遠程監控葡萄園土壤墑情的物聯網體系結構研究

康立軍，吳麗麗，郭繼富

（1.甘肅農業大學信息科學技術學院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學資源與環境學院，甘肅 蘭州 730070）

釀酒葡萄作為甘肅省河西地區主要經濟作物之一，2011年種植總面積已達9 300 hm2，年產量達12萬 t，已形成武威、張掖和嘉峪關3大產區。目前，該地區葡萄園灌溉方式以人工漫灌為主，技術較為落后，水資源浪費嚴重。近年來，雖然有部分葡萄園開始采取滴灌措施，推廣節水灌溉技術，但是由于缺乏有效的土壤墑情監測與分析系統，灌溉程度仍然依靠經驗確定，常常出現灌溉不及時或過量灌溉的問題。因此，迫切需要一種合適的土壤墑情監測分析技術，及時判斷葡萄園土壤是否缺水，從而進行適時適量的灌溉，以滿足葡萄植株對水份的生理需求，確保葡萄的產量和品質。物聯網的出現，為葡萄園土壤墑情信息的采集、數據傳輸、灌溉決策、實時控制提供了一個嶄新的思路。

物聯網是通過射頻識別、紅外感應、全球定位系統、激光掃描器等信息傳感設備，按約定的協議，把物品與互聯網連接，進行信息交換和通信，以實現對物品的智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡[1-4]。近年來，國內學者在墑情監控方面利 用無線傳感監測技術、遠程通信與控制技術做了大量研究，例如：吳秋明等 [5]開發的以物聯網為基礎的干旱地區智能化微灌系統、胡培金等[6]開發的以zigbee 無線網絡為基礎的土壤墑情監控系統、樊志平等[7]設計的柑橘園土壤墑情遠程監控系統、孫忠富等[8]實施的以GPRS和WEB為基礎的溫室環境信息采集系統、靳廣超等[9]設計的以ZigBee為基礎的土壤墑情監測系統，陳天華等[10]設計的以ARM和GPRS為基礎的遠程土壤墑情監測預報系統等。這些系統在一定程度上具備了物聯網模式的雛形，但系統的結構不夠明晰、集成化程度不高，難以推廣應用。

以葡萄園為對象，針對土壤墑情監控的物聯網體系結構、數據傳輸模式、決策支持、自動控制等方面，設計開發了一套物聯網葡萄園土壤墑情實時監控系統。該系統傳感節點通過ZigBee無線通信技術組成星型網絡，實現了土壤墑情的不間斷實時監測。同時，借助GSM和Internet網絡實現了數據的遠程傳輸和灌溉控制，并開發了土壤墑情監控與決策支持軟件系統，為該系統的推廣應用提供了基礎。

1 葡萄園土壤墑情實時監控系統的總體設計

1.1 系統結構設計

依據物聯網體系結構[11-14]，將葡萄園土壤墑情實時監控系統分為感知層、數據傳輸層、數據處理層和用戶層4級結構。各層之間功能相互獨立，層與層之間通過軟件接口傳輸數據。其中，感知層負責土壤墑情信息的采集及灌溉控制，由傳感節點和灌溉控制柜組成；傳輸層負責各類數據的傳輸，由田間ZigBee網絡、GSM模塊和Internet組成；數據處理層負責數據的存儲、統計、分析、圖形化顯示等，并根據土壤墑情信息進行決策和自動控制，由數據庫和后臺數據處理軟件組成；用戶層為各類管理人員，如網絡用戶和手機用戶，通過傳輸層訪問系統。系統結構如圖1所示。感知層與傳輸層之間采用ZigBee技術通信；傳輸層與數據處理層之間采用SMS通信；用戶層與數據處理層之間通過Internet或SMS通信。

1.2 感知層設計

1.2.1 灌溉控制柜設計 一般條件下，灌區管理人員水平普遍偏低，使用現代化電子控制設備的能力不足。因此，自行設計了專門的灌溉控制柜，其只有啟動和停止兩個控制鍵，操作十分簡單，可對8個灌溉分區進行灌溉控制。同時，控制柜具備人工控制和自動控制兩種工作模式。自動模式下，操作人員可通過軟件系統或移動設備遠程啟動或停止。該控制柜主要由單片機、GSM模塊、PLC、液晶觸摸屏等組成，外接電磁閥、排沙裝置、肥料控制裝置、流量計等，系統結構如圖2所示。其中，單片機選用STC12C5A60S2，GSM模塊選用杭州威步科技有限公司的NewMsg-RFC30H通訊模塊；單片機與GSM模塊集成到一塊電路板上，形成一個遠程控制單元（Remote Control Unit，RCU），實現遠程控制功能；PLC采用西門子PLC-CPU224模塊。

圖1 葡萄園土壤墑情實時監控系統的結構Fig.1 Structure of real-time monitoring system for soil moisture in vineyard

1.2.2 無線傳感節點設計 無線傳感節點是整個系統運行的基礎，由土壤濕度傳感器、ZigBee無線通信模塊、單片機和電源模塊4部分組成。該設計中土壤濕度傳感器采用TDR-3傳感器，其穩定時間為1 s，測量范圍在0%～100%，精度在0%～50%時誤差為±2%；ZigBee通信模塊采用上海順舟電子科技公司的SZ02-200模塊，其發射功率為3 dbm，傳輸距離最大可達200 m；單片機的型號與控制柜的相同。單片機與ZigBee模塊之間通過TTL接口連接。系統結構如圖3所示。

圖3 傳感節點的結構Fig.3 Structure of wireless sensor node

1.3 傳輸層設計

考慮到田間布線、遠距離通訊和用戶數據訪問等問題，傳輸層綜合了多種傳輸技術，主要由田間ZigBee無線網絡、GSM模塊和通信網關等組成。ZigBee技術是一種新興的低能耗、低速率和低成本的無線通信技術，主要用于近距離無線通信；而GSM模塊則用以實現遠距離通信，設計中采用SMS（short messaging service）收發數據；通信網關負責將ZigBee網絡和GSM網絡連接起來，從而實現兩種不同網絡之間的通信。

該系統自行設計的通信網關由單片機、ZigBee模塊、GSM模塊、供電部分4部分組成，系統結構如圖4所示。該系統有單點控制和整體控制兩種工作模式，依靠單片機軟件控制實現。單點控制是指網關可以向單個無線節點發送控制指令，采集土壤墑情信息；整體控制是指網關一次向全部下接無線節點發送控制指令，并延時等待所有節點上傳數據，若收到所有節點數據，則向上位機傳輸數據；若在一定時間間隔內有節點沒有返回數據，則認為該節點數據采集失敗，將再次發送指令，直至收到所有數據。ZigBee模塊的型號與傳感節點的相同；GSM模塊、單片機的型號與控制柜的相同。

1.4 數據處理層設計

圖4 通信網關的結構Fig.4 Structure of communication gateway

數據處理層主要完成數據的組織與管理、編碼、解碼等工作，該結構的易用性、穩定性和可維護性對該系統的推廣應用至關重要。B/S架構軟件在分布性、可維護性及部署方面有較大優勢，是今后軟件運行的主要方式，但其無法實時響應數據的變化[15]。因此，開發了專門的后臺服務程序，主要完成對數據的實時采集、數據入庫以及根據土壤墑情信息進行實時決策等；B/S架構軟件主要完成對系統基本信息的管理、數據統計分析、圖形化顯示等功能。同時，由于用戶需要通過B/S軟件發送控制指令，所以該軟件與后臺服務程序之間需要通信，此處采用UDP協議，利用socket完成數據交換[16]。在B/S構架軟件中設計了系統管理、設備管理、土壤墑情監測、灌溉控制、知識庫管理等功能。其中，系統管理用于設置系統參數、水分傳感器所用校正公式、系統工作模式設定、數據導入導出等；設備管理用于管理傳感器型號、公式、埋深、所屬節點等信息；土壤墑情監測用于土壤墑情信息采集（包括定時自動采集和人工采集）、圖形化監測等；灌溉控制用于管理灌區的劃分、灌溉參數設置、灌溉控制、灌溉查詢等；知識庫用于管理葡萄的品種信息以及不同品種的生育期及其在不同生育期的需水參數等。系統在.net平臺下開發完成，數據庫采用MSSQL2000，系統結構如圖5所示。

圖5 B/S架構軟件系統功能Fig.5 Function diagram of B/S architecture software

2 葡萄園土壤墑情實時監控系統的工作原理

該系統中，無線傳感節點、通信網關、灌溉控制柜是整個系統運行的基礎，而軟件則是系統的核心，負責調控各部分之間的協同工作。當操作人員通過Web頁面發送土壤墑情采集指令時，指令先傳送至守護程序，再由守護程序寫入到GSM模塊，GSM模塊以SMS方式將指令發送到通信網關，最后通信網關再將指令發送到下聯的土壤墑情采集器。接收數據時，執行相反的流程。

灌溉控制方式分為人工控制和自動控制兩種工作模式。在人工控制模式下，灌溉控制柜的啟動或停止，由操作人員手動或通過軟件系統發送啟停指令，而土壤墑情信息的采集可以即時采集，也可以定時采集；在自動控制模式下，土壤墑情信息采集方式必須為定時自動采集，當土壤墑情信息低于預設下限時，即刻進行灌溉。灌水方式為定量灌溉，即灌水量固定的工作模式，管理員需要首先確定灌水定額，而后系統根據灌溉面積計算灌水量。系統自動控制原理如圖6所示。

圖6 葡萄園土壤墑情實時監控系統自動控制的原理示意圖Fig.6 Principle schematic of automatic control for real-time monitoring system for soil moisture in vineyard

3 葡萄園土壤墑情實時監控系統的測試

3.1 測試環境

試驗在甘肅農業大學校內葡萄園進行，該園區面積共6 600 m2，平均分為5個灌區，灌溉方式為滴管。在泵房安裝了1個灌溉控制柜、1個通信網關，軟件系統部署在校園網服務器上，通過Internet訪問。

3.2 網絡測試

網絡測試分為單點測試和組網測試兩種方式。單點測試時采用一個無線節點，組網測試時采用4個無線傳感節點，并啟動網關和上位機通信模塊。無線節點與網關的距離從40 m開始，依次增加20 m，直至二者相距200 m。多次測試的結果表明，上位機從發送指令到收到返回數據平均需要14 s，這主要是由于SMS的收發需要經過運營商，加之上位機短信模塊為串口接入，而串口讀寫速度較慢造成的。因此，為確保系統通信質量，測試中，上位機發送指令時間間隔設定為20 s，記錄2 h（上位機共發送360條指令）內上位機接收數據包的數量，測試結果如表1所示。

從表1中看出，單點測試時，當傳感節點與通信網關距離在120 m以內時，數據包發送成功率為100%，說明GSM模塊和ZigBee模塊兩者工作性能穩定、可靠；當距離超過120 m時，隨著傳感節點與網關距離的增大，成功率逐漸下降，說明ZigBee無線信號受距離影響明顯。組網測試時，當距離在120 m內時，成功率在99%以上；距離超過120 m時，成功率基本與單點測試步調一致，說明網關壓力增大會造成丟包，與通信距離無關。

表1 葡萄園土壤墑情實時監控系統收發包情況統計Table 1 Statistics of delivering packets of real-time monitoring system for soil moisture in vineyard

3.3 自動控制測試

測試時，在葡萄園內采用“矩形四點”方案[5]安裝了4個土壤墑情采集器，編號分別為0001（圖7A）、0002（圖7B）、0003（圖7C）、0004（圖7D）；0001～0004分別與通信網關距離54、64、90和82 m。每個土壤墑情采集器掛接了3個土壤水分傳感器。由于葡萄根系主要分布在20～60 cm深的土層中[17]，因此3個土壤水分傳感器的埋深分別為20、40和60 cm。每天采集1次信息。以4個節點20 cm處傳感器的平均值作為灌水控制閥值[18]。試驗中灌水閥值設定為15%[19]，即土壤體積含水率低于15%時即刻灌水，灌水方式為定量灌溉。

圖7 自動控制測試結果Fig.7 Test result of automatic control

從2012年3～4月運行效果來看（圖7），3月29日和4月19日，20 cm處土壤的平均含水率分別為14.825%和14.985%，低于設定閥值，系統自動進行了灌溉，土壤含水率顯著提高，其后土壤含水率逐漸下降。試驗結果表明，傳感節點、通信網關、灌溉控制柜、軟件系統4者之間能夠協同工作，葡萄園內的土壤含水率一直維持在一個范圍之內，保證了葡萄正常 生長的需要。

4 結 論

目前，國內物聯網技術在農業領域的應用研究尚處于起步階段，相關技術還不夠成熟穩定，但其有良好的系統結構，容易擴充和實現，因此在各個領域具有廣泛的應用前景。

該設計將現有物聯網硬件產品進行二次開發和組裝，設計了針對葡萄園的物聯網體系結構、數據傳輸和數據智能處理等模塊，形成了一套完備的葡萄園土壤墑情實時監控系統，并成功投入使用。測試結果表明：該系統安裝方便、運行穩定可靠、實時性強；可實現系統的分散部署、集中管理與控制，為今后物聯網技術在農業中的開發應用提供了參考。

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