基于無線傳感器的棉田土壤墑情監控系統設計

方 圓,張立新,2,胡 雪,2,楊洪坤,陳可圣,王有偉

(1.石河子大學 機械電氣工程學院,新疆 石河子 832000;2.兵團工業技術研究院,新疆 石河子 832003)

0 引言

棉花是我國種植業中產業鏈最長的大田經濟作物,商品率高達95%以上[1],作為新疆主要的大田農作物,對新疆農業的生產和經濟的發展有著舉足輕重的作用[2]。新疆農業用水占到全社會用水量的 95%,水資源十分緊缺,大力發展節水灌溉至關重要[3]。許多學者針對棉田的灌溉和水資源利用開展了大量研究。吳程等[4]對棉田土壤水分特征進行了分析,得出棉田苗期、蕾期、花鈴期、吐絮期的耗水強度分別為0.63、2.62、7.01、0.71mm/天。朱李英等[5]研究表明：田間持水量在 50%～80%范圍內對棉花的生長比較適宜。目前,棉田的主要灌溉方式為滴灌,通過人工控制滴灌時間和滴灌量,不僅耗時費力,還達不到精細種植,影響棉花的產量。所以,對棉田土壤的含水率進行實時監測,并通過控制智能水閥維持田間含水率十分必要。

無線傳感器網絡是一種自組性的、低成本的無線網絡,傳感器終端節點能夠實時監測網絡分布范圍內的被監測對象的相關信息,并通過無線傳輸的方式接收和發送數據信息。利用無線傳感器和ZigBee模塊等構建的無線傳感器網絡可應用于水產養殖、礦井開采、環境監測和智慧農業等多個領域。Minghua Shang等[6]利用無線傳感器開發了一種綜合性能明顯優于傳統的溫室監測系統。Xi Wang等[7]利用ZigBee模塊和RS232串行端口等構建了農業無線溫濕度傳感器網絡。邢秋芬等[8]運用VB語言設計研發了農業溫室大棚的無線網絡溫濕度數據采集與監測系統。鄧芳明等[9]設計了一種基于無源射頻識別(Radio frequency identification,RFID)傳感標簽,將無線射頻和無線傳感器結合應用于農田土壤環境的監測。宋晗[10]設計了基于ZigBee的土壤墑情自動監測系統設計,以MSP430F149為微控制器對土壤數據進行實時監測。本文設計了一種基于無線傳感器的棉田土壤墑情監控系統,采用無線傳感器實時監測土壤的溫濕度信息,利用ZigBee模塊和GPRS模塊實現數據信息的近遠程傳輸,通過上位機界面以波形圖的形式直觀顯示土壤溫濕度,并將數據信息以數據表格的形式存入SQL數據庫中,單片機通過驅動電路控制智能水閥,保證棉田土壤的含水率。本系統具有成本低和布置簡單、靈活的特點,實現了棉田土壤溫濕度信息監測、控制及數據管理等功能,有利于新疆智慧農業的實現。

1 系統設計

基于無線傳感器的棉田土壤墑情監控系統包括硬件系統和軟件系統兩個部分：硬件系統由無線溫濕度傳感器、單片機、智能水閥、ZigBee模塊、電源模塊、網關和上位機組成,主要用于棉田土壤溫濕度數據的監測、處理與智能水閥開關的控制,并將采集到的數據通過ZigBee網關發送給上位機;軟件系統主要用于含水率數據的實時監測和智能水閥的開關控制,使用LabVIEW建立顯示界面以波形圖的形式直觀展現土壤含水率和溫度,并對采集信息和灌水記錄存入SQL數據庫,便于數據的查詢與追溯。系統基本功能包括含水率和溫度的實時監測與顯示、智能水閥的開啟與關閉,以及溫濕度數據和灌水量的統計。基于無線傳感器的棉田土壤墑情監控系統結構,如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 System structure diagram

系統主要包括傳感節點、ZigBee網關和上位機應用3個部分,由基于ZigBee模塊的無線溫濕度傳感節點和ZigBee網關實現數據的傳輸與通信。傳感器節點與ZigBee網關通過ZigBee模塊進行近距離無線通信,ZigBee網關與上位機之間通過網關內置的GPRS模塊進行遠距離的數據傳輸。采用無線溫濕度傳感器實時采集棉田土壤含水率和溫度信息,并由單片機進行數據處理和控制智能水閥開關;通過ZigBee模塊將信息傳輸至網關,傳感器節點由太陽能電池模塊提供電源,完成棉田土壤含水率監控。為了充分利用水資源、減少資源浪費,設定土壤含水率的下限為50%,上限為80%。當土壤含水率低于設定的下限值時單片機通過驅動電路控制智能水閥開啟,當含水率高于設定的上限值時,單片機通過驅動電路控制智能水閥關閉,實現棉田土壤含水率的精準控制。

2 傳感節點的設計

2.1 硬件選型

基于無線傳感器的棉田土壤墑情監控系統主要硬件包括溫濕度傳感器、單片機、智能水閥、ZigBee模塊、電源模塊、ZigBee網關和上位機,部分硬件實物如圖2所示。

圖2 部分硬件實物圖Fig.2 Some hardware physicalPhoto

傳感器采集的信息對棉田土壤墑情監控系統至關重要,本文選用SHT20無線傳感器模塊,濕度測量精度達到±2% RH、量程為0～100%RH,溫度測量精度達到±0.3℃、量程為-40～125℃,符合系統采集要求。該模塊基于數字傳感技術,具有低能耗、抗干擾能力強和較高穩定性等優點。

ZigBee模塊選用型號為DL20的CC2530芯片,具有8種不同的波特率,可以實現點對點雙向收發,發射功率達4.5DBm,最遠通訊距離為250m,適用于新疆惡劣的農田環境。根據新疆的實際溫濕度情況和系統要求,選用工業級的STC51單片機作為傳感器節點的處理器,傳感器模塊采集的信號直接傳送至單片機,經單片機數模轉換、濾波后,通過ZigBee模塊無線傳輸至ZigBee網關。選用致遠公司研發的ZBNET-300C-U網關作為數據匯聚點,該設備是一款工業級標準設計裝置,可實現ZigBee模塊數據傳輸和遠程控制,其測量范圍覆蓋半徑可達2.5km,適用于新疆大田種植模式。

2.2 無線網絡設計

無線傳感網絡是由大量部署在田間的傳感節點和網關及上位機組成,實時監測土壤溫濕度信息,并根據采集的數據智能控制水閥的開關。系統ZigBee網絡的拓撲結構采用網狀網,各傳感器節點之間均雙向通信,是具有自愈性和多跳的組織網絡。ZigBee是遵循IEEE802.15.4標準的低功耗通信協議,無線網絡協議包括MAC層、網絡層和應用層,每層的函數均基于IEEE802.15.4標準,并嚴格按照Zig-Bee2007協議規范進行編寫[11]。在無線傳感網絡中,為了實現無線網絡的覆蓋,同時盡可能減少傳感節點能耗和數量,將少部分傳感器節點充當協調器節點,采集傳感器節點數據,并收發其它傳感器節點傳送的數據;其余大部分傳感器節點只負責數據的采集,并將數據信息傳送給最近的協調器節點,降低終端傳感器節點的能耗,如圖3所示。協調器節點和終端節點結構相同。

圖3 傳感器節點結構圖Fig.3 Sensor node structure diagram

基于ZigBee無線網絡協議組建Mesh網絡,所有傳感節點數據信息最終發送到ZigBee網關,由ZigBee網關將全部數據信息通過GPRS模塊遠距離發送至上位機。通過協調器節點建立無線網絡并管理其它傳感器終端節點的網絡申請請求和網絡地址分配,構建無線傳感網絡,實現了整個系統的數據信息采集、處理和雙向傳輸。傳感器節點程序流程圖如圖4所示。

圖4 傳感器節點程序流程圖Fig.4 Sensor node program flow diagram

2.3 智能水閥控制

智能水閥采用球閥開關,水閥與單片機連接,單片機通過驅動電路控制水閥的開啟與關閉,由太陽能電池提供電源。設定土壤含水率的下限為50%hr,上限為80%hr,并將傳感器采集的濕度數據與設定的值進行比較：當傳感器監測的含水率達到下限閾值時,單片機控制球閥開啟,自動進行棉田灌水;當含水率達到上限閾值時,單片機控制球閥關閉,保證在滿足棉花生長條件下,實現精準灌溉、精細農業,進而達到節約水資源的目的。

3 上位機的監控界面設計

Labview(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種圖形化編程語言的程序開發環境,具有強大的靈活性和直觀的邏輯概念。Labview采用連線的方式進行程序編寫,簡單易學易調試[12],用戶可以根據自己的需要輕松建立相應的虛擬儀器,圖形界面比傳統的語言編程更容易理解和驗證[13]。

本試驗利用NI LabVIEW 2016軟件編寫上位機登錄界面和監控界面(見圖5和圖6),并利用SQL sever 2008軟件建立溫濕度信息庫和灌水量記錄數據庫。把采集的溫度和濕度以波形圖的形式直觀地顯示出來,用戶可以通過監控界面實時獲知當前土壤溫濕度數據和變化趨勢等信息,并通過LabVIEW中的LabSQL模塊實現與SQL數據庫通信,把溫濕度信息和灌溉記錄等數據存入數據庫中,便于數據的追蹤溯源。

圖5 監控系統登錄界面Fig.5 Login interface of monitoring system

圖6 監控界面圖Fig.6 Monitoring interface diagram

4 系統整體試驗

4.1 試驗設計

無線傳感器采集數據的精確性直接影響灌溉決策,為了驗證無線傳感器的采集精確度和系統通信的可靠性,對系統整體性能進行試驗。試驗方案是設計6個傳感器節點以六邊形規則化部署于棉田灌溉試驗區,選取其中1個傳感器節點作為協調器節點,其余5個為終端傳感器節點。根據棉花最大根長密度在20～30cm處[14],把無線溫濕度傳感器埋于土下20cm處,將ZigBee網關置于六邊形中心位置,組建無線傳感網絡,實現土壤含水量監控;并將采集到的數據信息通過無線網關遠程發送至上位機,通過顯示界面以圖形的形式實時直觀顯示,將數據以表格的形式通過LabSQL模塊存入數據庫中。采集此時刻的少量土樣,用機械溫度計測量樣品溫度,稱重后裝進鋁盒放入烘箱中,以105 ℃烘干至恒重。將機械溫度計測得的溫度和烘干法測得的濕度值作為標準值,與此時刻的測試值進行比較,以計算本文所設計的無線溫濕度傳感器的誤差。濕度計算公式為

(1)

其中,C為土壤含水率(%),Mb為烘干前總質量(g),Ml為烘干后總質量(g)。

4.2 實驗結果

表1為濕度試驗數據,表2為溫度試驗數據,圖7為監控界面波形顯示圖。由表1可看出：本文設計的基于無線傳感器的棉田土壤墑情監控系統試驗得到的濕度測量值與標準值之間的最大絕對誤差不超過0.6%RH,溫度測量值與標準值之間的最大絕對誤差不超過0.3℃,符合田間實用要求,可為灌溉決策提供精準的監測數據,保證棉田土壤溫濕度在一個適宜棉株生長的范圍內。

表1 土壤濕度試驗數據Table 1 The humidity experimental data of soil %RH

表2 土壤溫度試驗數據Table 2 The temperatureexperimental data of soi ℃

圖7 監控界面波形顯示圖Fig.7Monitor interface waveform display diagram

5 結論

設計了一種基于無線傳感器的棉田土壤墑情監控系統,采用無線傳感器和單片機對土壤溫濕度進行實時監測,利用ZigBee模塊和網關中的GPRS模塊實現采集數據信息和上位機命令的雙向通信,實現對棉田土壤溫濕度的實時監控。設定適宜的棉田含水率上下限閾值,通過控制智能水閥的開關,為棉株生長提供適宜的棉田環境,達到節約用水、增加棉花產量、精細農業的目的。系統軟件部分利用C語言作為開發平臺,對單片機芯片進行程序設計,利用NI LabVIEW 2016和SQL sever 2008等軟件,對監測的數據信息以波形圖的形式直接形式直觀顯示于監控界面并以數據表格的形式存入SQL數據庫中,為用戶查詢棉田溫濕度情況和灌水記錄提供了方便。通過對無線溫濕度傳感器精度試驗,驗證了系統的準確性和適用性。