基于物聯網的農業灌溉監控系統設計

陳 勇，曹玉保，王林強

（1.南京龍淵微電子科技有限公司 江蘇 南京 211106；2.河海大學 江蘇 南京 211100）

農業灌溉是解決由水資源日益緊缺而導致的各類供求矛盾的有效方案之一，它可以在不影響作物產量的前提下根據作物需水信息適時、適量地進行灌溉，從而達到大幅度減少農業用水的目的。

在灌溉作業中，以土壤含水率為代表的土壤墑情是計算需水信息的一個重要指標。因此，對包括土壤含水率在內的土壤墑情進行連續、大范圍、準確的監測在精細灌溉及水資源合理利用中具有重要的意義。但是，現有的灌溉測控系統在實際應用中仍然存在以下問題:測量點上土壤含水率的測量一般局限于地表下單一深度，沒有對測量點地表下植物根部多個深度土壤含水率進行立體監測，無法完整和準確地反映監測區域的土壤濕度情況；土壤含水率信息來源單一，容易受外界偶然因素的影響，未實現根據地表下多個測量點的土壤含水率信息進行綜合分析并根據結果進行灌溉控制。土壤需水信息和滴灌啟?？刂菩盘柾ㄟ^WIFI等無線服務進行傳輸，對固定通信網依賴較大，大規模使用時通信成本較高，且安裝和維護都不方便，特別是在信號覆蓋較差的農村地區，系統運行不穩定[1-2]。

文中提出一種基于物聯網的農業灌溉監控系統。該系統能夠對根部深度土壤進行準確檢測，與現在已有技術具有顯著優點。

1 整體介紹

本文提出了一種基于物聯網的農業灌溉監控系統[3-4]，包括:布置在田間監測范圍內的若干個土壤墑情監測節點，每個土壤墑情監測節點包括數個埋于地底不同深度的土壤含水率傳感器和土壤墑情信號處理模塊，所述土壤墑情信號處理模塊通過物聯網向其下級精細滴灌控制節點發送控制信息；所述精細滴灌控制節點包括ZigBee低功耗短程無線通信模塊、單片機和控制執行單元。該系統能夠對地表下植物根部多個深度土壤含水率進行立體監測，不需要固定網絡支持實現對精細滴灌作業的測控。具有快速展開、抗毀性強等特點，大規模使用時通信成本較低，且安裝和維護方便，特別適用于信號覆蓋較差的農村地區。

如圖1所示為農業灌溉監測系統總體圖。

2 系統具體實現

如圖1所示，本系統包括布置在田間監測范圍內的若干個土壤墑情監測節點和若干個灌溉控制節點。

圖1 農業灌溉監測系統總體圖Fig.1 Agricultural irrigation monitoring system overall figure

2.1 簇首節點土壤墑情監測節點

簇首節點土壤墑情監測節點構成如圖2所示[5]。土壤墑情監測節點包括4個埋于地底不同深度的土壤含水率傳感器，MSP430微處理器，信號調理模塊，存儲器，USB接口電路，ZigBee無線通信單元，A/D模塊，太陽能電池板，充電控制模塊，和太陽能電池。

圖2 簇首節點土壤墑情監測節點Fig.2 Cluster head node soil moisture content monitoring section

在土壤墑情監測節點中，MSP430微處理器與信號調理模塊及A/D模塊相連，4個埋于地底不同深度的土壤含水率傳感器的激勵信號輸入端與調理模塊的輸出端相連，測量信號輸出端與A/D模塊的輸入端相連。信號調理模塊主要包括4個運算放大器，分別組成4個跟隨器。每個跟隨器的輸入端與MSP430微處理器的激勵信號輸出端相連，輸出端則與土壤含水率傳感器的激勵信號引腳相連，MSP430微處理器控制信號調理模塊按照一定的時間間隔將激勵信號依次經過跟隨器放大后啟動4個土壤含水率傳感器，可以實現對4個不同土層的土壤含水率進行立體測量。各傳感器測量信號為模擬電壓形式，通過A/D模塊進行A/D轉換后，將數字信號傳送至MSP430微處理器A/D模塊包括4個12位高精度A/D轉換通道，數字信號通過串行通信的方式發送給MSP430微處理器USB接口電路與MSP430微處理器相連，用于控制程序的下載和測量信息的聯機上傳。

MSP430微處理器與存儲器相連，每次測量完成后MSP430微處理器將土壤含水率信息存儲于存儲器MSP430微處理器與ZigBee無線通信單元相連，ZigBee無線通信單元平時處于休眠狀態，MSP430微處理器每天按照一定的時間間隔喚醒ZigBee無線通信單元，采用符合ZigBee協議的2.4 GHz短程低功耗無線通信的方式將存儲器中的土壤墑情信息通過ZigBee無線通信單元向簇首節點上傳。

簇首節點定期向土壤墑情監測節點發送數據上傳請求，土壤墑情監測節點在多個請求周期后如果未能收到來自簇首節點的數據上傳請求，則視為簇首節。 點失效。土壤墑情監測節點不再上傳監測信息，轉而將監測信息存儲于自身的存儲器。簇首節點接收到來自土壤墑情監測節點的土壤墑情監測信息后，會向云計算平臺發送ACK消息，以告知發送土壤墑情監測信息的土壤墑情監測節點其數據傳送成功且告知網絡其處于正常運行的狀態。

土壤墑情監測節點同時向簇首節點發送監測信息時，簇首節點丟棄當沖突發生時所收到的監測數據包，并向所有土壤墑情監測節點廣播沖突信息。土壤墑情監測節點按照一定的協議進行延時后，重新向簇首節點上傳監測信息，避免由于通信沖突而導致的數據丟失。

土壤墑情監測節點及簇首節點設置有包括太陽能電池板、充電控制模塊和充電電池在內的獨立太陽能供電模塊組。太陽能電池板與充電控制模塊相連，充電控制模塊與充電電池相連。充電控制模塊根據充電電池的電壓連通或切斷太陽能電池板與充電電池間的充電回路，實現充電控制。充電電池為土壤墑情監測節點及簇首節點內的相應器件提供正常工作所需的電源。

2.2 灌溉控制節點

灌溉控制節點結構如圖3所示[6]。精細滴灌控制節點包括MSP430微處理器，ZigBee低功耗短程無線通信模塊，3.6 V電池，實時時鐘，電磁閥驅動電路，電磁閥，灌溉水管，3個LED及9 V電源。鍵盤電路與MSP430微處理器單片機相連，實時時鐘與MSP430微處理器單片機相連，3個LED與MSP430微處理器單片機相連，電磁閥驅動電路與MSP430微處理器單片機相連，電磁閥與電磁閥驅動電路相連，灌溉水管與電磁閥相連。

圖3 灌溉控制節點Fig.3 Irrigation control node

灌溉控制節點的MSP430微處理器單片機與ZigBee低功耗短程無線通信模塊相連，接收來自上級土壤墑情監測節點的滴灌控制信息。該類型節點包括獨立工作模式和組網工作模式。

獨立工作模式下，MSP430微處理器單片機處于睡眠狀態的省電模式；實時時鐘每1 s產生一次中斷信號，MSP430微處理器單片機喚醒后判斷是否累加到30 s，若不是，則直接進入省電模式；若是，則3個LED閃爍一次，以表征系統正常運行，并且判斷系統是否處于灌溉狀態。若系統不處于灌溉狀態，則MSP430微處理器單片機讀取實時時鐘的當前時間并與滴灌的啟動時間進行比較:若相等，則MSP430微處理單片機控制電磁閥驅動電路打開電磁閥以導通灌溉水管進行灌溉。若實時時鐘的當前時間與灌溉啟動時間不相等，則直接返回到省電模式。若系統處于灌溉狀態，則MSP430微處理器單片機則讀取實時時鐘的當前時間并與計算得到的灌溉結束時刻值進行比較:若相等，則關閉電磁閥驅動電路停止滴灌，將滴灌的關閉的狀態寫入EEPROM并返回省電模式；若不相等，則直接返回到省電模式。

在物聯網的組網工作模式下，土壤墑情監測節點MSP430微處理器對采集到的土壤含水率數據進行處理，如果監測到的土壤含水率高于或低于標準值一定范圍，則通過ZigBee無線通信單元向其下級灌溉控制節點發送控制信息，停止或啟動灌溉。在組網工作模式下，灌溉控制節點的ZigBee低功耗短程無線通信模塊接收來自上級土壤墑情監測節點灌溉信息，并將該信息傳送至MSP430微處理器單片機內部的EEPROM存儲了唯一的序列號進行標識，如果土壤墑情監測節點控制命令中的序列號與自身序列號相同，則無線灌溉控制命令的優先級高于定時滴灌，MSP430根據該信息控制電磁閥驅動電路的閉合以停止或啟動灌溉。

所述的土壤墑情監測節點定期向其下級灌溉控制節點發送組網信息，灌溉控制節點收到上級土壤墑情監測節點的組網信息后，進入組網運行模式。如果精細灌溉控制節點超期未收到來自上級土壤墑情監測節點的存在信息，則自動地由組網模式轉變為獨立工作模式

3 結束語

本新型系統與現有技術相比，其顯著優點為：1）本系統不需要任何固定網絡的支持，具有快速展開、抗毀性強等特點，能夠使用戶在任何時間、地點和任何環境條件下，獲取土壤含水率信號；2）具有體積小、功耗少、快速組網等優點，并通過監控終端進行接收數據、發送命令、具有部署方便，成本低廉等優點。

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