基于ZigBee和GPRS智能監(jiān)測的節(jié)水灌溉裝置設(shè)計

李凌雁，李 鑫，曹世超

(邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢臺 054000)

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基于ZigBee和GPRS智能監(jiān)測的節(jié)水灌溉裝置設(shè)計

李凌雁，李 鑫，曹世超

(邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢臺 054000)

為了提高農(nóng)業(yè)用水的利用率，解決農(nóng)業(yè)用水緊張問題，提出了一種基于分布式ZigBee和GPRS無線通信技術(shù)的大范圍遠程控制節(jié)水灌溉系統(tǒng)，實現(xiàn)了節(jié)水灌溉裝置的遠程監(jiān)控和自動化調(diào)節(jié)。該系統(tǒng)以單片機作為控制器，將土壤濕度測試數(shù)據(jù)進行傳輸和保存，通過設(shè)定閾值來控制零壓啟動電磁閥實施灌溉操作，并采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)和GPRS將采集的數(shù)據(jù)進行遠程傳輸，實現(xiàn)了定時定量和精確化灌溉。對精細化滴灌系統(tǒng)的過濾器和濕度測試裝置的智能監(jiān)測性能進行了測試，結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以有效地將過濾器壓力和濕度隨時間變化曲線傳送到遠程監(jiān)控端，且實現(xiàn)了自動化過濾裝置的反沖洗功能、滴灌噴頭的自動化調(diào)節(jié)及滴灌的精細化作業(yè)。

滴灌噴頭；智能監(jiān)測；分布式；ZigBee

0 引言

我國是一個水資源嚴(yán)重短缺的國家，近年來北方和西南地區(qū)遭遇了幾十年不遇的干旱天氣，使全國的受旱面積多達數(shù)百萬公頃，從而敲響了節(jié)約用水的警鐘。農(nóng)業(yè)用水是水資源消耗的主要因素之一，而采用高效、智能化灌溉技術(shù)可以大大節(jié)約水資源，不僅可以緩解水資源的緊張，還可以促進精細化農(nóng)業(yè)的發(fā)展。隨著無線通訊技術(shù)的發(fā)展和普及，無線傳感網(wǎng)絡(luò)ZigBee和GPRS技術(shù)已經(jīng)日漸成熟。由于ZigBee成本低、功耗小和可靠性高，被廣泛應(yīng)用于短距離通信中;GPRS覆蓋區(qū)域較大，基本可以覆蓋所有人類居住的地方，且其維護成本較低、安裝方便，可以實現(xiàn)遠距離通信。因此，將ZigBee和GPRS技術(shù)應(yīng)用到節(jié)能灌溉系統(tǒng)中，可以有效地提高灌溉裝置的自動化程度，實現(xiàn)精細化灌溉。

1 節(jié)水灌溉系統(tǒng)裝置和總體框架設(shè)計

在節(jié)水灌溉系統(tǒng)中，過濾器是重要的機械設(shè)備，是保證水從水源到噴頭的關(guān)鍵。在進行過濾時，隨著水源雜質(zhì)的增多，在過濾網(wǎng)表面沉積后容易發(fā)生阻塞，因此需要采用監(jiān)測設(shè)備對該過程進行實時監(jiān)測，這就需要對普通的滴灌噴頭進行改裝。改裝過程中，在過濾罐上安裝液壓傳感器，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液壓傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

使用液壓傳感器可以隨時監(jiān)測過濾罐內(nèi)的水壓變化，當(dāng)發(fā)生阻塞時，過濾罐內(nèi)的水壓會發(fā)生變化；該壓力值由壓力變送器通過PLC發(fā)給控制系統(tǒng)，當(dāng)壓力達到設(shè)定閾值時，由PLC控制電磁閥的通斷，并可以經(jīng)過反沖洗清通過濾網(wǎng)。

過濾驅(qū)動控制閥的控制原理如圖2所示。在初始狀態(tài)，啟閉腔體內(nèi)沒有壓力水，水流通過閥體，此時通水口1和2連通；如果系統(tǒng)出現(xiàn)阻塞情況，在控制器的控制下，有壓力水通過驅(qū)動口流到閥體的啟閉腔內(nèi)，腔體內(nèi)部的彈簧被頂起，當(dāng)達到某種程度時，通水口1和2斷開， 高壓水通過反沖，將過濾網(wǎng)沖洗干凈，從而避免過濾裝置發(fā)生嚴(yán)重阻塞。

圖3為本次使用濕度傳感器，該傳感器的工作量程為0～100%(m3/m3)。為了使其信息可以在遠程監(jiān)控終端顯示，需要將其配置在無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，整個無線網(wǎng)絡(luò)是由分布式的傳感網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點構(gòu)成，每個節(jié)點包括電源、控制器、零壓啟動電磁閥、ZigBee無線網(wǎng)和土壤濕度傳感器，如圖4所示。

圖2 過濾驅(qū)動控制閥

圖3 濕度傳感器

圖4 網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點硬件組成結(jié)構(gòu)示意圖

該系統(tǒng)采用12V的蓄電池作為電源，使用單片機作為控制器，單片機通過土壤水分傳感器采集土壤濕度，并將數(shù)據(jù)讀取保存到存儲器中。控制器通過控制零壓啟動電磁閥實施灌溉操作，并利用CC2430組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)和GPRS DTU與無線網(wǎng)進行數(shù)據(jù)連接，將采集的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h程控制終端，實現(xiàn)定時定量和精確化灌溉。

分布式傳感網(wǎng)絡(luò)主要由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、匯聚節(jié)點和互聯(lián)網(wǎng)主控器組成，典型無線網(wǎng)絡(luò)傳感器主要包括分布式的無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點及無線網(wǎng)，如圖5所示。每個傳感器節(jié)點都有一個較小的發(fā)射范圍，然后將每一個子節(jié)點收集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程控制節(jié)點。

圖5 分布式傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點

2 節(jié)水灌溉分布式網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

為了優(yōu)化節(jié)水灌溉無線網(wǎng)絡(luò)的資源配置，引入了Apriori關(guān)聯(lián)規(guī)則。假設(shè)I={i1,i2,i3,i4,i5}是所有無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點集合，D為項目集合數(shù)據(jù)庫，而每個局域網(wǎng)T是項目的集合，T被包含在I中。假設(shè)X是某些項目的結(jié)合，如果T中包含X，則稱事務(wù)T包含X，其關(guān)聯(lián)規(guī)則為：X包含在T?Y包含在T，表示X?Y，這里的?表示關(guān)聯(lián)操作。其中，X表示關(guān)聯(lián)規(guī)則假設(shè)條件，而Y表示關(guān)聯(lián)規(guī)則的運行結(jié)果。

項目數(shù)據(jù)庫D的關(guān)聯(lián)規(guī)則X?Y是由支持度s和置信度c約束的。置信度表示關(guān)聯(lián)規(guī)則的強度，支持度表示規(guī)則出現(xiàn)的頻度。其中，支持度s(X)表示D中包含X的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量與D中總的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量之比，也就是D中包含X的數(shù)量。關(guān)聯(lián)規(guī)則X?Y的支持度定義為：在D中包含X∪Y的節(jié)點所占比例s%，其置信度定義為在D中包含X的節(jié)點中有多大的可能也包含了Y。

最小支持度的閾值是表示無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點在統(tǒng)計意義上的最低主要性，而最小置信度閾值則表示關(guān)聯(lián)規(guī)則的最小可靠性。如果X滿足X.support≥min support，則X表示較大的數(shù)據(jù)項。最小支持度和置信度的閾值可以由用戶給定，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)項集大于支持度和置信度時，則稱為強關(guān)聯(lián)規(guī)則，可以依此對網(wǎng)絡(luò)進行設(shè)置；當(dāng)關(guān)聯(lián)規(guī)則小于置信度和支持度閾值時，則稱為弱關(guān)聯(lián)規(guī)則，需要摒棄這種網(wǎng)絡(luò)設(shè)置方法；而關(guān)聯(lián)規(guī)則的任務(wù)就是從數(shù)據(jù)庫中發(fā)現(xiàn)置信度支持度比規(guī)定閾值更加強壯的規(guī)則。

在數(shù)據(jù)挖掘的關(guān)聯(lián)規(guī)則算法中，Apriori算法是使用頻率最高的算法，其他的關(guān)聯(lián)規(guī)則算法一般都是基于Apriori研發(fā)的，這些算法的共同特性是頻繁項目集和的任一子集也是頻繁項目集。Apriori算法以不斷對候選項進行增加的方式來逐步搜索最大的頻繁項，從搜索第1頻繁項到搜索第2頻繁項，直到頻繁項的長度不能增加為止。在每次的循環(huán)過程中，首先產(chǎn)生一個項目頻繁集合Ck，然后利用支持度來搜索k頻繁項目集Lk。其中，分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的頻繁項集搜索主要步驟為：

1)通過連接(k-1)頻繁網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，產(chǎn)生候選頻繁集Ck(k>1)；

2)從Ck中去掉(k-1)中不屬于Lk-1的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點項，即去掉包含非頻繁項的候選集；

3)對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)據(jù)庫進行掃描，計算候選網(wǎng)絡(luò)節(jié)點項目集的支持度，從而獲得頻繁項目集。

基于Apriori關(guān)聯(lián)規(guī)則的無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化在節(jié)水灌溉分布式傳感網(wǎng)絡(luò)中，其具體流程如圖6所示。

圖6 分布式傳感網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化流程

首先通過數(shù)據(jù)分析來設(shè)定網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化最小支持度和最小置信度，然后利用關(guān)聯(lián)規(guī)則對無線網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化，使網(wǎng)絡(luò)配置達到最優(yōu)后，確定分布式網(wǎng)絡(luò)。

3 分布式智能監(jiān)測節(jié)水灌溉裝置實驗測試

由于灌溉水源的水質(zhì)較為復(fù)雜，因此過濾器選擇兩級過濾器:第1級過濾器為砂石過濾器，將大的雜質(zhì)濾除；第2級為網(wǎng)狀過濾器，可以將小的雜質(zhì)濾除，從而避免滴灌噴頭的阻塞。

通過第1級過濾器將砂石濾除后，滴灌水中只剩下無機物雜質(zhì)顆粒，經(jīng)過網(wǎng)狀過濾網(wǎng)后，將較小的顆粒濾除，通過智能監(jiān)測可以得到過濾器的壓力變化曲線。兩級過濾器的實驗測試圖如圖7所示。

圖7 兩級過濾器實驗測試圖

圖8表示滴灌系統(tǒng)過濾器的壓力監(jiān)測曲線，該曲線由無線網(wǎng)絡(luò)通過遠程傳輸?shù)竭_遠程監(jiān)控終端。由圖8可以看出：在過濾器阻塞時，壓力會突然增加，當(dāng)超過一定閾值時，驅(qū)動控制閥會控制通水口斷開，并進行反沖操作，從而避免過濾器的嚴(yán)重阻塞。

圖8 過濾器壓力監(jiān)測曲線

圖9表示滴灌濕度測試的實驗示意圖。在滴灌的噴頭部位安裝濕度傳感器，可以對土壤的水分比重進行實時的測量，測試結(jié)果通過分布式網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h程終端，如圖10所示。

圖9 土壤濕度滴灌測試示意圖

圖10 土壤濕度監(jiān)測曲線

由圖10可以看出：隨著時間的推移，在兩次滴灌時間間隔內(nèi)，土壤的濕度先增加、后減小；當(dāng)土壤濕度降低到一定值時，電控閥會控制滴灌噴頭繼續(xù)滴灌作業(yè)，以保持土壤濕度維持在一定值之內(nèi)。

4 結(jié)論

依據(jù)ZigBee和GPRS無線通信技術(shù)，對精細化灌溉裝置進行了優(yōu)化設(shè)計，包括滴灌系統(tǒng)過濾器、滴灌系統(tǒng)噴頭電磁控制閥等，并提出了一種全智能的節(jié)水灌溉裝置遠程監(jiān)控和自動化調(diào)節(jié)系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了滴灌的精細化操作，提高了農(nóng)田灌溉的自動化作業(yè)水平。對過濾裝置和滴灌噴頭電磁閥的性能進行了測試，結(jié)果表明：利用智能滴灌控制系統(tǒng)可以有效地監(jiān)測到過濾器阻塞信息，并能夠利用反沖洗功能消除阻塞情況。滴灌噴頭可以根據(jù)土壤的濕度進行自動化調(diào)節(jié)，并能夠?qū)崟r地輸出濕度監(jiān)測曲線，提高了灌溉系統(tǒng)的智能化水平，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)灌溉裝置的設(shè)計提供了技術(shù)參考。

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Abstract： In order to improve the utilization rate of agricultural water,solve agricultural problems of water shortage, it put forward a distributed ZigBee and GPRS wireless communication technology based on the large range remote control water saving irrigation system. It can realize theremote monitoring and automatic regulation of the water-saving irrigation device. The system took MCU as controller to realize the transmission and preservation of soil moisture testing data, control the zero voltage starting electromagnetic valve implementation of irrigation operation by setting a threshold. It will be collected by wireless sensor networks and GPRS data remote transmission, realize the timing quantitative and precise irrigation. It tested the last major intelligent monitoring performance of drip irrigation system for fine filter and humidity testing device.According to the test result, the system can effectively filter pressure and humidity along with the time change curve of transmission to the remote monitoring terminal. And it realized the automatic filter backwash functions and the automatic regulation of the drip nozzle, the drip irrigation of the fine operation.

ID:1003-188X(2017)08-0212-EA

Design for Water-saving Irrigation Device of Intelligent Monitoring Based on ZigBee and GPRS

Li Lingyan, Li Xin, Cao Shichao

(Xingtai Polytechnic College, Xingtai 054000, China)

drip nozzle; intelligent monitoring; distributed; ZigBee

2016-05-05

國家自然科學(xué)基金青年基金項目(51305152)

李凌雁(1981-)，女，西安人，工程師，(E-mail)llyan81@sina.cn。

S275

A

1003-188X(2017)08-0212-04