基于作物水脅迫聲發(fā)射技術與Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡的精細灌溉系統(tǒng)的設計

鄭先鋒,劉 剛

(1.河南機電高等專科學校電氣工程系,河南 新鄉(xiāng) 453003;2.河南機電高等專科學校自動控制工程系,河南 新鄉(xiāng) 453003)

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基于作物水脅迫聲發(fā)射技術與Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡的精細灌溉系統(tǒng)的設計

鄭先鋒1*,劉 剛2

(1.河南機電高等專科學校電氣工程系,河南 新鄉(xiāng) 453003;2.河南機電高等專科學校自動控制工程系,河南 新鄉(xiāng) 453003)

設計了基于Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡與作物水脅迫聲發(fā)射技術的精細灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過聲發(fā)射傳感器采集作物需水信息,通過Zigbee網(wǎng)絡發(fā)送至遠程服務器,服務器根據(jù)采集信息進行精細灌溉。軟件系統(tǒng)采用VC++6.0和LabVIEW編寫。實驗結果表明該系統(tǒng)界面友好,操作簡單,能對作物需水量進行準確的判斷,能夠很好的實現(xiàn)精細灌溉。

精細灌溉;Zigbee;LabVIEW;作物水脅迫;聲發(fā)射技術

精細灌溉可以有效的解決中國農(nóng)業(yè)水資源利用率低、浪費嚴重等問題[1-3]。但是實施精量灌溉需要解決2個問題:(1)準確采集到農(nóng)作物需水的信息;(2)采用先進且成本較低的遠程信息傳輸技術;國內外的研究學者針對精細灌溉的兩方面做出了大量的研究。目前,已有多種傳感器投入了使用,如檢測土壤含水量、溫度、環(huán)境溫度、農(nóng)田小氣候等類型的傳感器。多種信息傳輸技術也應用與精細灌溉技術中。但是從目前的發(fā)展現(xiàn)狀來看還有明顯的不足,主要表現(xiàn)在:(1)多種傳感器的應用成本過高,投入資金過大,不適宜大規(guī)模推廣。(2)常用的灌溉控制系統(tǒng)主要采用有線方式,節(jié)點布置不靈活,安裝維護困難[4-5]。

近年來,作物水脅迫發(fā)聲技術和無線傳感器網(wǎng)絡陸續(xù)應用到了精細灌溉研究體系中,為精細灌溉的研究提供了很好的技術路線[6-8]。其中,作物水脅迫聲發(fā)射技術,用于檢測作物是否缺水。通俗的講,就是作物在缺水的時候會發(fā)出聲音,這種聲音可以通過聲發(fā)射傳感器檢測。國內外學者對該技術進行了深入的研究和應用,但主要側重于采用有線的數(shù)據(jù)傳輸方式組成傳感器網(wǎng)絡,系統(tǒng)成本高,不適于在大田中普遍推廣。

綜上所述,無線傳感器網(wǎng)絡與作物水脅迫聲發(fā)射技術的結合構建的系統(tǒng)還不多見。本文即結合無線傳感器網(wǎng)絡與作物水脅迫聲發(fā)射技術,設計了精細灌溉系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的總體設計

基于精細灌溉系統(tǒng)的功能需求,所涉及的系統(tǒng)如圖1所示。整個無線傳感器網(wǎng)絡采用星形拓撲結構。系統(tǒng)的聲發(fā)射傳感器節(jié)點和噴滴灌節(jié)點布置在農(nóng)作物種植區(qū)。聲發(fā)射傳感器節(jié)點用于檢測1 kHz～300 kHz頻率范圍的作物聲發(fā)射信號,傳感器節(jié)點上的無線射頻模塊將采集數(shù)據(jù)通過無線傳感器網(wǎng)絡傳送至遠程服務器。遠程服務器對接收到的數(shù)據(jù)進行分析和保存,并通過無線傳感器網(wǎng)絡將結果輸出以控制作物生產(chǎn)區(qū)的噴滴灌控制節(jié)點的閥門開閉時間。遠程服務器將監(jiān)測信息與控制閥門關閉的信息通過Internet網(wǎng)絡實現(xiàn)信息共享在系統(tǒng)中可以采用移動設備PDA實時查詢任何一部分的情況。

圖1 系統(tǒng)的總體設計框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)中有兩種無線傳感器節(jié)點,分別是聲發(fā)射傳感器節(jié)點和噴滴灌控制節(jié)點。這兩種節(jié)點都采用了一樣的控制器模塊和無線射頻模塊,兩種節(jié)點根據(jù)各自功能再配以不同的功能擴展電路模塊。如圖2所示為聲發(fā)射傳感器節(jié)點,控制器模塊采用型號為STM32F107的ARM處理器,無線射頻模塊采用CC2530,控制器模塊和無線射頻模塊通過SPI接口方式連接。CC2530工作在2.4 GHz頻段,具有自組網(wǎng)的功能,可以使用戶用較少的時間成本完成整個系統(tǒng)的組建。

聲發(fā)射傳感器采用美國PAC公司生產(chǎn)的AE傳感器R15型。負責感知微弱的信號并通過AD轉換電路、信號調理電路等將信息發(fā)送給控制器模塊。聲發(fā)射傳感器節(jié)點主要采用太陽能供電方式,太陽能電源模塊由3個部分構成:光伏發(fā)電方陣、充放電控制單元、蓄電池。光伏發(fā)電模塊采用單晶硅光伏發(fā)電組件,該組件的光電轉換效率較高。充放電控制單元負責電池組的充放電過程。蓄電池采用磷酸鐵電池組。電源轉換部分采用LP2590-3.3芯片把電池電壓轉換成3.3 V電壓,整個傳感器節(jié)點電流消耗為75 mA,能耗為247.5 mW,太陽能供電模塊的輸出功率為10 W,完全能夠滿足節(jié)點能耗需求。本設計中采用美信公司的DS2780計算鋰電池剩余電量。DS2780的DQ引腳與STM32F107的IO口相連,電池的剩余電量信息通過IO口送入控制器中。遠程服務器可以及時的了解各個傳感器節(jié)點的剩余電量。

圖2 聲發(fā)射傳感器節(jié)點結構框圖

噴滴灌控制節(jié)點如圖3所示,控制器模塊與噴滴灌控制閥相連接,控制器根據(jù)接受到的指令控制噴滴灌頭的開閉。由于噴滴灌控制閥多采用JD11SA-6型,線圈交流電壓為220 V,采用市電供電。噴滴灌控制節(jié)點采用市電供電的方式,市電經(jīng)過降壓、整流后接入LP2590-3.3芯片轉換成3.3 V電壓,供給其他模塊電路。控制器模塊和噴滴灌控制閥之間需要采用光耦隔離,以此避免強電干擾。

圖3 噴滴灌控制節(jié)點結構框圖

網(wǎng)關節(jié)點可以和所有的節(jié)點實現(xiàn)通信,主要是負責將各個傳感器節(jié)點的采樣數(shù)據(jù)通過GPRS方式或Internet方式轉發(fā)給遠程服務器,同時遠程服務器的執(zhí)行指令發(fā)至網(wǎng)關節(jié)點后再由網(wǎng)關節(jié)點傳遞給各個節(jié)點。網(wǎng)關節(jié)點在結構上與傳感器節(jié)點類似,但本身集成了以太網(wǎng)接口、GSM接口等。

3 系統(tǒng)軟件設計

Zigbee的網(wǎng)絡協(xié)議主要是基于TI公司的Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)的。Z-Stack協(xié)議棧中的協(xié)議部分的代碼已經(jīng)被設置好,只需在應用層方面進行開發(fā)即可。

協(xié)議棧通過初始化后實現(xiàn)網(wǎng)絡建立,然后協(xié)議棧負責傳感器節(jié)點和上位機的數(shù)據(jù)交換。Zigbee節(jié)點在加入網(wǎng)絡后,協(xié)議棧執(zhí)行兩個任務,一個是每個5 s向網(wǎng)關發(fā)送心跳包,網(wǎng)關將心跳包發(fā)送至上位機,上位機通過統(tǒng)計單位時間心跳包的數(shù)目來判斷傳感器節(jié)點是否離線。另外一個任務就是每個一段時間,傳感器節(jié)點將聲發(fā)射傳感器采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機。

Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡的軟件流程圖4所示。網(wǎng)關啟動之后便開始初始化射頻通道、短地址、操作系統(tǒng)等,然后對傳感器節(jié)點進行注冊并且定義配置文件,最后就可以啟動網(wǎng)絡。Z-Stack協(xié)議棧是以操作系統(tǒng)形式出現(xiàn)的,完成整個網(wǎng)絡的組網(wǎng),協(xié)議棧在查詢到有事件發(fā)生時則去執(zhí)行相應的事件。

圖4 網(wǎng)關節(jié)點和傳感器節(jié)點軟件流程圖

整個精細灌溉系統(tǒng)的上位機軟件系統(tǒng)分別由后臺管理軟件與數(shù)據(jù)管理軟件分別獨立實現(xiàn)。數(shù)據(jù)管理軟件采用了NI LabVIEW進行開發(fā),后臺管理軟件主要是基于Microsoft Visual C++6.0的實現(xiàn)。整個系統(tǒng)采用了友好的圖形化界面設計作為人機接口。系統(tǒng)由參數(shù)設置模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理和管理模塊組成。參數(shù)設置模塊主要實現(xiàn)對系統(tǒng)的各個節(jié)點參數(shù)進行設置,即每個節(jié)點數(shù)據(jù)采樣時間,每個控制閥的開閉時間等。數(shù)據(jù)采集模塊主要是對各個節(jié)點的數(shù)據(jù)進行同步采集,以及在此模塊下還可以顯示所采集的數(shù)據(jù)動態(tài)實時曲線圖。數(shù)據(jù)處理

和管理模塊主要是對接收到數(shù)據(jù)包進行濾波、數(shù)值計算、標度轉換等處理,管理者可以隨時查詢、打印。管理者可以通過Internet遠程訪問無線傳感器網(wǎng)絡中的各個節(jié)點數(shù)據(jù),同時管理者也可以通過Internet對服務器進行操作。軟件系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)管理軟件截圖

4 試驗結果

2012年7月至2012年9月,在新鄉(xiāng)市農(nóng)科院的試驗田中布置整個精細灌溉系統(tǒng)。8個傳感器節(jié)點和8個噴滴灌控制節(jié)點采用星形拓撲結構布置在試驗田中,節(jié)點的通信半徑為20 m,節(jié)點布置完畢后啟動系統(tǒng),各節(jié)點在2 min內完成自組網(wǎng)絡。通過實驗發(fā)現(xiàn),當有節(jié)點的刪除或者新節(jié)點加入時都會導致整個網(wǎng)絡拓撲結果發(fā)生變化,需要1 min左右的調整時間。試驗田采用一主管加多支管的梳狀輸配水管網(wǎng),每個噴滴灌閥門與無線傳感器節(jié)點連接。噴滴灌控制節(jié)點對各種控制指令的響應時間小于15 s。

系統(tǒng)中傳感器節(jié)點的采樣時間設置為2 s,當每2 s接收到的聲發(fā)射信號頻次多于2次,遠程服務器就會發(fā)出控制指令給噴滴灌閥門實施灌水。通過試驗表明,當采用精細灌溉系統(tǒng)進行自動灌溉的用水量要比人為經(jīng)驗用水量減少26%～33%。精細灌溉的模式對作物生長與人為經(jīng)驗灌溉沒有任何區(qū)別,但是精細灌溉對節(jié)水效果非常明顯。具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 按聲發(fā)射信號控制灌溉月灌溉頻次和灌水量及作物長勢

5 結論

國內現(xiàn)有的精細灌溉系統(tǒng)大部分采用有線數(shù)據(jù)傳輸方式,如:RS-485總線,CAN總線等。這類依靠有線的數(shù)據(jù)傳輸模式,布線比較困難,且成本高昂。國內采用無線數(shù)據(jù)通訊方式進行精細灌溉的系統(tǒng),在無線射頻模塊上采用nRF905,這種方式數(shù)據(jù)傳輸可靠性不高,無法實現(xiàn)傳感器模塊的組網(wǎng)。本文設計的基于作物水脅迫聲發(fā)射和Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡的精細灌溉系統(tǒng),進行初步的試驗驗證,結果表明:(1)該系統(tǒng)通過采集并分析作物的聲發(fā)射信號,以此實現(xiàn)自動、實時、適量的灌溉。(2)管理人員可以在任何時間、地點通過PDA或者計算機獲取各個傳感器節(jié)點的參數(shù)。(3)與傳統(tǒng)的依靠人為經(jīng)驗灌溉的方式相比,該系統(tǒng)具有布置簡單、能耗低、擴展節(jié)點靈活等優(yōu)點。

本文是在設施農(nóng)業(yè)發(fā)展中做出的探索性研究,整個精細灌溉系統(tǒng)還需要進一步的改善,下一步的工作重點是:

(1)在整個系統(tǒng)的硬件設計方面需要對節(jié)點的硬件電路進行改善,增加通信距離,提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_率。

(2)無線傳感器網(wǎng)絡的安全問題需要進一步的改善。

[1]高峰,俞立,張文安,等. 基于無線傳感器網(wǎng)絡的作物水分狀況監(jiān)測系統(tǒng)研究與設計[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報,2009,25(2):107-112.

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鄭先鋒(1972-),男,漢族,河南人,碩士,副教授,中國電工技術學會高級會員,河南省自動化學會會員,主要從事測控技術、電氣絕緣測試等方面的科學研究,hnxxzxf@126.com。

DesignofPrecisionIrrigationSystemBasedonWaterStressandWirelessSensorNetwork

ZHENGXianfeng1*,LIUGang2

(1.Department of Electrical Engineering Henan Mechanical and Electrical Engineering College,Xinxiang He’nan 453003,China;2.Department of Automatic Control Engineering Henan Mechanical and Electrical Engineering College,Xinxiang He’nan 453003,China)

In order to accurately determine the crop water requirement and the proper strategy of precision irrigation,a precision irrigation system based on Zigbee wireless sensor networks and water stress technology was designed. The Zigbee was used to transmit the irrigation control signal,collect the sample data. LabVIEW and VC++6.0 were adopted to design the software system. The test results show that the system has friendly interface and is easy to use.

precision irrigation;Zigbee;LabVIEW;water stress;acoustic emission technology

2013-11-26修改日期:2013-12-12

S274.2

:A

:1005-9490(2014)06-1189-04

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.036