基于多傳感器數(shù)據(jù)融合自動滴灌系統(tǒng)的研究

鄭志建，謝懷民，黃 蓉，蔡卓翊，白清源

(1.福州軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能產(chǎn)業(yè)學(xué)院，福建福州350003；2.福州大學(xué)計算機與大數(shù)據(jù)學(xué)院，福建福州350108)

世界各國都在節(jié)約淡水資源，不當(dāng)?shù)墓喔确绞皆斐傻牡Y源浪費問題越來越嚴(yán)重，農(nóng)業(yè)用水節(jié)能減排也是如此。一方面，將農(nóng)作物種植中的灌溉方式由粗放型灌溉方式轉(zhuǎn)變?yōu)楣?jié)能灌溉方式，積極加快精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展[1]。另一方面，國家積極推動工業(yè)反哺農(nóng)業(yè)政策，將現(xiàn)代工業(yè)當(dāng)中的新技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。因此，自動滴灌技術(shù)將是未來灌溉技術(shù)的發(fā)展趨勢。對于農(nóng)作物的生長，傳統(tǒng)的灌溉技術(shù)無法實現(xiàn)對農(nóng)作物的實時定量灌溉。一方面會使作物錯過最佳生長期，另一方面也會導(dǎo)致作物病蟲害的發(fā)生。在我國節(jié)能降耗的大背景下，基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的自動滴灌技術(shù)研究顯得尤為重要。電子技術(shù)、自動化技術(shù)和農(nóng)業(yè)技術(shù)的結(jié)合，一方面采用自動滴灌技術(shù)和多傳感器參數(shù)融合方法，具有測量精度高等特點，可以避免水資源的浪費;另一方面，自動滴灌技術(shù)可以完全無人值守，大大節(jié)省人力成本[2]?；诙鄠鞲衅鲾?shù)據(jù)融合的自動滴灌系統(tǒng)主要包括以下模塊:遠程監(jiān)測模塊、土壤環(huán)境參數(shù)提取模塊、STM32核心控制器模塊、ZigBee無線通信數(shù)據(jù)傳輸模塊、滴灌控制模塊等。系統(tǒng)根據(jù)土壤參數(shù)提取模塊提取的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，將融合后的數(shù)據(jù)發(fā)送到STM32嵌入式控制模塊。嵌入式控制模塊根據(jù)輸入數(shù)據(jù)進行判斷，如果土壤濕度值超過系統(tǒng)設(shè)定的閾值，將停止滴灌。

1 多傳感器數(shù)據(jù)融合系統(tǒng)算法設(shè)計

多傳感器數(shù)據(jù)融合的滴灌系統(tǒng)土壤環(huán)境參數(shù)提取模塊使用的傳感器為土壤濕度傳感器、土壤溫度傳感器和光強傳感器。傳統(tǒng)的滴灌系統(tǒng)土壤環(huán)境參數(shù)模塊采用的是單節(jié)點采集數(shù)據(jù)方式，僅使用土壤濕度傳感器采集土壤濕度后決定電磁閥是否開啟。單類型傳感器檢測土壤環(huán)境濕度得到的結(jié)果往往不準(zhǔn)確，不準(zhǔn)確的結(jié)果導(dǎo)致系統(tǒng)耗水量的增加。多傳感器數(shù)據(jù)融合的自動滴灌系統(tǒng)采用了多種類型傳感器，將收集到的傳感器數(shù)據(jù)進行融合，在測量精度上相比于傳統(tǒng)滴灌系統(tǒng)具有更好地效果，因此在節(jié)水減排方面表現(xiàn)更好。農(nóng)作物的生長需要合適的土壤濕度、土壤溫度而且光照強度對作物的光合作用也有深刻的影響，因為作物的生長必須在一定的光照強度下進行，過強的光照會使農(nóng)作物發(fā)生光破壞現(xiàn)象[3]。過低的光照強度又不適合農(nóng)作物的光合作用，所以這三個因子對多傳感器融合滴灌的效果都會有影響，其中多傳感器數(shù)據(jù)融合過程如圖1所示。

圖1 多傳感器數(shù)據(jù)融合過程

最小二乘法在多傳感器數(shù)據(jù)融合時具有簡單、高效、錯誤低、準(zhǔn)確度高等特點。農(nóng)田區(qū)域內(nèi)布置的多種傳感器會采集到海量的土壤溫度、土壤濕度、光照強度傳感器的數(shù)據(jù)。為了提高數(shù)據(jù)處理的速度和精度，首先對同一傳感器類型的傳感器數(shù)據(jù)采用加權(quán)最小二乘法融合[4]。同時，為了避免因某些傳感器檢測環(huán)境因子異常而產(chǎn)生的誤差，增加誤差較小的傳感器數(shù)據(jù)的權(quán)重值，減小誤差較大傳感器數(shù)據(jù)的權(quán)重值，進而得到同類傳感器數(shù)據(jù)融合函數(shù)模型[5]。此時，當(dāng)某個傳感器出現(xiàn)異常時當(dāng)前傳感器對整體系統(tǒng)數(shù)據(jù)的影響便會減小，一方面，保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，另外一方面還可以提高傳感器測量數(shù)據(jù)的精度?；诩訖?quán)最小二乘法同類傳感器數(shù)據(jù)融合計算流程如圖2所示，采用數(shù)據(jù)融合算法對采集到的三種傳感器數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)融合，然后將系統(tǒng)融合后的值送入決策系統(tǒng)作為多傳感器數(shù)據(jù)融合后滴灌系統(tǒng)的依據(jù)。

圖2 加權(quán)最小二乘法傳感器數(shù)據(jù)融合過程

假設(shè)區(qū)域內(nèi)有n個傳感器，n個傳感器的測量值構(gòu)成向量Y，同時環(huán)境噪聲e=[e1,e2,e3,…,en]T，相對于系統(tǒng)的真實值x，其中，H=[1,1,1,…,1]T，則環(huán)境狀態(tài)的檢測方程如式(1)所示。

Y=Hx+e

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

通過式(5)推導(dǎo)得知傳感器的值直接受到傳感器測量當(dāng)中的誤差平方的影響，通過式(4)推導(dǎo)得到傳感器數(shù)據(jù)融合過程當(dāng)中的估計狀態(tài)方差如式(6)所示。

(6)

同時考慮到大田環(huán)境參數(shù)提取比較復(fù)雜，為保證系統(tǒng)的精確性，將測量結(jié)果的算數(shù)平均值作為傳感器測量數(shù)據(jù)的真實值，如式(7)所示。

(7)

同時第i個傳感器的第m個結(jié)果的方差估計如下式(8)所示。

(8)

將n個傳感器的方差估計求和聯(lián)合式(8)可以得到如式(9)所示。

(9)

(10)

將最終結(jié)果作為下級異類傳感器結(jié)果的輸入。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)整體硬件設(shè)計

多傳感器數(shù)據(jù)融合的滴灌系統(tǒng)硬件部分主要由核心控制模塊、電路模塊、傳感器參數(shù)采集模塊、ZigBee無線傳輸模塊、時鐘模塊、電路復(fù)位模塊等組成[6]。其中傳感器參數(shù)采集模塊包括土壤濕度采集模塊、土壤溫度采集模塊、光照強度采集模塊組成，多傳感器數(shù)據(jù)融合自動滴灌系統(tǒng)的主要原理框圖如圖3所示。

圖3 多傳感器數(shù)據(jù)融合自動滴灌系統(tǒng)主要原理框圖

2.2 無線通信模塊硬件設(shè)計

多傳感器數(shù)據(jù)融合的自動滴灌系統(tǒng)無線通信模塊采用的是基于ZigBee協(xié)議棧的CC2530模塊，多傳感器數(shù)據(jù)融合自動滴灌系統(tǒng)無線傳輸模塊的無線透傳網(wǎng)絡(luò)是由一個主機設(shè)備、多個路由設(shè)備以及多個終端設(shè)備組成，ZigBee無線通信模塊具有三種通信模式，具體三種模式表現(xiàn)為:廣播模式、一對多模式、點對點模式。每一種模式都存在其優(yōu)缺點，例如廣播模式傳輸數(shù)據(jù)的時候完全透明傳輸，但數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r候會發(fā)生丟包現(xiàn)象并且使用廣播模式時數(shù)據(jù)的傳輸速率比其他兩種模式低。ZigBee的一對多模式使用簡便，數(shù)據(jù)傳輸速率比較高，但其功耗比較大，不適用于低功耗場合[7]。ZigBee點對點模式，數(shù)據(jù)傳輸效率更高，功耗更低，因此選擇ZigBee的模式為點對點模式，低功耗終端平時處于休眠狀態(tài)以減少電量損耗，并定期喚醒采集傳感器數(shù)據(jù)上傳。

無線通信模塊主要包括ZigBee終端節(jié)點、ZigBee協(xié)調(diào)器兩部分組成，其中ZigBee無線通信模塊的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。ZigBee終端節(jié)點負(fù)責(zé)采集土壤濕度傳感器、土壤溫度傳感器、光照強度傳感器的數(shù)據(jù)。然后將ZigBee終端節(jié)點收集到的數(shù)據(jù)返回到ZigBee協(xié)調(diào)器當(dāng)中。ZigBee協(xié)調(diào)器是整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)組織的管理者，每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)只能接入一個ZigBee的協(xié)調(diào)器，ZigBee協(xié)調(diào)器首先選擇頻道以及網(wǎng)絡(luò)id，之后開啟該網(wǎng)絡(luò)[8]。ZigBee協(xié)調(diào)器是多傳感器數(shù)據(jù)融合網(wǎng)絡(luò)整體的開端，因此它擁有網(wǎng)絡(luò)的最高權(quán)限，作為整個網(wǎng)絡(luò)的維護者，ZigBee協(xié)調(diào)器可以設(shè)計安全中心以及執(zhí)行其他的動作。

圖4 ZigBee無線通信模塊整體結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

多傳感器數(shù)據(jù)融合的自動滴灌系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括如下:無線通信模塊軟件設(shè)計、監(jiān)控模塊的軟件設(shè)計。其中無線通信模塊的軟件設(shè)計主要是ZigBee無線通信模塊的軟件設(shè)計，為了方便查看以及控制電磁閥的狀態(tài)設(shè)計了監(jiān)控模塊。根據(jù)監(jiān)控模塊的狀態(tài)實時查看到土壤溫度傳感器數(shù)據(jù)、土壤濕度傳感器數(shù)據(jù)以及光照強度傳感器數(shù)據(jù)，系統(tǒng)根據(jù)融合算法會生成融合后的傳感器數(shù)值。

3.1 無線通信模塊軟件設(shè)計

ZigBee通信模塊硬件由協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點構(gòu)成，協(xié)調(diào)器也是整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的樞紐。它的主要作用是為加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點分配地址，并協(xié)調(diào)終端節(jié)點之間的關(guān)系。系統(tǒng)上電并初始化協(xié)議后，開始掃描通道并建立網(wǎng)絡(luò)。掃描通道的功能是搜索節(jié)點通信中的網(wǎng)絡(luò)信息。當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中沒有協(xié)調(diào)器的時候，則ZigBee網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中的某個終端自動成為系統(tǒng)當(dāng)中的協(xié)調(diào)器，其他節(jié)點可以向該協(xié)調(diào)器發(fā)送信息[9]。當(dāng)系統(tǒng)終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器當(dāng)中的網(wǎng)絡(luò)建立成功之后，系統(tǒng)便可以收發(fā)信息。傳感器采集到的數(shù)據(jù)主要通過終端節(jié)點反饋給ZigBee網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的匯聚節(jié)點通過串口通信反饋給遠程監(jiān)控終端，其中協(xié)調(diào)器流程圖如圖5所示。

圖5 協(xié)調(diào)器流程圖

當(dāng)CC2530模塊上電后，首先對ZigBee的終端節(jié)點進行終端節(jié)點初始化操作，此時若ZigBee終端節(jié)點接收到協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的加入網(wǎng)絡(luò)的信號則終端節(jié)點將加入?yún)f(xié)調(diào)器構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中[10]。并允許由終端節(jié)點給協(xié)調(diào)器分配地址，當(dāng)終端節(jié)點入網(wǎng)成功后，系統(tǒng)會周期性的讀取傳感器當(dāng)中的數(shù)據(jù)并將讀取的數(shù)據(jù)返回給協(xié)調(diào)器，其中終端節(jié)點流程圖如圖6所示。

圖6 終端節(jié)點流程圖

3.2 監(jiān)控模塊軟件設(shè)計

首先設(shè)置串口名稱和波特率，設(shè)置完成后，點擊串口啟動按鈕，遠程控制端監(jiān)聽串口啟動的事件。監(jiān)聽的內(nèi)容包括串口名稱、波特率、串口是否被占用等信息。當(dāng)串口名稱錯誤或該端口被其他程序占用時，則會提示通信失敗。初始化完成后，遠程監(jiān)控終端向下位機發(fā)送地址碼，等待握手信號[11]。此時下位機檢測是否有來自遠程監(jiān)控終端的信號，判斷特征碼是否與下位機特征碼對應(yīng)。當(dāng)特征碼與下位機特征碼一致時，下位機回傳給遠程監(jiān)控終端相同的特征碼。如果遠程監(jiān)控終端判斷下位機返回的特征碼是正確的，就可以接受下位機的傳感器數(shù)據(jù)，其中遠程控制端流程圖如圖7所示。

圖7 遠程控制端流程圖

4 實驗方法和實驗結(jié)果

多傳感器精度驗證實驗方案采用的是常見的FDR土壤濕度傳感器以及多傳感器數(shù)據(jù)融合后實際測量的數(shù)據(jù)進行對比實驗。實驗過程是先獲取福州永泰大田當(dāng)中的土壤，烘干土壤并等分成17份，將土壤配比成土壤濕度為5%、9%、13%、17%、21%、25%、29%、33%、37%、41%、45%、47%、49%、53%、55%、57%、60%，對每一份土壤樣本進行標(biāo)記處理。使用多傳感器數(shù)據(jù)融合的自動滴灌系統(tǒng)進行檢測相關(guān)土壤濕度、同樣的樣本也使用FDR傳感器進行土壤濕度的檢測，并且記錄。記錄結(jié)果如表1所示。

表1 傳感器測量值對比表 %

對記錄后得到的結(jié)果進行對比繪圖如圖8所示，證明傳統(tǒng)的FDR土壤濕度傳感器測量土壤濕度隨著環(huán)境當(dāng)中的土壤濕度值的增加而測量精度不精準(zhǔn)，基于多傳感器數(shù)據(jù)融合后測量的土壤濕度值比傳統(tǒng)的FDR傳感器測量土壤濕度更穩(wěn)定且測量精度更高。

圖8 FDR土壤濕度與多傳感器融合后濕度對比圖

5 結(jié)論

本文研究了多傳感器數(shù)據(jù)融合的自動滴灌系統(tǒng)的問題，該自動滴灌系統(tǒng)包括了軟件設(shè)計、硬件設(shè)計以及傳感器融合的算法設(shè)計，在該自動滴灌系統(tǒng)當(dāng)中存在的多傳感器數(shù)據(jù)來源是土壤溫度傳感器、土壤濕度傳感器以及光照強度傳感器，根據(jù)各種傳感器采集的各項數(shù)據(jù)進行融合，將融合后的數(shù)據(jù)作為最終的決策依據(jù)，系統(tǒng)根據(jù)融合后的參數(shù)值進行滴灌。實驗表明，該自動滴灌系統(tǒng)具有測量精度高、方便農(nóng)事活動等優(yōu)點。