請求，并將數據信息傳送到網關，網關負責組建無線傳感器網絡，匯聚各個節(jié)點數據，傳送控制命令。終端節(jié)點與無線路由節(jié)點由太陽能電池板進行供電，網關采用市電進行供電。

2.2 系統(tǒng)硬件設計

終端節(jié)點主要包括STM32處理器、空氣溫濕度模塊DHT11、土壤水分傳感器、電磁閥驅動模塊、電磁閥、ZigBee模塊和電源模塊（圖2）。STM32單片機作為核心處理器，負責處理傳感器采集的數據，控制電磁閥開啟與關閉;空氣溫濕度模塊負責采集空氣溫濕度信息;土壤水分傳感器負責檢測土壤含水量;ZigBee模塊用于組建局域網。節(jié)點的電源由太陽能電池板和12 V的鋰電池組成，日照充足時，由太陽能控制器輸出太陽能電池板轉換的電壓進行供電，并且對鋰電池進行充電，日照不足時，由12 V 的鋰電池進行供電。電源模塊將12 V的輸入

電壓分別轉換成9.0、5.0、3.3 V的電壓，以滿足各種傳感器的電壓要求。無線路由節(jié)點的硬件設計與終端節(jié)點類似，但是無線路由節(jié)點沒有接各種傳感器。

網關主要用于實現Zigbee協(xié)議和傳輸控制協(xié)議/互聯協(xié)議（TCP/IP）的轉換，匯集無線傳感器網絡節(jié)點數據，完成無線傳感器網絡節(jié)點與因特網的通信。網關由STM32C8T6單片機、電源模塊、RS-232串口通信模塊、安全數碼（SD）卡存儲模塊、GPRS模塊、Zigbee模塊組成[13]。網關的硬件設計見圖3。

2.3 系統(tǒng)軟件設計

終端節(jié)點主程序流程見圖4，當系統(tǒng)通電時，終端節(jié)點會不斷請求加入附近的無線路由節(jié)點，組網成功后，會發(fā)送節(jié)點采集的數據，同時也會檢測網關發(fā)來的請求，如控制電磁閥開啟和關閉等。當終端節(jié)點到達設置的休眠時間時（傳感器工作5 min后即到達休眠時間，休眠時間為30 min），STM32處理器會進入休眠狀態(tài)，此時系統(tǒng)會停止發(fā)送數據，傳感器處于關閉狀態(tài)。休眠時間結束時，系統(tǒng)會重新進行正常工作。

網關的程序流程見圖5，網關工作時，系統(tǒng)首先進行初始化，初始化后與附近無線路由節(jié)點組建Zigbee網絡，然后監(jiān)聽Zigbee網絡以及以太網絡，判斷網絡的任務類型，并執(zhí)行相應的響應。若是接收到來自以太網的命令，則對命令進行解析后，通過RS-232串口將命令發(fā)送STM32C8T6，再通過Zigbee模塊將命令轉發(fā)給附近的無線路由節(jié)點;若是接收到來自Zigbee無線網絡的數據，則進行協(xié)議解析后，通過GPRS模塊將數據發(fā)送給遠端服務器[14-15]。

3 試驗與分析

3.1 網絡通信距離測試

為了測試節(jié)點無障礙和柑橘園場景下的有效通信距離，分別在空曠地帶和柑橘園場景下進行測試，終端節(jié)點支架高為2 m，柑橘樹高1.6～1.8 m，樹寬1.0～1.8 m，樹間距為1 m，節(jié)點發(fā)射功率最大值為21 dBm，射頻頻率為2.4 GHz，在2種場景下，將節(jié)點與網關之間的距離逐漸加大，每擴大1次距離，用激光測距1次，并發(fā)送1次數據，經過網關傳輸至上位機顯示，直到節(jié)點數據不能傳輸至網關為止。試驗數據見表1，當節(jié)點高度為2 m時，在無障礙物場景下，平均有效通信距離為1 013 m，在柑橘園場景下平均有效通信距離為203 m。

3.2 網絡丟包率測試

系統(tǒng)在柑橘園穩(wěn)定運行2 d后，對6個節(jié)點的丟包率進行統(tǒng)計，丟包率測試方法為在上位機軟件中查看節(jié)點發(fā)送的節(jié)點數據包，對丟包率進行分析，結果（表2）表明，本研究系統(tǒng)的合計丟包率為0.09%，滿足實際使用要求。

3.3 電磁閥響應時間測試

為了驗證系統(tǒng)是否能有效地進行智能灌溉，對電磁閥的響應時間進行測試。測試方法為通過上位機發(fā)送指令給電磁閥，用計時器對每個節(jié)點的電磁閥響應時間進行統(tǒng)計，共統(tǒng)計6個節(jié)點的電磁閥響應時間，結果見表3。

3.4 田間試驗

為了測試系統(tǒng)采集數據的準確性，分別與使用Em50 Data Logger、希瑪儀表AR837電子溫濕度計檢測的數據進行對比。由表4可知，本研究系統(tǒng)采集的土壤濕度數據平均誤差為5.4%。表5為本研究系統(tǒng)與儀器測量空氣溫濕度數據，測試儀器與本研究系統(tǒng)每隔5 min采集1次數據，每次試驗共采集空氣溫濕度10組數據，經統(tǒng)計，本研究系統(tǒng)濕度采集誤差平均值為3.4%，溫度采集誤差平均值為5.4%。誤差計算公式如下：

5 結束語

本研究主要介紹了山地柑橘園的灌溉控制系統(tǒng)設計及試驗，系統(tǒng)以STM32C8T6為主控單元，結合土壤水分傳感器、空氣溫濕度傳感器、電磁閥及驅動電路組成無線傳感器網絡節(jié)點，完成了基于ZigBee協(xié)議的無線傳感器網絡山地柑橘園灌溉控制系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)。

本研究系統(tǒng)能實時采集土壤含水量、空氣溫濕度等信息，并且能遠程控制電磁閥的開啟和關閉，實現智能灌溉。結果表明，電磁閥的平均響應時間為6.7 s，土壤濕度采集誤差平均值為5.4%，空氣溫度采集誤差平均值為5.4%，空氣濕度采集誤差平均值為3.4%。該系統(tǒng)具有良好的可靠性，能夠滿足對不同農業(yè)環(huán)境的監(jiān)控需要。

參考文獻：

[1]李 瑾，郭美榮，高亮亮. 農業(yè)物聯網技術應用及創(chuàng)新發(fā)展策略[J]. 農業(yè)工程學報，2015，31（增刊2）：200-209.

[2]趙 域，梁潘霞，伍華健. 物聯網在廣西農業(yè)生產中的應用現狀、前景分析及發(fā)展對策[J]. 南方農業(yè)學報，2012，43（5）：714-717.

[3]郭國法，許 萌，張開生. 基于ZigBee無線傳感器網絡的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)設計[J]. 江蘇農業(yè)科學，2015，43（11）：513-518.

[4]謝家興，余國雄，王衛(wèi)星，等. 基于無線傳感網的荔枝園智能節(jié)水灌溉雙向通信和控制系統(tǒng)[J]. 農業(yè)工程學報，2015，31（增刊2）：124-130.

[5]趙 斌，范學佳，衣淑娟，等. 旱田節(jié)水灌溉智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J]. 中國農機化學報，2016，37（7）：174-178.

[6]謝振偉，馬 蓉，趙天圖，等. 基于ZigBee無線傳感器網絡的棉田節(jié)水灌溉系統(tǒng)設計[J]. 江蘇農業(yè)科學，2017，45（16）：225-228.

[7]陳艷麗，謝 芳. 基于ZigBee的農田智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的設計[J]. 中國農機化學報，2017，38（2）：81-83.

[8]陳曉燕，龐 濤. 基于ZigBee網絡的溫室節(jié)水灌溉系統(tǒng)設計[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2013，32（5）：82-85.

[9]李澤碧，王正銀. 柑橘品質的影響因素研究[J]. 廣西農業(yè)科學，2006，37（3）：307-310.

[10]李 丁. 廣西柑橘生產與科技現狀分析及其對策研究[D]. 南寧：廣西大學，2014.

[11]蔣鼎國，張宇林，徐保國. 節(jié)水灌溉監(jiān)控系統(tǒng)設計——基于WSN和模糊控制策略[J]. 農機化研究，2012，34（2）：167-171.

[12]常 波. 基于無線傳感器網絡的節(jié)水灌溉智能監(jiān)測系統(tǒng)設計[J]. 安徽農業(yè)科學，2010，38（27）：15375-15377.

[13]李凌雁，李 鑫，曹世超. 基于ZigBee和GPRS智能監(jiān)測的節(jié)水灌溉裝置設計[J]. 農機化研究，2017，39（8）：212-215.

[14]孫 燕，曹成茂，馬德貴. 基于ZigBee網絡的節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)研究[J]. 農機化研究，2012，34（6）：153-156.

[15]張 鋒，黃樹州，饒武雄. 基于ZigBee技術的遠程智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)設計與實現[J]. 廣東石油化工學院學報，2013，23（6）：31-34.