太陽能無線微灌控制系統的應用設計及測試

陳君梅，孫道宗，葉 娟

(1.廣東科學技術職業學院，廣州 510640；2.華南農業大學工程學院，廣州 510642)

0 引 言

微灌技術在我國節水灌溉技術中占重要地位[1,2]。世界上許多國家和地區大量應用微灌技術。微灌自動控制是現代節水灌溉發展的前沿技術，該技術的應用不僅能夠提高灌溉信息采集的時效性與準確性，同時能夠有效提高水資源的利用效率，增加作物的產量和品質[2]。在微灌技術領域，以美國和以色列水平居首[3]，以色列近年開發的可編程邏輯控制器(PLC)，通過把不同網絡連接到主機上進行數據采集和處理，開發的現代診斷式控制器，通過不同的傳感器采集信息，通過Internet 網、遠程控制、GSM等來實現數據傳輸，然后通過計算機處理信息，作出灌溉計劃[1]。

國內從20世紀70年代起也開始了相關技術研究,近十幾年來，在中央和地方政府的政策和投入激勵下，微灌技術不斷提升[4]，在作物需水信息的評價與檢測方法、灌溉方式與灌溉自動控制技術、基礎環境信息監測等方面取得了較大進展,但總體技術還是不夠成熟[2]。微灌控制系統引入無線技術，可實現微灌管理的自動化和遠程控制[5]，在基于無線傳感器網絡的微灌控制系統研究中，研究人員結合不同的監測場合，設計了多種專用的 WSN(wireless sensor network)節點[6-11]，但在實際應用中，WSN 節點的供電問題導致其生命周期較短，是制約 WSN 應用的主要瓶頸之一[12-14]，成為了限制微灌自動控制實際應用的最主要原因[15-20]。

本文將太陽能供電技術與無線傳感器網絡技術綜合應用于桃園的節水微灌控制系統中，解決目前無線節水微灌控制系統中傳感器節點壽命有限，不能長期可靠工作的問題。

1 控制系統設計

1.1 系統結構

系統采用ZigBee無線通信方式，硬件上主要由主節點、傳感器及路由節點和泵房節點三部分組成。主節點既能與電腦進行通信又可脫離電腦自行運行，用以控制傳感器及路由節點、泵房節點，將采集到的土壤濕度信息及水泵狀態信息存儲起來并發送給電腦。傳感器及路由節點根據主節點指令定時采集節點土壤濕度信息并通過多跳的方式發送給主節點，若該類節點不連接傳感器，則只充當轉發數據的路由功能，稱為路由節點，節點有低功耗模式，由太陽能和鋰電池供電。泵房節點有自動工作模式和定時模式，自動工作模式下，根據主節點指令改變電池閥及水泵狀態，定時模式則根據設定灌溉時長定時灌溉，方便用戶通過灌溉管道進行施肥、施藥等生產活動。

主節點和泵房節點分別部署在辦公室和泵房，通過市電供電，傳感器及路由節點按需部署于園區，通過太陽能電池板和鋰電池供電。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of system

在圖1中，泵房節點通過控制線控制水泵的啟、停以及各個電磁閥的開、閉，每個電磁閥負責一個灌溉區域。傳感器節點定時采集土壤濕度并以多跳、無線的方式發送給主節點，主節點根據用戶設定的土壤濕度上下限，向泵房節點發送控制指令。同時主節點把數據通過USB口將數據傳送到電腦存儲、顯示，供用戶查閱。傳感器節點根據需要部署在各個灌溉區內，如果節點間的距離較遠，則中間加入路由節點實現數據的多跳傳輸。

1.2 系統軟件

主節點上電時首先進行初始化，并等待上位機的指令。接收到上位機的正確指令之后，根據指令內容修改采集時間、休眠時間、土壤濕度上、下限等參數配置信息。當采集時間到時，發送節點采集指令、等待接收，然后將接收到的數據發送給上位機并儲存進SD卡，當設定時間內傳感器及路由節點信息沒有返回時，報告上位機進行錯誤處理。

路由節點上電時也首先進行初始化，并等待主節點的采集指令。當接收到主節點的采集指令之后，采集所需的數據并進行處理發送。如果發送成功，則傳感器及路由節點隨后的工作時間內只是充當其他傳感器及路由節點的傳輸中繼節點直至接收到主節點的睡眠指令。如果發送不成功，則延時一段時間繼續發送，如此循環直至發送成功或者接收到主節點的睡眠指令。

泵房節點上電時首先進行初始化并等待主節點的灌溉指令。當接收到主節點的灌溉指令之后，根據指令內容控制水泵開關狀態并向主節點發送水泵開關狀態信息。如果泵房節點長時間接收不到主節點灌溉指令，則認為與主節點的通訊中斷，這時啟動定時灌溉模式，按照事先設定好的順序和時間輪流開啟電池閥，直至重新接收到主節點的灌溉指令。

安裝在電腦上的上位機運行軟件含有數據接收及顯示區域，可以顯示節點號、數據接收的日期時間、土壤濕度和所對應的電磁閥狀態。可設置傳感器節點的采集周期和土壤濕度上、下限。界面中的閥門控制功能用于用戶直接控制各個電磁閥的開、閉。

2 理論計算與分析

2.1 節點功耗分析

系統中選用TDR-3土壤水分傳感器，其正常工作時電壓為5 V，電流為60 mA，其功耗的計算見公式(1)。

PTDR-3-u×i=5×60×10-3=0.3(W)

(1)

系統采用的微處理器STM32F103C8T6工作時電壓為3.3 V，休眠模式時電流為22 uA，最大工作電流小于20 mA，微處理器最大功率及最小功率計算見公式(2)、(3)。

pSTM(WORK)=u×i=3.3×20×10-3=0.066(W)

(2)

pSTM(SLEEP)=u×i=3.3×22×10-6=7.26×10-5(W)

(3)

系統采用的CC2530 ZigBee模塊工作電壓為3.3 V，發射電流為80 mA，接收電流為45 mA，ZigBee模塊的發射和接收功率計算見公式(4)、(5)。

pZigBee(TRA)=u×i=3.3×80×10-3=0.264 (W)

(4)

pZigBee(REC)=u×i=3.3×45×10-3=0.148 5(W)

(5)

系統采用LM2596和AMS1117-3.3電源芯片。其中LM2596將兩節18650鋰電池7.4V的電壓轉換成5V電壓，LM2596是開關穩壓芯片，理論上最高轉化效率達95%，使用時以85%進行計算。AMS1117-3.3將LM2596輸出的5V電壓轉換成3.3V電壓供微處理器及ZigBee無線傳感器正常工作。AMS1117-3.3是線性穩壓芯片，功耗為其電壓差與通過芯片電流的乘積。

系統工作時總電流的計算見公式(6)。

i=iZigBee+iSTM+iTDR-3=80+20+60=160 (mA)

(6)

路由節點正常工作及休眠時LM2596芯片功耗的計算分別見公式(7)、(8)。

PLM2596(WORK)=5×160×10-3×(1-85%)=0.12(W)

(7)

PLM2596(SLEEp)=5×22×10-6×(1-85%)=1.65×10-5(W)

(8)

節點正常工作及休眠時AMS1117-3.3功耗的計算分別見公式(9)、(10)。

pAMS1117-3.3(WORK)=(5-3.3)×160×10-3=0.272(W)

(9)

pAMS1117-3.3(SLEEp)=(5-3.3)×22×10-6=3.74×10-5(W)

(10)

路由節點正常工作及休眠時整體功耗的計算見公式(11)、(12)。

p(WORK)=pSTM(WORK)+pLM2596(WORK)+

pAMS1117-3.3(WORK)+pTDR-3+pZigBee(TRA)=

0.066+0.12+0.272+0.3+0.264=1.022(W)

(11)

p(SLEEP)=pSTM(SLEEP)+pLM2596(SLEEP)+pAMS1117-3.3(SLEEP)=

7.26×10-5+1.65×10-5+3.74×10-5=1.265×10-4(W)

(12)

2.2 太陽能充電能力計算

本系統采用的太陽能充電板輸出電壓最大值為17.5 V，輸出最大電流為0.59 A。太陽能充電功率的計算見公式(13)。

pSOLAR=17.5 V×0.59 A=1.325 W

(13)

太陽能充電芯片CN3722將17.5 V轉換成給鋰電池充電的7.4 V電壓。假設平均每天太陽能充電電路有效工作6 h，太陽能轉化成電能效率為75%，則每天能存儲的電能計算見公式(14)。

ECHARGING=17.5 V×0.59 A×75%×6 h=46.462 5 W·h

(14)

2.3 節點壽命計算

假設路由節點每小時喚醒4次，每次工作20 s，其余時間則進入待機狀態，則路由節點一天所消耗的電能計算見公式(15)。

Q=[p(WORK)+t(WORK)+p(SLEEP)×t(SLEEP)]×24=

[1.022 W×(4×20/3 600) h+1.26×10-4W×

(3 520/3 600) h]×24=0.548 W·h

(15)

系統采用的充電電池容量為6 000 mAh，路由節點工作時最大電流小于160 mA，若睡眠電流忽略不計，則節點在不充電情況下，所能工作的時間約為70 d，計算公式見(16)。

t≈[E(BATTERY)/i×(t/t(WORK))]/24h=

6 000mAh/160mA×(3 600/80)/24h=70d

(16)

綜上所述，系統中的傳感器及路由節點，在沒有充電的情況下，以每小時喚醒4次，每次工作20 s的節奏，可以獨立工作70 d。在太陽能電池板正常工作時，由于太陽能電池板的充電電能遠大于傳感器及路由節點的耗電電能，即 ，所以傳感器及路由節點可以長期正常工作，節點壽命得到極大延長，保證了通信的可靠性。

3 試驗與分析

控制系統自2015年12月6日開始在廣東省連平縣警雄農業合作社鷹嘴桃園進行應用測試，試驗區面積約為5 hm2，分為3個灌溉區域，部署了8個傳感器及路由節點，1個主節點和1個泵房節點，主節點安裝于山下的辦公區，泵房節點在半山腰的泵房中，山坡上種植鷹嘴桃，最遠的傳感器及路由節點距離主節點約200 m。

3.1 節點能耗試驗

傳感器及路由節點不連接太陽能電池板，僅由電池獨立供電，以15 min喚醒一次，每次工作20 s，每天試驗時間為12 h，于每天開始試驗和結束試驗時各測量一次電池電壓，計算電壓降，連續測量5 d，以此來估算實際網絡節點的功耗。測量數據如表1。表中ID代表節點的地址，其中04號節點距離主節點01號節點最近。

由表1可知，當不連接太陽能電池板，僅由電池獨立供電時，距離主節點最近的04號節點單日電壓降最大為26 mV，以電池的額定端電壓7 400 mV計算， 04號節點單日電壓最大降幅為0.35%，其他節點的單日電壓降幅大部分在0.14%以內。

將傳感器及路由節點連接太陽能電池板，連續5天測量電池的端電壓，數據如表2所示。

由表2可知，當連接太陽能電池板后，節點電源端電壓大于額定電壓，并在電池額定電壓附近波動。

表3為各個節點每天轉發數據包的個數。

表1 各節點電壓降統計表 mV

表2 充電后各節點端電壓統計表 mV

表3 各節點轉發數據包統計表 個

由表3可知，距離主節點最近的04號路由節點每天轉發的數據包最多。由于04號路由節點所轉發的數據包數量并不等于其他傳感器及路由節點所產生的數據包總和，所以網絡中還存在數據冗余或數據直接發送至主節點的現象，節點的路由算法和部署方式需要進一步優化。根據表1和3的數據，可得到傳感器及路由節點每天功耗和轉發數據包個數的關系如圖2所示。

圖2 節點功耗和轉發數據包數的關系圖Fig.2 Diagram of node power consumption and forwarding packets

由圖2可知，無線模塊能耗占節點能耗的主要部分，同時轉發數據包越多，節點主模塊能耗隨著增加；傳感模塊消耗的能量基本和采集數據的密度成正比，采集時間間隔越短，消耗能量越多，反之越少。

3.2 控制功能測試

隨機選取一個灌溉區域作為測試對象，設定土壤濕度下限為15%，土壤濕度上限為35%，人為逐步改變該灌溉區域內傳感器節點周圍的土壤濕度，觀察水泵、電磁閥的受控情況。采用TRIME-FM土壤水分測量系統同步測量土壤濕度作為參考。測試情況如表4所示。

表4 控制系統的功能測試數據1Tab.4 The test data 1 of the control system

采用不同濕度的土樣，將傳感器隨機插入各土樣中，觀察水泵和電磁閥的工作狀態，測試數據如表5所示。

表5 控制系統功能測試數據2Tab.5 The test data 2 of the control system

由表4和表5可見，當傳感器節點采集到土壤濕度有變化時，根據用戶設定的土壤濕度上、下限值，系統可以成功控制水泵和電磁閥的工作狀態。

4 討論與展望

本文設計的太陽能無線微灌控制系統，通過設計合理的電源電路，使傳感器及路由節點的耗電速度低于太陽能電池板的充電速度，實現能量自給，有效延長了節點的壽命，保證了無線通信的穩定性。節點能可靠地將控制命令以無線的方式發送至泵房節點，并根據用戶設定的土壤濕度上限、下限自動控制水泵的啟動、停止以及電磁閥得開、閉，實現按需灌溉。但也存在以下問題有待于進一步探索：

(1)節點的耗電量不均勻。由于節點的耗電量與節點轉發的數據包有關系，耗電量不均勻說明節點轉發的數據包數量有差異，需進一步優化路由算法，使得每個節點所承擔的任務相同或相近，以盡可能實現耗電均勻。

(2)距離主節點最近的傳感器及路由節點轉發的數據包并不等于其他節點所產生的數據包總和，說明無線通信網絡內存在數據冗余現象，同一個數據包可能被不同的節點反復地傳遞。

(3)選擇更為合適的太陽能電池板，以充分匹配各個傳感器及路由節點的耗電量，減小節點的體積和降低成本。

(4)僅部署了8個傳感器及路由節點和1個主節點、1個泵房節點，尚未進行大規模組網時數據傳輸的可靠性及穩定性測試。

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