基于無線傳感網絡濕度自適應的折射式噴灌噴頭設計

余　鳴，傅志中，劉曉玲

( 1.蕪湖職業技術學院 電氣工程學院，安徽 蕪湖　241000；2.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上?！?00093；3.濟南職業學院 計算機系，濟南　250103)

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基于無線傳感網絡濕度自適應的折射式噴灌噴頭設計

余鳴1，傅志中2，劉曉玲3

( 1.蕪湖職業技術學院 電氣工程學院，安徽 蕪湖241000；2.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海200093；3.濟南職業學院 計算機系，濟南250103)

摘要：為了降低風和蒸發因素對噴灌效果的影響，針對我國農業種植的分散和多樣性特點，提出了一種適用于生態農業的節水噴灌噴頭結構，并設計了具有無線傳感網絡濕度自適應感應能力的電控閥門，可以根據土壤的濕度情況自動實時灌溉作業，從而有效節約了水資源。本設計的節水噴灌噴頭在結構上增加了反向補氣嘴，使噴頭可以完成直射、步進和反向旋轉動作，灌溉系統使用短距離無線通信協議，構建了無線通信網絡，使用MSP430和CC2420為主要部件搭建了硬件平臺。利用田間試驗的方法對噴灌噴頭的性能進行了測試，結果表明：傳感器采集數據的誤差均在精度允許的范圍內，采集數據的可靠性較好，節水噴灌噴頭可以有效的節約利用水，節水率較高，并且灌溉耗時短，提高了灌溉的質量和效率。

關鍵詞：傳感網絡；噴灌噴頭；補氣嘴；自適應；折射式；MSP430

0引言

近年來，國內外對節水灌溉技術進行了深入的研究，并且將無線傳感技術方案應用到了節水灌溉系統中，如基于GSM/GPRS的自動灌溉系統等。這些系統功能非常強大，可以根據實時氣象信息，對灌溉做出預測，并通過分析歷史數據，調整灌溉方案，使灌溉的效果達到最優。但是，這些系統成本較高，系統也非常龐大，不能適應分散多樣的灌溉地塊。無線傳感網絡是一種結構簡單、管理方便的通信網絡，可以有效地解決小面積灌溉區域的自動化灌溉問題，將其應用在節水灌溉系統中可以發揮較大的作用，使灌溉過程更加智能化。使用無線傳感網絡在灌溉區域可以布置無線傳感器節點，對作物的生長狀況和土壤的溫度濕度進行實時監測，結合氣候和土壤的墑情對農田進行自適應灌溉，可以有效地提高灌溉的效果。其安裝和維護管理成本低，對生態環境沒有影響，因此具有重大研究意義和廣闊應用前景。

1節水噴灌噴頭機械結構改進

除了水稻之外，大部分農田都可以使用噴灌的方式進行灌溉。噴灌方式對土壤的適應性較好，可以起到明顯的節水和增收效果，使農田灌溉由傳統的人工勞動轉變為機械化、半自動化甚至全自動化，提高了農業灌溉的現代化水平。在多風和蒸發強烈的地帶，噴灌的效果容易受氣候條件的影響，有時候比較難發揮其優越性，需要對其結構進行改進，改進后的結構如圖1所示。

1.轉體連接座　2.空心軸　3.限位環　4.換向機構　5.噴體

改進后的噴頭采用折射式噴水，在噴頭工作時，左邊利用反向小孔補氣，右邊通過間隙補氣，從而保證兩邊壓力相等。當信號水流入水孔后堵住水孔間隙，此時左側壓力大于右側壓力，噴頭開始轉動，導管中的水抽完后，小孔進入空氣，噴頭恢復直射狀態，噴頭折射式射流部件如圖2所示。在結構上增加了反向補氣嘴，信號水的流動和終止使主射流區域形成旋渦區，反向補氣嘴使主射流的壓力在高低間進行切換，主射流兩端形成壓差，使噴頭完成直射、步進和反向旋轉。

1.反向補氣嘴　2.信號水接嘴　3.出口蓋板

為了提高噴頭節水噴灌的自適應調節能力，在噴頭結構上增加了電控閥門，利用反饋自適應調節系統，控制閥門的通斷和流量，使整個灌溉控制過程形成一個閉環的控制回路，改變控制的參數和結構，提高控制的質量,如圖3所示。

圖3　反饋自適應控制結構圖

圖4為本研究設計的噴頭成品結構的示意圖。該噴頭為折射式噴灌噴頭，不僅可以實現步進和反向旋轉，而且可以降低風和蒸發因素對灌溉效果的影響，并具有自適應調節能力，可以大大提高噴灌的質量和效率。

圖4　噴頭結構示意圖

2噴灌噴頭自適應無線傳感網絡控制

無線傳感網絡是一種相對獨立的計算機網絡，其構成的基本要素是路由節點，在不同用途的無線傳感網絡中，節點的構成也是不同的，但基本都是由4部分組成的，包括數據處理模塊、通訊模塊、傳感器模塊和能量供給模塊，其結構如圖5所示。

圖5　無線傳感網絡結構框架圖

在架設無線傳感網絡時，首先在感興趣的區域放置傳感器節點，利用自組織功能形成無線傳感網絡。節點可以采集信息也可以發送信息，節點通過網絡和控制中心進行通信，通過預先設定的數值和采集數值進行對比，發出控制指令，其控制過程為閉環反饋調節。閉環控制系統采用輸入-輸出方程建立自適應模型，其微分算子的表達式為

Dm(p)ym=Nm(p)r

(1)

其中，r表示信號的輸入量；ym表示信號的輸出量；p表示微分算子。Dm、Nm的表達式為

(2)

(3)

其中，ami、bmi分別表示參考模型方程輸入量和輸出量的常系數。在自適應調節方案中，系統調節方程為

Ds(t,p)ys=Ns(t,p)r

(4)

(5)

(6)

其中，ys是表示調節系統的輸出信號；ey表示輸出誤差；asi(ey,t)和bsi(ey,t)表示調節系統方程的時變系數，系數的值可以通過自適應誤差調節得到。將初始系統和可調節系統進行綜合可得

Ds(p)ys=Ns(p)[r+u(ey,t)]

(7)

(8)

(9)

對自適應控制系統方程進行離散化可得

(10)

(11)

[ym(k-1),…,ym(k-n),r(k),…,r(k-m)]

(12)

在節水灌溉噴頭的設計中，可以參考自適應控制系統，將傳感器節點分布在噴頭上，利用自適應調節來調整噴頭的開放時間，達到土壤濕度的總體平衡，以適應農作物的生長。

圖6為自適應調節節水噴頭的設計原理。其控制機構為電控閥門，在灌溉區域，根據作物的種植生長和分布狀況，合理的布置節水噴頭，并在噴頭位置裝載無線傳感器網絡節點，形成多個小型監測區域，對土壤的濕度和溫度進行實時監測；監測數據利用無線網絡發送到監控中心，監控中心對數據進行分析后發出控制指令。數據采集的流程如圖7所示。

圖6　自適應調節噴頭設計原理

傳感器模塊利用SHT10傳感器實現對溫度和濕度的采集。該傳感器內置A/D轉換芯片，可以將采集得到的模擬信號轉換為數字信號，數據傳送到MSP430后對數據進行分析，發出控制指令，其流程如圖8所示。在發送控制數據時，FIFO和FIFOP仍然與接收緩存RXFIFO的狀態相關聯，只有SFD引腳指示發送狀態，操作CC2420發送緩存TXFIFO，控制電控閥門通斷，實現噴頭噴水的自適應調節。

圖7　傳感器數據采集流程

圖8　控制指令發送過程

3折射式噴灌噴頭性能測試

折射式節水灌溉噴頭的性能可以通過試驗進行驗證。本次試驗地點選在農田里，在噴頭對應位置安裝了溫度濕度傳感器，通過自組織形成了一個灌溉系統的無線傳感網絡，其測試過程示意如圖9所示。

圖9　節水灌溉噴頭性能測試

測試過程中，首先使用溫度和濕度傳感器對溫度和濕度數據進行采集，并利用MSP430和CC2420處理數據和發送控制指令，傳感器采集得到的數據如表1所示。

表1　溫濕度傳感器的測量值

這些測量值是在同一地點的不同時刻重復測量完成，記錄下了6次測量數據。由測量數據可看出：通過傳感器采集得到的數據和常規溫度計測量的數據基本相同，溫度的數值范圍約為28~29℃，濕度的數值范圍約為55%~61%，其誤差在精度允許的范圍內，測量數據的可靠性較好。

表2　噴頭節水灌溉測試結果

表2表示噴頭節水灌溉的測試結果。由測試結果可以看出：對噴頭進行改進后，使用自適應調節節水灌溉可以有效地節約用水，提高灌溉用水的利用率，且能夠節省灌溉耗時，提高灌溉效率。

4結論

1)提出了一種可以有效地降低風和蒸發因素對噴灌效果影響的噴頭機械結構，該噴頭增加了反向補氣嘴，使噴頭可以完成直射、步進和反向旋轉動作。針對我國農業種植的分散和多樣性特點，提出了具有自適應調節能力的灌溉系統無線傳感網絡方案，設計了自適應調節的電控閥門，可以控制噴頭的通斷和流量，從而大大提高了水資源的利用率，提高了灌溉的效率。

2)使用MSP430和CC2420為主要部件搭建了硬件平臺，并在田間利用溫度和濕度傳感器節點自組織構建了無線通信網絡，對噴頭的噴灌性能進行了測試。測試結果表明：傳感器節點可以有效地采集溫度和濕度數據，數據精度較高。使用折射式噴灌噴頭可有效地提高水資源的利用率，縮短了灌溉耗時，提高了灌溉的效率。

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Design of Refraction Sprinkler Head Based on Humidity Adaptive Wireless Sensor Network

Yu Ming1,Fu Zhizhong2,Liu Xiaoling3

(1.School of Electrical Engineering ,Wuhu Institute of Technology, Wuhu 241000, China; 2.School of Opto Electronic and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technolog,Shanghai 200093,China; 3.Department of Computer, Jinan Vocational College, Jinan 250103 ,China)

Abstract：In order to reduce the influence of the wind and evaporation factors on the sprinkler irrigation effect, it puts forward a kind of water-saving sprinkler nozzle structure, which is suitable for ecological agriculture according to the characteristics of agricultural planting in our country. The proposed water-saving sprinkler in the structure increased reverse air supply nozzle mouth, nozzle can be accomplished with Direct, step and reverse rotation, irrigation system uses short distance wireless communication protocol, the wireless communication network is constructed. And it builds a hardware platform as the main components by using MSP430 and CC2420. The test results can be obtained by the method of field test. The error of sensor acquisition data is in the range of accuracy, the reliability of the data acquisition is good. The water-saving sprinkler nozzle can save the use of water, the water saving rate is relatively high, and the irrigation time is short.

Key words：wireless sensor network; sprinkler; air supply nozzle; adaptive; refraction; MSP430

中圖分類號：S126；S491

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0081-05

作者簡介：余鳴(1957-)，男，安徽桐城人，副教授。通訊作者：劉曉玲(1977-)，女，濟南人，副教授，碩士，(E-mail)57yfl@sina.com。

基金項目：山東省科技廳項目(BS2013DX004)

收稿日期：2015-09-04