基于6LoWPAN的水肥一體化滴灌系統設計

胡 國 強

(西北農林科技大學網絡與教育技術中心，陜西 楊凌 712100)

眾所周知，中國農業用水資源短缺及用水浪費現象非常嚴重，是目前中國在農業灌溉方面所面臨的嚴峻問題。相關研究表明，當前灌溉水利用系數低，農業用水的有效利用率僅為43%左右，遠低于歐洲等發達國家70%～80%的水平[1]。與此同時，化學肥料的利用率低，施用后沒有被作物吸收利用的肥料大量進入環境，對環境造成污染，不僅破壞了土地資源，而且對人類健康也構成了威脅[2,3]。水肥一體化技術是將灌溉與施肥融為一體的農業新技術[4]，不僅能有效提高水肥的利用效率，減少資源浪費，同時提高了農作物產量，節約了勞動力。

目前，國內已有專家和學者對精準灌溉的課題開展研究，嚴寒和嚴華利用CAN和ZigBee技術實現了農田自動化滴灌系統[5]；楊婷和汪小旵基于ZigBee無線傳感網絡設計了自動滴灌系統[6]；賈艷玲和劉思遠在葡萄園中利用ZigBee技術設計了智能灌溉系統[7]；趙榮陽等對ZigBee的智能農業灌溉系統進行了研究[8]；安進強等對基于物聯網的精確灌溉控制技術進行了研究[9]；袁志強等設計了應用于農業噴灌系統的無線傳感網絡[10]；李加念和倪慧娜實現了基于無線傳感器網絡的小粒種咖啡園滴灌自動控制系統[11]；汪金營將溫室農作物自動滴灌測控系統應用在節水灌溉領域[12]；Krishna N. M.和Marutheswar G. V.實現了基于GPRS和ZigBee的自動灌溉監控系統[13]；Yavuz D.等設計并實現了可提高馬鈴薯產量的滴灌管理系統[14]；Mathew A. I.和Kumar R.利用無線傳感器網絡、物聯網和云計算相結合的方法實現了滴灌管理系統[15]。以上研究都是利用各種技術實現精細化灌溉系統，現在國內已使用的遠程灌溉系統普遍使用ZigBee協議來傳輸采集的數據，導致現有的遠程灌溉系統傳感節點能耗高，整個傳輸網絡延遲大。針對現有遠程灌溉系統的不足，選用6LoWPAN技術構建精細化灌溉系統。

隨著IPv4地址的耗盡，IPv6是大勢所趨。物聯網技術的發展，將進一步推動IPv6的部署與應用[16]。IETF 6LoWPAN技術具有無線低功耗、自組織網絡的特點，是物聯網感知層、無線傳感器網絡的重要技術，ZigBee新一代智能電網標準中SEP2.0已經采用6LoWPAN技術[17]，隨著美國智能電網的部署，6LoWPAN將成為事實標準，全面替代ZigBee標準。6LoWPAN支持與其他802.15.4設備的互通，同時通過簡單的橋設備很容易與其他IP網絡的互通。ZigBee網絡和非ZigBee網絡之間的通信需要非常復雜的應用層網關。

鑒于6LoWPAN無線傳感網絡的優勢，提出一種基于6LoWPAN的水肥一體化智能滴灌系統。該系統將6LoWPAN傳感器網絡應用于土壤濕度與溫度的監測和電磁閥的控制，用戶可以通過上位機軟件實時獲取土壤環境數據，及時對農作物進行水或水肥灌溉，以保證農作物的產量和品質。

1 系統設計

1.1 系統實現的主要功能

(1)土壤濕度和溫度的采集和傳輸。終端用戶可以通過互聯網登錄上位機軟件查看采集的信息。

(2)點到點的數據訪問和控制。用戶不僅可以實時監測土壤濕度和溫度信息，而且可以對傳感器節點的電磁閥進行控制。

(3)土壤濕度異常時及時告警并打開電磁閥進行水或水肥灌溉。

1.2 系統的總體結構

系統按照功能分2大部分：滴灌管網和基于6LoWPAN的WSN智能滴灌。

滴灌管網設計如圖1所示，水泵經過主管將水或水肥輸送到各個毛管，毛管上安裝電磁閥，控制灌溉。電磁閥、土壤溫濕度傳感器集成在6LoWPAN傳感節點上。

圖1 滴灌管網Fig.1 Drip irrigation pipe network

基于6LoWPAN的WSN智能滴灌部分可劃分為3個模塊。

(1)6LoWPAN 網絡。由6LoWPAN傳感節點和邊緣路由器組成，用于采集環境數據或者根據后臺指令執行具體的操作。

(2)傳輸網絡。用于感知數據遠程傳輸，將監測的數據通過互聯網進行傳輸。

(3)終端用戶。在PC或手機上安裝上位機軟件管理智能滴灌系統的人員。

具體設計如圖2所示。6LoWPAN無線傳感器網絡由6LoWPAN傳感器節點組成，每個節點均可配置IPv6地址，采用樹形組網方式。6LoWPAN無線傳感器網絡通過6LoWPAN路由器將監測的數據傳輸到移動互聯網，用戶可通過互聯網與傳感節點進行點到點通信，實時監測土壤濕度和溫度數據及遠程控制灌溉。

主要設計6LoWPAN的WSN智能滴灌部分，分為硬件設計和軟件設計。

圖2 系統總體架構Fig.2 Overall system architecture

2 智能滴灌系統硬件設計

2.1 6LoWPAN傳感器節點硬件設計

傳感器節點由RF收發器、微控制單元(Microcontroller Unit，MCU)、電磁閥和傳感單元4部分組成，具體設計如圖3所示。

圖3 傳感節點硬件架構Fig.3 Sensor node hardware frame

選用的處理器為ARM Cortex-M3，MCU高達48 MHz 的時鐘速度，512 KB閃存，32 KB緩存 。RF收發器采用CC2538芯片，它支持2.4 GHz射頻和IEEE 802.15.4協議。電磁閥選用脈沖電磁閥，其脈沖寬度30 ms，工作壓力0.02～1.00 MPa。傳感器采用土壤溫濕度傳感器，其輸出電壓為0～2 V，輸出電流為4～20 mA，支持RS485通信。

傳感單元感知土壤環境數據后發送到傳感節點的MCU處理，處理后經過RF收發器發給6LoWPAN路由器。傳感器節點通過RF收發器接6LoWPAN路由器的數據包，MCU對數據包進行處理后發送命令給傳感單元或發送控制命令給電磁閥進行灌溉。

2.2 6LoWPAN路由器硬件設計

6LoWPAN路由器設計的時候要考慮到6LoWPAN子網和IPv4/IPv6網絡互聯。6LoWPAN路由器采用支持IPv4/IPv6的雙USB接口的OpenWrt路由器，它通過2個串口與6LoWPAN協議的傳感節點和WIFI模塊連接。設計好的綜合網關應有基本協議解析功能，包括6LoWPAN協議以及IPv6和IPv4 協議棧。本平臺中的網關的硬件框架包括3個組成部分：支持6LoWPAN協議的路由節點、WIFI模塊、OpenWrt路由器，如圖4所示。

圖4 6LoWPAN路由器硬件框架Fig.4 6LoWPAN Router hardware frame

OpenWrt路由器和WIFI模塊的硬件配置如下。

(1)OpenWrt路由器。 CPU MediaTek MT7620A MIPS 24 K 580 MHz，FLASH 128 MB，DRAM內存為256 MB ，支持802.11 b/g/n。

(2)WIFI模塊。支持 802.11 b/g/n協議，工作頻率為2.4～2.5 GHz，工作電壓為3.0～3.6 V。

3 智能滴灌系統軟件設計

3.1 6LoWPAN傳感器節點軟件設計

無線傳感器節點和邊界路由器6LoWPAN模塊移植Contiki操作系統，Contiki是一套物聯網開源操作系統。其中基于Contiki的 SICSlowpan以其開源、可移植性好、超輕量級、長期維護等優勢得到了廣泛關注，SICSlowpan符合RFC4944標準，實現了頭部編碼壓縮片、地址分配等功能，具有較好的互操作性[18]。

傳感器節點加電后，Contiki系統開始初始化，處于監聽邊緣路由器的狀態。邊緣路由器一旦通過6LoWPAN無線傳感器網絡發送來數據包，傳感器節點就對該數據包進行解析。解析結果是采集土壤濕度指令，傳感器節點就采集土壤濕度，將當前傳感器狀態信息和采集信息通過RF射頻模塊發送給邊緣路由器；解析結果如果是控制電磁閥的指令，傳感器節點將會控制所連接的電磁閥，將最終狀態信息通過RF射頻模塊發送給邊緣路由器[19]。傳感器節點軟件設計流程圖如圖5所示。

圖5 傳感節點軟件設計框架Fig.5 Sensor node software design flow diagram

3.2 6LoWPAN路由器軟件設計

邊緣路由器上電初始化之后，處于監聽UDP端口信息狀態，等待上位機軟件發來指令。一旦接收到上位機發送的指令，先解析數據包，解析后的數據包由邊緣路由器的RF射頻模塊向6LoWPAN無線傳感網絡發送數據報文。在設置的時間段內，不管6LoWPAN無線傳感網絡有沒有響應邊緣路由器[19]，邊緣路由器都會將響應狀態通過WLAN網絡發送給上位機軟件。邊緣路由器軟件設計流程圖如圖6所示。

圖6 6LoWPAN路由器軟件設計流程圖Fig.6 6LoWPAN router design flow diagram

3.3 上位機軟件設計

3.3.1 上位機軟件設計的原則

(1)出于節能的考慮，采用UDP(User Datagram Protocol)協議來傳輸數據。系統采用IP地址+端口號的方式標識不同的感知和控制服務。

(2)支持多終端訪問，用戶可以通過不同的終端來訪問，如PC、安卓手機、蘋果手機等。

(3)軟件運行穩定，管理界面直觀。

3.3.2 上位機軟件實現

基于設計原則考慮，采用LabVIEW程序開發環境實現。LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種圖形化的編程語言的開發環境[20]，它廣泛地被工業界、學術界和研究實驗室所接受，被視為一個標準的數據采集和儀器控制軟件。研究利用LabVIEW創建Web Service 服務，用戶可以通過在瀏覽器上輸入 URL來請求Web Service服務以獲取智能滴灌系統VI。

Web Service 服務創建流程：

(1)啟動LabVIEW網絡服務器及Web service。

(2)在LabVIEW項目創建智能滴灌系統VI。

(3)設定URL請求對應表，指定何種URL會執行那些VI。

(4)生成調試好的Web Service后，將其部署于服務器。

用戶通過終端獲取智能滴灌系統VI可遠程實時監測土壤濕度和溫度數據或控制6LoWPAN傳感器節點集成的電磁閥進行灌溉。

4 系統試驗驗證

4.1 6LoWPAN網絡與IPv4網絡互通試驗

在實驗室隨機設置一個節點，節點IPv6地址為FC00::0212:4b00:053d:7789。該節點開啟了2個任務，占用2個端口，其中5683是CoAP協議使用的端口，12346端口作UDP傳輸用。6LoWPAN路由器IPv6地址為FC00::0212:4b00:0612:8e25，從校園網獲取IPv4地址210.27.82.231。傳感節點加入6LoWPAN路由器創建的6LoWAPN網，如圖7所示。

圖7 6LoWPAN路由器串口顯示圖Fig.7 6LoWPAN Router serial display

為了方便用戶通過IPv4網絡訪問，在網關上作了NAT64轉換。測試機從校園網獲取IPv4地址(210.27.82.130)，通過CoAP協議訪問，如圖8所示。

圖8 CoAP訪問6LoWPAN路由器Fig.8 CoAP access 6LoWPAN router

該試驗說明，6LoWAPN網絡搭建成功，在IPv4環境下用戶可以通過CoAP協議訪問6LoWPAN路由器，即6LoWPAN網絡與IPv4網絡可以相互通信。

4.2 實驗室環境系統運行試驗

在實驗室環境下，隨機設置2個6LoWAPN節點，將溫度傳感器和土壤濕度傳感器、脈沖電磁閥連接到傳感節點的引腳上，將3個傳感器對應的驅動寫進6LoWAPN節點的Contiki系統，配置Contiki系統的IPv6地址。安裝上位機軟件的PC機直連6LoWAPN路由器，用戶通過上位機管理軟件每隔6 s發送請求來獲取土壤濕度和溫度數據。節點1的土壤溫濕度傳感器插進花盆1，節點2的土壤溫濕度傳感器插進花盆2，試驗結果如圖9所示。

實驗表明，該系統能實時監測壞境溫度和土壤濕度，可以在上位機軟件設置監測范圍，土壤濕度異常時，可以控制電磁閥灌溉。

圖9 系統試驗結果Fig.9 System test results

5 系統測試

在溫室大棚環境下，隨機布置一個6LoWPAN傳感節點和一個ZigBee傳感節點，兩個節點都連接好土壤溫濕度傳感器和電磁閥。在其附近部署一個無線綜合網關，上面集成6LoWPAN模塊和ZigBee模塊，安裝LabVIEW軟件的筆記本通過WIFI訪問無線綜合網關，測試拓撲如圖10所示。

圖10 測試拓撲Fig.10 Test topology

打開安裝LabVIEW軟件的筆記本，可以從綜合網關獲取IPv6地址，然后通過ping命令獲取到6LoWPAN傳感節點的傳輸時間。ZigBee滴灌系統的傳輸時間由2部分組成，即筆記本和綜合網關之間的傳輸時間和ZigBee節點之間ZigBee協調器的傳輸時間。分別記錄4組不同距離且3個不同位置2套網絡之間的傳輸時間，ZigBee滴灌系統傳輸時間如表1所示，6LoWPAN滴灌系統傳輸時間如表2所示。

對比測試結果，6LoWPAN滴灌系統傳輸時間比ZigBee滴灌系統傳輸時間短，系統時延小。

表1 ZigBee滴灌系統傳輸時間Tab.1 Transmission time of ZigBee drip irrigation system

表2 6LoWPAN滴灌系統傳輸時間Tab.2 Transmission time of 6LoWPAN drip irrigation system

6 結 論

設計了一套基于6LoWPAN無線傳感器網絡的水肥一體化智能滴灌系統，該系統將WSN通過6LoWPAN路由器的WIFI模塊直接接入IPv4/IPv6網絡，實現了6LoWPAN網絡跟IPV4/IPV6網絡的互相通信，用戶可以遠程獲取農作物土壤溫度和土壤濕度數據并通過控制電磁閥以保障土壤濕度數據在設定范圍內。測試結果表明，基于6LoWPN的WSN與IPv4/IPv6網絡可以相互通信，系統能準確獲取土壤溫度和濕度數據，6LoWPAN滴灌系統時延小。

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