基于作物水脅迫聲發射技術與Zigbee無線傳感器網絡的精細灌溉系統的設計

鄭先鋒,劉 剛

(1.河南機電高等專科學校電氣工程系,河南 新鄉 453003;2.河南機電高等專科學校自動控制工程系,河南 新鄉 453003)

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基于作物水脅迫聲發射技術與Zigbee無線傳感器網絡的精細灌溉系統的設計

鄭先鋒1*,劉 剛2

(1.河南機電高等專科學校電氣工程系,河南 新鄉 453003;2.河南機電高等專科學校自動控制工程系,河南 新鄉 453003)

設計了基于Zigbee無線傳感器網絡與作物水脅迫聲發射技術的精細灌溉系統。該系統通過聲發射傳感器采集作物需水信息,通過Zigbee網絡發送至遠程服務器,服務器根據采集信息進行精細灌溉。軟件系統采用VC++6.0和LabVIEW編寫。實驗結果表明該系統界面友好,操作簡單,能對作物需水量進行準確的判斷,能夠很好的實現精細灌溉。

精細灌溉;Zigbee;LabVIEW;作物水脅迫;聲發射技術

精細灌溉可以有效的解決中國農業水資源利用率低、浪費嚴重等問題[1-3]。但是實施精量灌溉需要解決2個問題:(1)準確采集到農作物需水的信息;(2)采用先進且成本較低的遠程信息傳輸技術;國內外的研究學者針對精細灌溉的兩方面做出了大量的研究。目前,已有多種傳感器投入了使用,如檢測土壤含水量、溫度、環境溫度、農田小氣候等類型的傳感器。多種信息傳輸技術也應用與精細灌溉技術中。但是從目前的發展現狀來看還有明顯的不足,主要表現在:(1)多種傳感器的應用成本過高,投入資金過大,不適宜大規模推廣。(2)常用的灌溉控制系統主要采用有線方式,節點布置不靈活,安裝維護困難[4-5]。

近年來,作物水脅迫發聲技術和無線傳感器網絡陸續應用到了精細灌溉研究體系中,為精細灌溉的研究提供了很好的技術路線[6-8]。其中,作物水脅迫聲發射技術,用于檢測作物是否缺水。通俗的講,就是作物在缺水的時候會發出聲音,這種聲音可以通過聲發射傳感器檢測。國內外學者對該技術進行了深入的研究和應用,但主要側重于采用有線的數據傳輸方式組成傳感器網絡,系統成本高,不適于在大田中普遍推廣。

綜上所述,無線傳感器網絡與作物水脅迫聲發射技術的結合構建的系統還不多見。本文即結合無線傳感器網絡與作物水脅迫聲發射技術,設計了精細灌溉系統。

1 系統的總體設計

基于精細灌溉系統的功能需求,所涉及的系統如圖1所示。整個無線傳感器網絡采用星形拓撲結構。系統的聲發射傳感器節點和噴滴灌節點布置在農作物種植區。聲發射傳感器節點用于檢測1 kHz～300 kHz頻率范圍的作物聲發射信號,傳感器節點上的無線射頻模塊將采集數據通過無線傳感器網絡傳送至遠程服務器。遠程服務器對接收到的數據進行分析和保存,并通過無線傳感器網絡將結果輸出以控制作物生產區的噴滴灌控制節點的閥門開閉時間。遠程服務器將監測信息與控制閥門關閉的信息通過Internet網絡實現信息共享在系統中可以采用移動設備PDA實時查詢任何一部分的情況。

圖1 系統的總體設計框圖

2 系統硬件設計

系統中有兩種無線傳感器節點,分別是聲發射傳感器節點和噴滴灌控制節點。這兩種節點都采用了一樣的控制器模塊和無線射頻模塊,兩種節點根據各自功能再配以不同的功能擴展電路模塊。如圖2所示為聲發射傳感器節點,控制器模塊采用型號為STM32F107的ARM處理器,無線射頻模塊采用CC2530,控制器模塊和無線射頻模塊通過SPI接口方式連接。CC2530工作在2.4 GHz頻段,具有自組網的功能,可以使用戶用較少的時間成本完成整個系統的組建。

聲發射傳感器采用美國PAC公司生產的AE傳感器R15型。負責感知微弱的信號并通過AD轉換電路、信號調理電路等將信息發送給控制器模塊。聲發射傳感器節點主要采用太陽能供電方式,太陽能電源模塊由3個部分構成:光伏發電方陣、充放電控制單元、蓄電池。光伏發電模塊采用單晶硅光伏發電組件,該組件的光電轉換效率較高。充放電控制單元負責電池組的充放電過程。蓄電池采用磷酸鐵電池組。電源轉換部分采用LP2590-3.3芯片把電池電壓轉換成3.3 V電壓,整個傳感器節點電流消耗為75 mA,能耗為247.5 mW,太陽能供電模塊的輸出功率為10 W,完全能夠滿足節點能耗需求。本設計中采用美信公司的DS2780計算鋰電池剩余電量。DS2780的DQ引腳與STM32F107的IO口相連,電池的剩余電量信息通過IO口送入控制器中。遠程服務器可以及時的了解各個傳感器節點的剩余電量。

圖2 聲發射傳感器節點結構框圖

噴滴灌控制節點如圖3所示,控制器模塊與噴滴灌控制閥相連接,控制器根據接受到的指令控制噴滴灌頭的開閉。由于噴滴灌控制閥多采用JD11SA-6型,線圈交流電壓為220 V,采用市電供電。噴滴灌控制節點采用市電供電的方式,市電經過降壓、整流后接入LP2590-3.3芯片轉換成3.3 V電壓,供給其他模塊電路。控制器模塊和噴滴灌控制閥之間需要采用光耦隔離,以此避免強電干擾。

圖3 噴滴灌控制節點結構框圖

網關節點可以和所有的節點實現通信,主要是負責將各個傳感器節點的采樣數據通過GPRS方式或Internet方式轉發給遠程服務器,同時遠程服務器的執行指令發至網關節點后再由網關節點傳遞給各個節點。網關節點在結構上與傳感器節點類似,但本身集成了以太網接口、GSM接口等。

3 系統軟件設計

Zigbee的網絡協議主要是基于TI公司的Z-Stack協議棧開發的。Z-Stack協議棧中的協議部分的代碼已經被設置好,只需在應用層方面進行開發即可。

協議棧通過初始化后實現網絡建立,然后協議棧負責傳感器節點和上位機的數據交換。Zigbee節點在加入網絡后,協議棧執行兩個任務,一個是每個5 s向網關發送心跳包,網關將心跳包發送至上位機,上位機通過統計單位時間心跳包的數目來判斷傳感器節點是否離線。另外一個任務就是每個一段時間,傳感器節點將聲發射傳感器采集的數據發送至上位機。

Zigbee無線傳感器網絡的軟件流程圖4所示。網關啟動之后便開始初始化射頻通道、短地址、操作系統等,然后對傳感器節點進行注冊并且定義配置文件,最后就可以啟動網絡。Z-Stack協議棧是以操作系統形式出現的,完成整個網絡的組網,協議棧在查詢到有事件發生時則去執行相應的事件。

圖4 網關節點和傳感器節點軟件流程圖

整個精細灌溉系統的上位機軟件系統分別由后臺管理軟件與數據管理軟件分別獨立實現。數據管理軟件采用了NI LabVIEW進行開發,后臺管理軟件主要是基于Microsoft Visual C++6.0的實現。整個系統采用了友好的圖形化界面設計作為人機接口。系統由參數設置模塊、數據采集模塊、數據處理和管理模塊組成。參數設置模塊主要實現對系統的各個節點參數進行設置,即每個節點數據采樣時間,每個控制閥的開閉時間等。數據采集模塊主要是對各個節點的數據進行同步采集,以及在此模塊下還可以顯示所采集的數據動態實時曲線圖。數據處理

和管理模塊主要是對接收到數據包進行濾波、數值計算、標度轉換等處理,管理者可以隨時查詢、打印。管理者可以通過Internet遠程訪問無線傳感器網絡中的各個節點數據,同時管理者也可以通過Internet對服務器進行操作。軟件系統界面如圖5所示。

圖5 系統管理軟件截圖

4 試驗結果

2012年7月至2012年9月,在新鄉市農科院的試驗田中布置整個精細灌溉系統。8個傳感器節點和8個噴滴灌控制節點采用星形拓撲結構布置在試驗田中,節點的通信半徑為20 m,節點布置完畢后啟動系統,各節點在2 min內完成自組網絡。通過實驗發現,當有節點的刪除或者新節點加入時都會導致整個網絡拓撲結果發生變化,需要1 min左右的調整時間。試驗田采用一主管加多支管的梳狀輸配水管網,每個噴滴灌閥門與無線傳感器節點連接。噴滴灌控制節點對各種控制指令的響應時間小于15 s。

系統中傳感器節點的采樣時間設置為2 s,當每2 s接收到的聲發射信號頻次多于2次,遠程服務器就會發出控制指令給噴滴灌閥門實施灌水。通過試驗表明,當采用精細灌溉系統進行自動灌溉的用水量要比人為經驗用水量減少26%～33%。精細灌溉的模式對作物生長與人為經驗灌溉沒有任何區別,但是精細灌溉對節水效果非常明顯。具體數據如表1所示。

表1 按聲發射信號控制灌溉月灌溉頻次和灌水量及作物長勢

5 結論

國內現有的精細灌溉系統大部分采用有線數據傳輸方式,如:RS-485總線,CAN總線等。這類依靠有線的數據傳輸模式,布線比較困難,且成本高昂。國內采用無線數據通訊方式進行精細灌溉的系統,在無線射頻模塊上采用nRF905,這種方式數據傳輸可靠性不高,無法實現傳感器模塊的組網。本文設計的基于作物水脅迫聲發射和Zigbee無線傳感器網絡的精細灌溉系統,進行初步的試驗驗證,結果表明:(1)該系統通過采集并分析作物的聲發射信號,以此實現自動、實時、適量的灌溉。(2)管理人員可以在任何時間、地點通過PDA或者計算機獲取各個傳感器節點的參數。(3)與傳統的依靠人為經驗灌溉的方式相比,該系統具有布置簡單、能耗低、擴展節點靈活等優點。

本文是在設施農業發展中做出的探索性研究,整個精細灌溉系統還需要進一步的改善,下一步的工作重點是:

(1)在整個系統的硬件設計方面需要對節點的硬件電路進行改善,增加通信距離,提高數據傳輸的準確率。

(2)無線傳感器網絡的安全問題需要進一步的改善。

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鄭先鋒(1972-),男,漢族,河南人,碩士,副教授,中國電工技術學會高級會員,河南省自動化學會會員,主要從事測控技術、電氣絕緣測試等方面的科學研究,hnxxzxf@126.com。

DesignofPrecisionIrrigationSystemBasedonWaterStressandWirelessSensorNetwork

ZHENGXianfeng1*,LIUGang2

(1.Department of Electrical Engineering Henan Mechanical and Electrical Engineering College,Xinxiang He’nan 453003,China;2.Department of Automatic Control Engineering Henan Mechanical and Electrical Engineering College,Xinxiang He’nan 453003,China)

In order to accurately determine the crop water requirement and the proper strategy of precision irrigation,a precision irrigation system based on Zigbee wireless sensor networks and water stress technology was designed. The Zigbee was used to transmit the irrigation control signal,collect the sample data. LabVIEW and VC++6.0 were adopted to design the software system. The test results show that the system has friendly interface and is easy to use.

precision irrigation;Zigbee;LabVIEW;water stress;acoustic emission technology

2013-11-26修改日期:2013-12-12

S274.2

:A

:1005-9490(2014)06-1189-04

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.036