基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的滴灌系統(tǒng)應(yīng)用研究

夏雪峰,毛玉芳,蔣利俊,施建業(yè)

(1.宜興市芳橋街道水利站，江蘇 宜興 214200;2.宜興市新莊街道水利站，江蘇 宜興 214200;3.宜興市西渚鎮(zhèn)水利站，江蘇 宜興 214200;4.揚(yáng)州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000)

近十年來，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)(PA)作為一種新的農(nóng)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，在農(nóng)業(yè)實(shí)踐中得到了廣泛的應(yīng)用。PA的主要目的是監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)地塊的時(shí)空特征[1]。這樣，既可以優(yōu)化作物產(chǎn)量，又可以保留自然資源、財(cái)力資源和能源資源。然而，由于受監(jiān)測(cè)的農(nóng)業(yè)區(qū)域普遍分散，且環(huán)境條件多變，因此準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地收集相關(guān)信息變得更加困難。此外，傳統(tǒng)的解決方案，如衛(wèi)星圖像、飛機(jī)或其他基于地圖的系統(tǒng)，由于成本高昂，無法得到廣泛推廣。為了克服這一限制，本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)引入農(nóng)業(yè)環(huán)境中[2]。傳感器節(jié)點(diǎn)部署在農(nóng)田中，首先收集環(huán)境信息和監(jiān)測(cè)土壤特征，然后，按照設(shè)計(jì)的協(xié)議進(jìn)行合作，將收集到的信息傳輸?shù)街行墓?jié)點(diǎn)，最后，對(duì)這些信息進(jìn)行處理并做出最終決定[3]。

無線傳感器在PA中的一個(gè)重要應(yīng)用是灌溉系統(tǒng)控制。為此，通過將新技術(shù)與農(nóng)業(yè)實(shí)踐相結(jié)合，對(duì)提高灌溉控制系統(tǒng)進(jìn)行了大量的研究。在灌溉策略中，滴灌被認(rèn)為是最有效的節(jié)水策略。此外，將這一策略與無線傳感器相結(jié)合，可以達(dá)到節(jié)水灌溉的目的。然而，灌溉系統(tǒng)的可靠性需要不斷改進(jìn)。為此，本文提出了一種基于無線傳感器的滴灌系統(tǒng)模型。模型主要包括土壤濕度、溫度和壓力傳感器，用于監(jiān)測(cè)作物灌溉參數(shù)。此外，可以通過一個(gè)適當(dāng)?shù)幕趦?yōu)先級(jí)的路由協(xié)議來實(shí)現(xiàn)高QoS性能，從而確保不同節(jié)點(diǎn)類型和接收器之間的有效實(shí)時(shí)通信。

1 滴灌系統(tǒng)模型

本文提出的灌溉系統(tǒng)系統(tǒng)主要包括以下傳感器和執(zhí)行控制器：

土壤濕度傳感器：通過控制土壤導(dǎo)電率或地下體積含水量(VWC)等參數(shù)來優(yōu)化灌溉策略。測(cè)量土壤濕度可以更有效地管理作物的灌溉時(shí)間以及灌溉量，用更少的水來種植作物，提高作物質(zhì)量和產(chǎn)量，提高灌溉水有效利用率。

溫度傳感器：用于監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度，從而可以根據(jù)測(cè)得的溫度調(diào)整灌溉計(jì)劃，以避免水分蒸發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。

壓力傳感器：用于測(cè)量氣體或液體的壓力，并將其轉(zhuǎn)換為可傳感信號(hào)。在灌溉應(yīng)用中，這種傳感器有助于監(jiān)測(cè)管道安裝的異常壓力。當(dāng)壓力過大時(shí)，可通過通信模塊(ZigBee/802.15.4)向相應(yīng)的電磁閥或主閥(控制主管道)發(fā)送信息，以關(guān)閉系統(tǒng)。當(dāng)壓力值較低時(shí)可能是管道破裂或閥門打開失敗的信號(hào)。當(dāng)壓力值較高時(shí)，則表明閥門沒有正確關(guān)閉或某些管路被堵塞。

電磁閥：它是一種機(jī)電閥，用于控制液體或氣體，電磁閥是一個(gè)線圈，結(jié)合ZigBee模塊以及無線通信控制電磁閥的運(yùn)行或停止，從而改變閥門的狀態(tài)。同時(shí)，電磁閥外部可安裝太陽能電池板對(duì)其進(jìn)行供電。

接收節(jié)點(diǎn)：對(duì)應(yīng)系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)，拓?fù)渲械乃袀鞲衅鞴?jié)點(diǎn)都需要將收集到的信息轉(zhuǎn)發(fā)到要處理的接收器節(jié)點(diǎn)。此外，通過該節(jié)點(diǎn)，向相應(yīng)的執(zhí)行器或傳感器生成請(qǐng)求命令。

2 無線傳感器模擬應(yīng)用

2.1 工作環(huán)境

本文模擬場(chǎng)景基于圖1所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上對(duì)載波感知協(xié)議(CSA)和多路徑路由協(xié)議(TPGF)進(jìn)行對(duì)比分析。研究模擬的拓?fù)涿娣e為200 m×200 m，節(jié)點(diǎn)總數(shù)280個(gè)(包括壓力、溫度/土壤水分、閥門節(jié)點(diǎn))。假設(shè)每個(gè)網(wǎng)格代表實(shí)際面試為20 m2。隨機(jī)選擇兩個(gè)源節(jié)點(diǎn)(壓力和溫度/土壤濕度)，并在不同的時(shí)間間隔內(nèi)開始傳輸。為了區(qū)分NS2模擬器中模擬的兩個(gè)流量，我們選擇了每秒的恒定比特率為X包，流量作為溫度/土壤濕度源節(jié)點(diǎn)，其中：

圖1 部署了無線傳感器的滴灌系統(tǒng)

X={8,16,24,32}

(1)

對(duì)于壓力源節(jié)點(diǎn)，我們選擇數(shù)據(jù)速率等于20×103字節(jié)的指數(shù)流量(exp)。通信持續(xù)時(shí)間為30 s，對(duì)于每個(gè)X值，生成20個(gè)場(chǎng)景，并計(jì)算結(jié)果的平均值，最終給出的結(jié)果置信區(qū)間為95%。根據(jù)節(jié)點(diǎn)的特性和雙射線地面?zhèn)鞑ツＰ头匠?，定義了接收和載波感知閾值。它們各自的值分別為3.981×10-13w和3.981×10-14w，表示傳輸范圍近20 m，載波感應(yīng)范圍35 m。

2.2 部署策略

部署傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)農(nóng)田是一個(gè)關(guān)鍵問題。事實(shí)上，選擇最有利的配置必須考慮許多參數(shù)，如作物特性、氣象參數(shù)、傳感器和節(jié)點(diǎn)規(guī)格，以及預(yù)算。農(nóng)業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍必須是密集的。通過這種方式，可以收集所有需要的測(cè)量值，從而對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域有更可靠的了解。對(duì)于面積為100 m2的監(jiān)控范圍，至少需要8090個(gè)節(jié)點(diǎn)，每平方米大約有一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)密度較大時(shí)可以將傳感器的傳輸功率降低到最低水平，從而節(jié)省能源。除了擁有足夠數(shù)量的節(jié)點(diǎn)之外，還必須確定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在起始拓?fù)?、樹拓?fù)浠蚓W(wǎng)格拓?fù)渲校_的選擇取決于現(xiàn)場(chǎng)的大小和植物的形成條件。

2.3 溝通策略

在圖2中，給出了設(shè)計(jì)滴灌系統(tǒng)中所有參與者之間的通信流程。傳感器節(jié)點(diǎn)定期采集農(nóng)田溫度和土壤水分。根據(jù)獲得的值，傳感器節(jié)點(diǎn)決定是否向接收器發(fā)送信息。在水槽節(jié)點(diǎn)，對(duì)異常信息進(jìn)行處理，并根據(jù)植物需求調(diào)整灌溉計(jì)劃。一旦執(zhí)行器接收到來自水槽的信號(hào)，它們就會(huì)控制相應(yīng)的閥門打開或關(guān)閉。如果閥門打開，水流通過管道，壓力節(jié)點(diǎn)開始感應(yīng)。如果收集到任何異常壓力值，將向水槽節(jié)點(diǎn)發(fā)送警報(bào)消息，以關(guān)閉灌溉過程并請(qǐng)求外部人員驗(yàn)證管道安裝。

圖2 滴灌系統(tǒng)信息傳達(dá)路線

3 結(jié)果分析

從研究正常和優(yōu)先流量的數(shù)據(jù)處理速率指標(biāo)開始分析。圖3為正常流量的數(shù)據(jù)處理速率。從圖3可以看出，對(duì)于兩種協(xié)議，數(shù)據(jù)處理速率都隨著每秒數(shù)據(jù)包數(shù)的增加而減少。主要原因是隨著流量越大，碰撞可能性也越高，從而降低數(shù)據(jù)處理速率。對(duì)于CSA協(xié)議，其數(shù)據(jù)處理速率在8～24 cbr 之間較高，此后，數(shù)據(jù)處理速率略低于TPGF。對(duì)于TPGF路徑，它是根據(jù)貪婪轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制構(gòu)建路徑，因此構(gòu)建的路徑較短。因此，在CSA的情況下，數(shù)據(jù)處理速率高于TPGF。

圖3 正常流量的數(shù)據(jù)處理速率與每秒數(shù)據(jù)包數(shù)的關(guān)系

圖4代表優(yōu)先流量的數(shù)據(jù)處理速率，從圖中可以看到，對(duì)于這兩個(gè)協(xié)議，數(shù)據(jù)處理速率隨著每秒數(shù)據(jù)包數(shù)量的增加而減少。很明顯，CSA協(xié)議比TPGF協(xié)議的數(shù)據(jù)處理速率更高。數(shù)據(jù)處理速率最大差值可達(dá)20%。對(duì)于TPGF來說，優(yōu)先流量在不斷增加時(shí)，數(shù)據(jù)處理速率明顯降低，這種性能對(duì)于優(yōu)先級(jí)流量來說是不可接受的。事實(shí)上，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)不能傳輸時(shí)，并且另一個(gè)節(jié)點(diǎn)在其載波范圍內(nèi)已經(jīng)處于傳輸階段時(shí)，就會(huì)發(fā)生載波范圍效應(yīng)。因此，當(dāng)每秒數(shù)據(jù)包數(shù)數(shù)目較大時(shí)，由于各路徑節(jié)點(diǎn)之間存在競(jìng)爭，各路徑節(jié)點(diǎn)相互剝奪信道訪問權(quán)，導(dǎo)致丟失數(shù)據(jù)包的可能性更為明顯。

圖4 優(yōu)先流量的數(shù)據(jù)處理速率與每秒數(shù)據(jù)包數(shù)的關(guān)系

圖5描述了優(yōu)先級(jí)通信情況下兩個(gè)協(xié)議的延遲。可以看到延遲隨著每秒數(shù)據(jù)包數(shù)量的增加而增加。與TPGF協(xié)議相比，CSA協(xié)議提供的延遲更低。由于CSA協(xié)議中的施工路徑過程確保了優(yōu)先交通不會(huì)受到鄰近地區(qū)任何通信的干擾，這種性能適用于通常對(duì)延遲敏感的優(yōu)先級(jí)流量。

圖5 優(yōu)先流量平均延遲與每秒數(shù)據(jù)包數(shù)的關(guān)系

4 結(jié) 論

本文提出了一種基于無線傳感器的滴灌系統(tǒng)模型體系結(jié)構(gòu)。監(jiān)測(cè)模型包括土壤濕度、溫度和壓力傳感器，用于監(jiān)測(cè)以及控制農(nóng)田灌溉參數(shù)。并且將灌溉系統(tǒng)發(fā)生故障的情況也考慮在內(nèi)，如管道破裂或發(fā)射器堵塞時(shí)會(huì)根據(jù)管內(nèi)壓力信號(hào)進(jìn)行反饋，從而對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行進(jìn)行精準(zhǔn)控制。此外，本文還區(qū)分了WSAN傳輸?shù)男畔⒌膬蓚€(gè)主要流量級(jí)別，通過適當(dāng)?shù)膬?yōu)先級(jí)的路由協(xié)議實(shí)現(xiàn)了高QoS性能，為此進(jìn)行了大量的模擬，對(duì)于優(yōu)先流量，CSA協(xié)議提供的延遲更低，數(shù)據(jù)處理速率方面具有較好的性能。