智能通訊協議在稻田灌溉系統中的應用

唐盼盼

(商丘職業技術學院,河南 商丘 476000)

0 引言

隨著城鎮化進程的加速,農村的青壯年越來越少,中老年農民對于大范圍水稻灌溉工作難以應對[1]。傳統的水稻灌溉采用漫灌形式,效率低下,且嚴重浪費水資源[2]。面對我國嚴重缺水的現狀和人口老齡化的到來,實現水稻大范圍的灌溉自動化迫在眉睫。目前,自動化灌溉系統只考慮一兩個因素[3],如對土壤濕度進行檢查及采用閾值控制水泵開啟,沒有考慮不同水稻生長時期所需土壤濕度不同的問題[4];同時傳感器一直處于工作狀態,系統利用率低。由于系統采用分散式布局,不能將稻田整體狀況進行反饋,缺乏對于整個稻田的有效監控,因此需要建立有效監控整個稻田濕度的系統[5]。為此,采用ZigBee技術建立了稻田傳感器局域網[6],采用GPRS技術實現局域網數據的上傳[7],在控制中心服務器上完成土壤濕度維持時間計算,合理控制系統開機時間,節約能源,且采用模糊控制方法建立了灌溉控制系統。本系統能耗低,可以有效控制土壤濕度處于水稻最佳濕度范圍內,對于水稻增產穩產起到促進作用。

1 系統組成

整個農田灌溉系統由3層網絡結構組成,分別為感知執行層、網絡層和應用層,如圖1所示。

圖1 系統組成

感知執行層實現土壤濕度、光照時間、試驗田溫度和風速檢測,將上述檢測數據上傳,同時接受網絡層返回信號,控制灌溉水泵開關,實現自動化灌溉;網絡層主要實現檢測數據上傳和控制信號向感知執行層傳遞,主要分為ZigBee實驗田局域網組網和GPRS無線數據傳輸網絡。ZigBee實驗田局域網實現實驗田多傳感器信號匯集與水泵開關控制,上傳傳感器信號,和接受水泵控制信號;應用層對傳感器信號進行分析,輸出水泵控制信號,主要分為土壤濕度保持計算系統和灌溉模糊控制系統。土壤濕度保持計算系統計算當前濕度下降到最適宜溫度下限所需時間,后關閉系統,在濕度到達下限前重啟系統。為了達到節能目的,灌溉模糊控制系統以溫度和當前土壤濕度與最適土壤濕度下限的偏差作為輸入量,經系統處理后輸出水泵開機時間,實現灌溉系統自動控制。

2 網絡組成及其拓撲結構

系統需要采集實驗田溫度、空氣濕度、風速、日照時長和土壤濕度等數據,并將上述傳感器檢測數據上傳至控制中心服務器,進行分析處理后返回信號,控制機井電機開關,實現灌溉的自動化。整個系統分為3層網絡結構:①采用ZigBee技術[8],組建溫室傳感器、機井及電機局域網絡;②采用GPRS技術,實現溫室局域網絡數據上傳,與處理數據反饋;③采用TCP/IP協議,實現數據上傳控制中心服務器。

溫室局域網需要實現不同傳感器的數據匯總,以及機井水泵電機控制任務。由于工作在野外,稻田需要翻耕,不具備布線組網條件,因此采用無線組網模式。由于組網技術必須具備耗電量小的特點,且提高網絡可靠性,因此采用ZigBee技術。該技術基于IEEE802.15.4協議,是一種近距離無線局域網絡構架,具有低成本、低功耗的特點。采用網狀拓撲結構(見圖2),包括協調器、路由節點、機井節點和數據采集節點。最遠端的采集節點數據向靠近協調器的節點發送,采用接力模式傳向協調器。該模式系統具有以下特點:①可靠性高,當任何一個節點出現故障時,周邊數據節點依然能上傳數據;②系統增容能力強,新加入的節點不必考慮和協調器之間的距離,只要周圍有節點,即可以實現數據上傳。

局域網向互聯網傳輸數據采用GPRS協議,依托通訊運營商發達的基站覆蓋和穩定的帶寬,實現7×24h檢測數據隨時上傳互聯網,可靠性高。數據從互聯網到控制中心服務器傳輸采用主流的TCP/IP協議[9],傳輸速度快,可靠性高,費用低廉,經濟性好。

圖2 網絡拓撲結構

3 土壤濕度保持系統模型

土壤濕度對于寒稻生長至關重要。寒稻生長分為分蘗期、拔節期、抽穗期、乳熟期和黃熟期等時期,不同生長時期最適宜的土壤濕度范圍不同。土壤濕度流失的作用方式分為蒸發蒸騰作用和土壤滲透作用,現分析蒸發蒸騰量ET和土壤滲水系數Kt,建立濕度保持時間模型。

3.1 蒸發蒸騰作用模型

蒸發蒸騰作用是土壤水分流失的重要形式,包括植物蒸騰作用,可促進養分在植物體內流動和地表面水分直接蒸發作用。目前,國際上得到公認的是間接計算法為

ET=KCET0

(1)

其中,Kc為植物綜合系數;ET0為標準作物蒸發蒸騰量,可以采用Penman-Monteith公式[10]進行計算。該公式以水分循環和能量平衡理論為基礎,綜合考慮了多種影響因素,則

(2)

其中,Rn為單位時間內的輸入冠層凈輻射量(MJ/m2),G為單位時間內土壤熱通量(MJ/m2;T為單位時間內的平均溫度(℃);U為2m處的高的平均風速(m/s);es為飽和水汽壓(kPa);ea為實際水汽壓(kPa);Δ為飽和水汽壓和溫度曲線的斜率(kPa/℃);r為干濕表常數(kPa/℃)。該公式為了與實際情況高度擬合,內含8種參數,且8種參數檢測方式復雜。因此,討論8種因素對于蒸發量ET0的影響強度,忽略影響低的因子,達到降低參數數量的目的。8種因素對于蒸發量的相關系數如圖3所示。

圖3 不同因子對蒸發量的影響

8種因子相關系數分布范圍較大。其中,T為單位時間內的平均溫度(℃);U為2m處的高的平均風速(m/s)。空氣濕度RH和日照長度D于蒸發蒸騰量ET0進行擬合,相關系數大于0.55,而另外4種因子明顯小于0.55,對于蒸發蒸騰量ET0影響不明顯。

利用40組樣本,將溫度T、風速U、空氣濕度RH和日照長度D于蒸發蒸騰量ET0進行逐步線性擬合過程如下:

1)對溫度T、風速U、空氣濕度RH和日照長度D分別和蒸發蒸騰量ET0進行擬合,如式(3)所示。對回歸系數βi,則

ET=Xiβi+ε,i=T,U,RH,D.

(3)

預測值ET值和與實際樣本值進行F檢驗,取其中最大值如式(8)所示。置信區間為1-a情況下,臨界值為F,則

Fi1=max{FT,FU,FRH,FD}

(4)

當Fi1>F,將Xi引入模型;當Fi1

2)將剩余3因子進行二元擬合,對預測值進行與實際樣本值進行F檢驗,依照此方法,共迭代4次,得到蒸發蒸騰作用模型,即

ET=0.145T-0.0354RH+1.0894U+

0.0158D+3.758

(5)

3.2 土壤滲透作用模型

土壤水分流失的另一種主要形式為土壤的滲透作用,采用雙刀法測試實驗田土壤滲透作用強度,取兩個直徑為20cm和50cm圓筒,二者同心插入土壤中,深度為L=15cm。在氣溫10℃環境下,向二者中注水,保持水位高出地面距離為h=10cm,時間段tn注水體積為QmL,則10℃環境下土壤滲水系數K10為

(6)

實測實驗田土壤滲透系數如圖4所示。

圖4 土壤滲透系數

圖4中,總體下降速度是持續變緩的。10min以內,土壤滲透作用很強;在40～60min過程中,土壤滲透系數趨于穩定,大小為0.61mm/min。由于溫度對于土壤滲透作用影響明顯,因此以10℃土壤滲透系數為標準,采用式(7)進行換算。

Kt=(0.7+0.03t)K10

(7)

其中,t為當前溫度(℃)。

3.3 土壤濕度保持時間

由于實驗田處于野外環境,且水稻生長周期中大多時間需要處于水分充足環境,系統不適宜采用外接電源,因此節能是一個重要課題。通常情況下,土壤濕度流失速度相對較慢,建立土壤濕度保持時間模型,檢測當前土壤濕度,計算土壤濕度到達最適宜濕度下限所經歷的時間tq,系統關機;當到達時間tq時,系統被喚醒,傳感器啟動,水泵開啟向試驗田補水。由于濕度流失的主要途徑為蒸發蒸騰作用和土壤滲透作用,因此建立最適合土壤濕度保持時間模型為

(8)

其中,tq為當前土壤濕度到最適宜土壤濕度下限所需時間,L為土壤厚度(cm),ρ為土壤容重(g/cm3),RHe為當前土壤濕度(%),RHmin為最適宜土壤濕度下限(%)。

4 灌溉模糊控制系統

模糊系統如圖5所示。

圖5 灌溉模糊控制系統

工作時,主要分為兩個階段:①將水稻生長時期作為輸入變量,最適宜土壤濕度作為輸出變量,其中水稻生長時期包括分蘗前期、分蘗中期、分蘗后期、拔節孕穗期、抽穗開花期、乳熟期和黃熟期等7個變量;②輸入變量為溫度T,傳感器檢測實際土壤濕度RH與最適宜土壤濕度的差值等兩個變量,輸出為水泵防水時間。

由于水稻生長周期包括分蘗前期、分蘗中期、分蘗后期、拔節孕穗期、抽穗開花期、乳熟期和黃熟期,因此隸屬度函數中心值為7個,論域D={lv,lo,ls,mid,rs,ro,rv},對應最適宜土壤濕度中心值為[65%,75%,85%,90%,100%],論域DEH={lv,ls,mid,rs,rv}。對應規則如表1所示。

表1 第1階段模糊規則

第2階段,模糊系統輸入為溫度T,土壤最適宜濕度RHe與實際濕度RH偏差ΔRH,在水稻生長整個周期中,環境溫度變化范圍為5～25℃,因此溫度T的隸屬度函數中心值為[5,10,15,20,25],論域T={lv,ls,mid,rs,rv}。本系統建立在土壤調虧理論上,土壤變化范圍為40%～100%,ΔRH變化范圍為0～60%,因此ΔRH中心值為[0,15,30,45,60],論域ΔRH={lv,ls,mid,rs,rv}。由于實驗田面積為60m3,土壤厚度為20cm,已知水泵流量為7.2L/h,因此完成濕度40%～100%所需時間為1h,因此時間h中心值為[0,0.25,0.5,0.75,1],論域h={lv,ls,mid,rs,rv}。輸入ΔRH、溫度T和輸出水泵開機時間h的模糊規則如表2所示。

表2 第2階段模糊規則

5 系統測試

對系統進行測試時,首先測試水泵啟動性能,確保當土壤缺水時可以及時補水。當土壤濕度小于最適宜下限時,水泵啟動;當土壤濕度大于最適宜下限時,水泵為關閉狀態。其次,檢測1天內土壤濕度變化曲線,系統應維持土壤濕度在最適合濕度范圍之內,檢測拔節孕穗期水稻濕度曲線,測試系統性能。

根據8組樣品生長所處在時期,分析最適宜濕度,其上限和下限如圖6所示。其中,土壤濕度傳感器檢測土壤濕度,如圖6中虛線所示,樣本1、2、4、7和8濕度低于最適宜濕度下限,水泵處于開啟狀態;3、5、6等3組樣品土壤濕度處于最適宜濕度范圍,水泵處于關閉狀態。

圖6 系統測試

土壤濕度實際變化曲線如圖7所示。

圖7 土壤濕度變化曲線

其中,0點時濕度為74%,經歷4h后濕度回落到70%,此時水泵開機;水泵開機5min后,達到最適合濕度75%,水泵停機。檢測間隔為1h,由于蒸騰與滲透作用,檢測點濕度為74.7%。全天24h濕度一直保持在70%～75%之間,滿足設計要求。停機后濕度回落,當溫度低時斜率較小、溫度高時,濕斜率較大;當溫度低時、濕度峰值較大、溫度高時,臨近濕度峰值較低。這是由于溫度影響了土壤濕度流失。

6 結論

為了實現稻田灌溉的自動化,采用ZigBee和GPRS技術,組建數據傳輸與控制網絡。實驗田傳感器和水泵控制采用ZigBee組成局域網及網絡拓撲結構,提高系統擴展能力和可靠性。應用層包括土壤濕度保持計算系統和水泵灌溉模糊控制系統。土壤濕度保持計算系統綜合土壤蒸發蒸騰作用和土壤滲透作用,分別建立土壤蒸發蒸騰模型和土壤滲透模型,計算當前土壤濕度到最適土壤濕度下限所需時間,確定系統關閉時間,提升節能性能。水泵灌溉模糊系統分為兩階段:第1階段以水稻生長時期為輸入,最適土壤濕度為系統輸出;第2階段以溫度T和當前土壤濕度與最適土壤濕度下限偏差為輸入,水泵開機時間為輸出。分別測試系統水泵開機可靠性和全天土壤濕度變化,結果表明:當土壤濕度低于最適土壤濕度下限時,水泵及時開機,且全天土壤濕度可保持在最適濕度范圍內。