基于物聯(lián)網(wǎng)的水田無線監(jiān)控系統(tǒng)設計

吳澤全，東忠閣，劉立強

(黑龍江省農業(yè)機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

黑龍江省水稻種植面積400萬hm2左右，灌溉用水量巨大，2015年達300億m3，占農業(yè)用水量的90%以上。以水稻節(jié)水灌溉控制為主的相關技術推廣應用對水資源的有效利用具有十分重要的現(xiàn)實意義[1-3]。現(xiàn)階段寒地節(jié)水灌溉模式日益普及應用，畝均用水量顯著降低，但仍然普遍存在著人為控制的隨意性與不確定性問題，無法根據(jù)實時環(huán)境信息與作物各生育期不同需求進行精準控制，制約著用水效率的進一步提高。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，無線采集與遠程控制技術越來越多地應用到節(jié)水灌溉系統(tǒng)中，分布在田間的多點液位傳感器與溫濕度傳感器，定時檢測水層深度和環(huán)境信息參數(shù)，通過ZigBee無線網(wǎng)絡傳輸?shù)竭h程控制終端；終端自動或人為診斷后，發(fā)送決策指令到灌溉控制器；控制器接收指令并結合傳感器信息，進行水田自動補水與斷水[4-5]。

本文以兩塊100m×40m的水田地塊作為試驗對象，研究并設計一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術的水田監(jiān)控系統(tǒng)，通過傳感器的融合、遠程決策的生成與輸出及水泵與閥門的控制，實現(xiàn)對水田灌溉時間、次數(shù)、定額的全面調控。

1 設計方案及結構

1.1 總體結構

水田無線監(jiān)控系統(tǒng)由遠程終端、控制器、ZigBee無線網(wǎng)絡、傳感器及水田地塊組成，系統(tǒng)結構如圖1所示。遠程終端為用戶手機及APP，用于數(shù)據(jù)顯示與控制決策的生成(自動或手動)；ZigBee網(wǎng)絡包括1個主節(jié)點和5個子節(jié)點，主控節(jié)點一端通過GSM網(wǎng)絡連接遠程終端，一端作為協(xié)調器連接ZigBee各網(wǎng)絡子節(jié)點，負責數(shù)據(jù)流與控制流的路由與傳輸；控制節(jié)點包括水泵控制器與電磁閥門控制器；傳感器節(jié)點包括土壤溫濕度傳感器、環(huán)境信息傳感器(空氣溫濕度、風速、光照等)與液位傳感器。

1.水泵 2.水渠 3.閥門 4.溫濕度傳感器 5. 液位傳感器 圖1 系統(tǒng)結構Fig.1 System structure

1.2 ZigBee網(wǎng)絡結構

ZigBee無線技術簡單高效，網(wǎng)絡容量大，組網(wǎng)靈活多樣，支持星形、樹形和Mesh網(wǎng)絡等多種拓撲形式。基于ZigBee強大的組網(wǎng)能力，可將水田無線監(jiān)控系統(tǒng)中各路傳感器、控制器及終端無線連接起來，且具有較強的自組織性、擴展性和穩(wěn)定性。

根據(jù)項目實際需要，選擇Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)絡作為系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲架構，如圖2所示。該網(wǎng)絡結構由1個協(xié)調器、多個路由器和多個終端節(jié)點組成，主要優(yōu)點為：自配置能力強，路由與終端節(jié)點可自由增添刪減，其它節(jié)點自動適應拓撲變化，調整通信路由，實現(xiàn)多跳訪問；功耗低，由于鄰近節(jié)點間可直接通信，短跳傳輸距離短，傳輸數(shù)據(jù)的功率較小。

圖2 網(wǎng)絡拓撲結構Fig.2 Network topology

節(jié)點0為主控節(jié)點，作為協(xié)調器，集成了GSM模塊與ZigBee模塊，是網(wǎng)絡的起點，維護著整個網(wǎng)絡的路由與地址表格，保證通信正常；節(jié)點01為水田地塊1中靠近主控節(jié)點的土壤溫濕度一體化傳感器，集成了ZigBee模塊、采集轉換模塊與溫濕度檢測模塊，以ZigBee路由器模式，與主控節(jié)點通信，并實現(xiàn)其它節(jié)點的消息轉發(fā)；節(jié)點02為水田地塊1中的閥門控制器，該節(jié)點連接終端節(jié)點1(水泵控制器)和終端節(jié)點2(環(huán)境信息傳感器)；節(jié)點03為水田地塊1中第2個土壤溫濕度一體化傳感器；節(jié)點04為液位傳感器。節(jié)點11、12、13、14分布在水田地塊2中，其組成與地塊1中節(jié)點類似。

1.3 監(jiān)控流程

在系統(tǒng)自動運行模式下，水田的各參數(shù)信息采集由分布在水田地塊中的傳感器節(jié)點采集；采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)由ZigBee網(wǎng)絡發(fā)送到主控節(jié)點，數(shù)據(jù)融合后轉發(fā)到遠程終端，進行數(shù)據(jù)顯示、記錄和設定值報警，并為控制決策提供信息依據(jù)；遠程終端根據(jù)歷史信息、實時信息與作物生長信息，自動或手動生成控制目標決策，發(fā)回到主控節(jié)點，由主控節(jié)點結合傳感器實時數(shù)據(jù)，基于PID調節(jié)算法[6]，向控制節(jié)點輸出相應執(zhí)行指令，驅動水泵和電磁閥，實現(xiàn)閉環(huán)的變量控制。監(jiān)控流程如圖3所示。

2 關鍵部件設計

2.1 通用傳感器節(jié)點

傳感器節(jié)點基于一體化通用式設計，集成ZigBee模塊與單片機模塊，通過連接集成1組或多組不同的傳感器來完成對水田內各信息參數(shù)的實時采集。節(jié)點模塊結構如圖4所示。ZigBee模塊采用基于ZigBee2007/PRO協(xié)議棧的CC2530無線串口透傳通信模塊[7]；單片機模塊采用STM8L101超低功耗單片機，內部集成了8路12位A/D轉換器，可連接8個傳感器，且可直接對信號進行調理與采樣；電池模塊采用普通5號電池。該節(jié)點可作為ZigBee網(wǎng)絡的路由器或終端節(jié)點。

圖3 監(jiān)控流程圖Fig.3 Flow chart of monitoring

圖4 傳感器節(jié)點結構Fig.4 Sensor node structure

為使傳感器節(jié)點在單節(jié)電池供電下工作時間更長，在硬件方面進行了低功耗設計，硬件電路原理如圖5所示。典型的測土壤溫度傳感器節(jié)點實物如圖6所示。針對STM8，將其設置為活躍停機(Active Halt)模式，通過自定義的延時間隔定時產(chǎn)生內部喚醒事件，當任務完成后再自動進入停機狀態(tài)；針對CC2530，由于無線傳輸時功耗較大，盡量使其處于休眠狀態(tài)，當STM8喚醒并完成數(shù)據(jù)采集后，喚醒CC2530，延遲10ms后，數(shù)據(jù)發(fā)送或接收完成，系統(tǒng)將CC2530切換到休眠模式。經(jīng)測試該工作模式下的平均功耗為400μA，以60s為采樣間隔，單節(jié)5號電池可連續(xù)使用半年以上。

圖5 傳感器節(jié)點電路原理圖Fig.5 Sensor node circuit principle diagram

圖6 土壤溫度傳感器節(jié)點Fig.6 Soil temperature sensor nodes

2.2 通用控制節(jié)點

與通用傳感器節(jié)點的結構和組成基本一致，只是集成的傳感器組替換為帶光耦隔離的繼電器輸出模塊。在系統(tǒng)中控制對象為水泵電機和水渠的電磁閥門。水泵電機采用一般的離心電機，電源線路與繼電器常開點串聯(lián)，通過數(shù)字IO來執(zhí)行控制對象的通斷閉合。

2.3 主控節(jié)點

該節(jié)點主要包括ZigBee模塊、GSM模塊、單片機模塊、時鐘模塊、太陽能電源模塊、調試接口等，結構如圖7所示。ZigBee模塊采用CC2530，作為網(wǎng)絡協(xié)調器，完成各節(jié)點的信息流通；GSM模塊采用SIM900A模塊[8]，基于GPRS網(wǎng)絡服務，通過TCP/IP協(xié)議與AT指令實現(xiàn)與遠程終端的信息收發(fā)；單片機模塊采用基于AVR單片機的Arduino Uno開發(fā)板[9]，負責執(zhí)行控制決策，發(fā)送控制指令，Arduino是一個靈活易用的開源電子平臺，外圍模塊多，擴展方便，編程簡單，適合快速開發(fā)；時鐘模塊采用DS1302時鐘芯片，用于系統(tǒng)計時與同步。

圖7 主控節(jié)點結構Fig.7 The structure of the main control node

Arduino通過TTL串口與SIM900A通信，通信初始化流程如圖8所示。在指令發(fā)出后，應延遲一定時間后再接收響應，并應判斷響應是否正確，指令與響應均為ASCII碼字符串。

2.4 遠程終端APP

為快速開發(fā)與跨平臺需要，遠程APP基于BeX5開發(fā)平臺，安裝在Android手機上，接收來自主控節(jié)點的GPRS數(shù)據(jù)。設計上采用了MVC的設計思想，將業(yè)務邏輯和數(shù)據(jù)的表現(xiàn)分離開，有利于功能的擴展。系統(tǒng)功能上，實現(xiàn)了水田參數(shù)信息的遠程監(jiān)測、記錄、報警與水泵閥門的決策控制等功能，具有兩種控制模式(自動和手動控制)，主界面如圖9所示。軟件能夠繪制和展現(xiàn)不同環(huán)境信息的數(shù)據(jù)曲線，如圖10所示，便于歷史記錄的查詢。數(shù)據(jù)庫采用開源數(shù)據(jù)庫MySQL，可將作物全生長期的環(huán)境和土壤的數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中，利用JDBC數(shù)據(jù)庫驅動和SQL語言實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的快速讀取和寫入。

圖8 初始化流程Fig.8 Initialization process

圖9 遠程終端主界面Fig.9 Main interface of remote terminal

圖10 數(shù)據(jù)曲線Fig.10 Data curve

3 田間試驗

3.1 試驗基本條件

田間試驗在黑龍江省寧安響水大米主產(chǎn)地進行，控制對象為離心式水泵及節(jié)能電磁閥。電磁閥50mm口徑，帶自鎖功能。

3.2 試驗結果

使用以上設計的監(jiān)控系統(tǒng)進行現(xiàn)場應用測試，實時采集到的液位數(shù)據(jù)與土壤溫度、濕度數(shù)據(jù)曲線如圖11所示。由圖11可以看出：隨著控制液位的變化，土壤濕度的變化有一定滯后性，但總體趨勢與液位是正相關的；采集的參數(shù)信息在實時性、準確性及通信距離方面，符合系統(tǒng)設計要求。

圖11 測試曲線Fig.11 Test curve

4 結論

基于物聯(lián)網(wǎng)技術的水田無線監(jiān)控系統(tǒng)，集無線傳感器網(wǎng)、遠程通信、專家決策及灌溉自動控制等技術于一體，試驗表明：按照設計要求，實現(xiàn)了實時在線監(jiān)測土壤、空氣環(huán)境數(shù)據(jù)，遠程決策控制，歷史數(shù)據(jù)查詢，警告輸出等功能，達到了對水田資源與生態(tài)環(huán)境的科學調配、統(tǒng)一管理。

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