基于無線傳感器網絡的土壤墑情監測系統*

李光云，胡 鋼，馬國玉，馬 峰

(1.南通河海大學海洋與近海工程研究院，南通226000;2.物聯網工程學院(常州)，常州213022;3.常州市傳感網與環境感知重點實驗室，常州213022)

1 引言

20世紀90年代初以來，提出了精準農業的概念。精準農業是指根據農作物生長的土壤性狀來調節對農作物的投入，以最少或最節約的投入達到同等收入，或更高的收入并改善環境。而當下，在農業領域，現有的一些監測系統多為有線監測系統，這樣的監測系統存在著以下缺點:①有線監測點的布置需要大量走線，布置方式不靈活;②監測點數量由于通信布線成本限制而不能大量布置，造成監測力度不夠，甚至存在監測盲區;③有線監測點線路檢查和維護需要大量的人力物力，若多塊農田實現集中管理會極大的增加安裝成本，不利于構建大型遠程控制系統。

無線傳感器網絡由低功耗微小的網絡節點通過自組織方式構建通信網絡，其通信便利及部署方便的優點，使其在農業應用方面尤為突出。3G技術作為一種先進的無線通信技術，比起以往的2G、2.5G通信技術具有帶寬明顯增大、數據傳輸速度明顯提高、數據傳輸更加安全可靠等優點。本系統基于ZigBee近距離無線通訊網絡以及3G遠程無線網絡，對土壤墑情監測系統的軟硬件設計和實施方案進行了闡述。

2 系統總體結構

物聯網按系統功能結構可以劃分為三個層次:感知層、網絡層、應用層。感知層解決人類世界和物理世界的數據獲取問題，由各種傳感器以及傳感器網關構成。網絡層也被稱為傳輸層，解決感知層所獲得的數據在一定范圍內，通常是長距離的傳輸問題。應用層也可稱為處理層，解決信息處理和人機界面的問題。

本系統從功能上劃分為下位機和上位機兩部分。其中下位機又分為四部分:采集模塊、控制模塊、ZigBee模塊、3G模塊以及供電模塊。采集模塊包括土壤溫度、濕度、酸堿度傳感器;控制模塊采用PIC18F4520單片機;ZigBee模塊采用CC2530芯片;供電模塊為整個系統供電。上位機部分基于delphi軟件平臺以及access數據庫實現實時顯示采集到的土壤參數并繪成曲線，后期專家分析通過將測得的數據與數據庫里存儲的農作物生長需水表中的數據進行對比，控制水泵閥門的輸出水量。如圖1所示。

圖1 總體結構圖

3 系統各模塊硬件設計

3.1 采集模塊

數據采集模塊由傳感器及其接口電路構成，主要完成農田土壤的水分、溫度、酸堿度測量。傳感器的主要性能指標如表1所示。

3.2 控制模塊

PIC18F4520是一種具有10位A/D和納瓦技術的28/40/44引腳增強型閃存單片機，性能穩定，外圍電路簡單，可大大降低成本。如圖2所示。

其中土壤水分傳感器、土壤溫度傳感器輸入的模擬信號須經過模－數轉換轉換成數字信號。土壤酸堿度傳感器采用化學原理，因輸出為±1999mV的電壓信號，所以先經過信號調節電路，然后進行AD轉換。上述3種傳感器分別接至其2、3、8號引腳;1腳上接有一個10k電阻和100pF電容，起到上電復位的作用;25與26引腳連接了一個由MAX232構成的一個串口通訊電路，以便于與Zig-Bee的終端節點連接。

3.3 ZigBee模塊

ZigBee技術是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線傳感器網絡技術。本系統采用星形網絡，協調器主要負責配置網絡參數、啟動網絡并維護網絡正常工作、接收采集的數據，并通過串口與3G模塊相連，實現數據的遠程傳輸。首先，協調器選擇一個信道和網絡的PAN ID，從而建立網絡，并定時偵聽有無網絡連接請求;其次，如果協調器節點收到終端節點的入網請求，則根據請求信息作出是否允許加入網絡的判斷，如果允許加入，協調器作出應答告訴節點加入，并給其分配一個網絡地址作為唯一的身份標識;最后定時發送給各節點相關控制命令，維護整個網絡運行。終端節點主要完成對CC2530硬件及協議棧的初始化，并開始掃描信道，尋找合適的網絡，發送加入網絡信息，得到確認后，開始通過傳感器采集信息，并通過無線傳輸方式將采集到的數據打包后發送給協調器節點［1］。

表1 傳感器主要性能指標

圖2 控制模塊電路圖

3.4 3G 模塊

第3代移動通信，是以提供數據業務(特別是互聯網業務)為主的系統，目前3G存在四種標準:CDMA2000，WCDMA，TD － SCDMA，WiMAX。本系統所選的CDMA無線路由器，通過PPP撥號方式由CDMA無線網接入，連接到CDMA PDSN設備，由CDMA AAA認證服務器提供接入認證，判斷卡號和VPDN的對應關系。通過驗證后，CDMA PDSN將與電信運營商的LNS路由器建立起L2TP專用通道，用戶名和密碼通過中國電信的AAA認證服務器驗證其合法性，并分配內網IP地址。當CDMA路由器通過接入認證、獲得IP地址后，與上位機之間通過TCP/IP協議棧進行數據傳輸［2］。

3.5 供電模塊

采集模塊需提供3.3V電壓，ZigBee模塊需提供5V電壓，土壤水分傳感器需提供9V電壓，土壤溫度傳感器、以及3G路由器需提供12V電壓，故采用變壓器變壓至12V，采用7809芯片將12V降壓至9V并穩壓。AMS1117_5V芯片將9V降壓至5V并穩壓;AMS1117_3.3V芯片將5V降壓至3.3V并穩壓，其中電路中的電容起濾波作用，LED燈起指示作用。該模塊電路圖如圖3所示。

3.6 信號調節模塊

H311－AS002－T土壤酸堿度傳感器輸出的信號為±1999mV的模擬信號，因此先采用加法電路抬高信號，使輸出的電壓增加到3.8V;又因為單片機的上限電壓為3.3V，因此采用求和電路，縮小電壓;電壓跟隨電路把阻抗很高的信號做電流放大，降低輸出阻抗，從而提高原有電路帶負載的能力;采用的放大器均為OP07。信號調節電路如圖4所示。

圖3 電源模塊電路圖

圖4 信號調節電路圖

4 監測參數的標定及結果

本系統所采用的土壤水分傳感器、土壤溫度傳感器及土壤酸堿度傳感器輸出皆為模擬信號，因此采用標定的方法來確定傳感器輸出的模擬信號與被測參數之間的關系。

4.1 土壤水分標定

本實驗以土壤水分傳感器在不同土壤含水率影響下的輸出電壓均值作為傳感器在該土壤含水率水平下的測量值，并對數據之間的關聯性進行分析，對土壤水分傳感器進行標定，ARN－100土壤水分傳感器輸出電壓與實際土壤含水量關系如公式(1):

(V:測得的電壓)。

4.2 土壤溫度標定

ARN－TW土壤溫度傳感器輸出的電流與溫度值呈線性關系，如公式(2):

(Y:土壤溫度值，X:傳感器輸出的電壓值)。

4.3 土壤酸堿度標定

在測量pH時，并不是直接測量氫離子(H+)的濃度，而是測量氫離子活動程度的負對數值，這就可以測出溶液內氫離子的有效濃度。如公式(3)－(4):

使用電極測量pH時是通過測電位實現的。PH電極在接觸溶液時，其玻璃膜上會形成一個隨pH變化而變化的電勢，且該電勢需要一個恒定的電勢來進行比較。參比電極就是用來提供這一恒定電勢，它不會因溶液中pH值的變化而變化。在酸性或堿性溶液內，可通過計算公式(5)計算膜外表面電勢與氫離子活動程度的線性變化關系:

E—總電勢差，E0—標準電勢，R—氣體常量，T—絕對溫度，n—電子數量，F—法拉第常數，［H+］—氫離子濃度。經過不同pH值的緩沖液做標定，H311－AS002－T土壤酸堿度傳感器輸出的電壓與PH值具有以下特性:25℃時一個PH單位對應于 59.16mV

5 系統軟件

系統基于delphi軟件平臺以及access數據庫，實現了實時遠程采集土壤參數。系統工作流程圖如圖5所示。

圖5 系統整體流程圖

TCP/IP提供的網絡API(應用程序接口)主要是Socket，流式Socket針對面向連接的TCP服務應用，服務器方與客戶方通過創建套接字、綁定本地接口、建立連接、監聽端口、接受連接、數據接收、數據發送、關閉套接字等流程完成3G與監測終端的數據連接。基于TCP/IP協議的Socket編程部分核心代碼如下:

AcceptSock［0］:=Socket(AF_INET，SOCK_STREAM，0)

bind(AcceptSock［0］，FSockLocal，sizeof(FSock-Loca))

Listen(AcceptSock［0］，1)

圖6為數據實時接收圖，表2為實時數據接收采樣，圖7為土壤參數曲線圖。

圖6 數據實時接收

表2 傳感器實時采樣數據

圖7 土壤參數曲線圖

6 結束語

本系統是一種基于物聯網技術的土壤墑情監測系統，為將來智能化農田管理及精準農業的推廣提供了一個非常好的手段。不足之處:供電方面，農田管理對于供電有一定的要求，智能化的太陽能電源已變為一種趨勢;后期的專家分析，通過比對實時采集數據與數據庫中存儲的植物需水量，通過繼電器控制水泵閘門的開啟，并精確的輸出缺水量等這些方面還需要進一步的研究。

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