基于光電子信息處理的智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)研究

錢 彬,韓洪杰

(河北能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院,河北 唐山 063000)

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國,農(nóng)業(yè)用水量巨大;但是我國的水資源匱乏,農(nóng)業(yè)方面的可用水量占我國淡水總量的75%,水資源利用率僅為45%,遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國家的75%～80%的用水率[1-2]。目前,我國仍然有很多的地區(qū)采用人工控制灌水閥進(jìn)行漫灌,一方面土地濕度與農(nóng)作物不匹配,另一方面一旦忘記關(guān)閥門,將會造成經(jīng)濟(jì)損失和水資源的極大浪費。因此,可以依托發(fā)展的計算機(jī)和信息技術(shù),將傳統(tǒng)的灌溉方式轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芄喔瓤刂品绞絒3-4]。

智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合了計算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等[5-6],采用多個傳感器節(jié)點監(jiān)測灌溉用水量,自動開啟和關(guān)閉閥門,實現(xiàn)智能節(jié)水灌溉。通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對農(nóng)田灌溉區(qū)域進(jìn)行實時監(jiān)控,根據(jù)監(jiān)控結(jié)果實時調(diào)節(jié)水量,既能保證農(nóng)田的灌溉效率,提高水資源利用率,進(jìn)而提高農(nóng)作物產(chǎn)量,而且還能降低灌溉成本。因此,研究智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)具有重要意義。

光電子技術(shù)集合了微電子技術(shù)、光伏技術(shù)、蓄電池等技術(shù),可以實現(xiàn)光能和電能的轉(zhuǎn)換。目前,光電子技術(shù)在醫(yī)療、通信、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域均有較廣泛的應(yīng)用。通過光電子技術(shù)將光能轉(zhuǎn)化為電能,可為灌溉系統(tǒng)提供能量,多余電量還可輸出電網(wǎng)。在目前節(jié)能減排的環(huán)境下,該技術(shù)成為解決能源危機(jī)的一種手段[7]。本文將光電子技術(shù)應(yīng)用于智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng),既可實現(xiàn)能源的充分利用,又可實現(xiàn)灌溉系統(tǒng)智能控制和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 硬件設(shè)計

1.1 總體結(jié)構(gòu)

智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案如下:①系統(tǒng)的主要組成為數(shù)據(jù)采集模塊、中央控制中心、光伏電池、用戶界面模塊和執(zhí)行模塊;②系統(tǒng)采用無線傳感網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸及對智能灌溉系統(tǒng)的實時監(jiān)控;③系統(tǒng)的各模塊所使用的電能通過光伏電池提供。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)流程圖如圖1所示。

圖1 智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)總結(jié)結(jié)構(gòu)流程圖。

1.2 光伏電池

光伏電池由陽光傳感器、光收發(fā)機(jī)和蓄電池組成,通過光電子技術(shù)將光能轉(zhuǎn)化為電能。陽光傳感器用于跟蹤太陽光線,隨著時間的變化,太陽的光照角度、光照強(qiáng)度不斷變化,陽光傳感器則負(fù)責(zé)捕捉光照信號,使電池充電效率保持最高;光收發(fā)機(jī)則用于將光能抓換為電能;蓄電池采用24節(jié)電池串聯(lián),一方面將電能輸出,另一方面用于儲存多余電量,在無光照時將儲存的電量釋放供電。

電池組的電壓為24V,但陽光傳感器電路電壓為12V電壓,數(shù)據(jù)采集模塊為5V電壓,為滿足負(fù)載電壓要求,需要對電路進(jìn)行降壓。電路設(shè)計均采用降壓電源控制器控制,其電路如圖2所示。

圖2 降壓電路電路圖。

1.3 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊由采集溫度、濕度和pH值傳感器、ZigBee無線傳感網(wǎng)、A/D轉(zhuǎn)換器組成。其中,溫濕度和pH值傳感器節(jié)點負(fù)責(zé)采集土壤區(qū)域的溫濕度和pH值。由于采集到的數(shù)據(jù)不可識別,需要A/D轉(zhuǎn)換器將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可識別值,再通過網(wǎng)絡(luò)傳遞。ZigBee無線傳感網(wǎng)具有成本低、能耗低、復(fù)雜度低且可以雙向傳遞數(shù)據(jù)的優(yōu)點[8],因此作為該智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式。

1.4 執(zhí)行模塊

執(zhí)行模塊由電磁閥、閥門及水泵組成,用于進(jìn)行自動灌溉。中央控制中心向執(zhí)行模塊下達(dá)是否灌溉的指令,通過繼電器控制水泵的電磁閥閥門。電磁閥電路圖如圖3所示。通電時,繼電器閉合,此時電磁閥開始工作,灌溉系統(tǒng)啟動灌溉;斷電時,繼電器處于斷路狀態(tài),此時電磁閥停止工作,灌溉系統(tǒng)停止灌溉。

圖3 電磁閥電路圖。

1.5 用戶界面模塊

用戶界面模塊集界面參數(shù)、數(shù)據(jù)存儲、波形顯示和計算機(jī)于一體,計算機(jī)接收到土壤數(shù)據(jù)后,實時顯示數(shù)據(jù)變化趨勢,并自動存儲以便隨時查看歷史數(shù)據(jù)。

1.6 中央控制中心

中央控制中心是智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)的核心,主要由PLC進(jìn)行控制。對采集到的數(shù)據(jù)和設(shè)定值進(jìn)行比較,將分析結(jié)果傳達(dá)給執(zhí)行模塊,執(zhí)行是否灌溉的指令;用戶界面實時顯示數(shù)據(jù)和分析結(jié)果,以達(dá)到智能灌溉和實時監(jiān)控的目的。

2 軟件設(shè)計

可靠的數(shù)據(jù)傳輸是保證智能灌溉系統(tǒng)實時監(jiān)控的前提。一般無線傳感網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸采用等間隔的Huffman算法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,但該算法在數(shù)據(jù)傳遞時由于較多的采集點導(dǎo)致匯聚點數(shù)據(jù)過多而發(fā)生碰撞,能量消耗過多;在數(shù)據(jù)存儲時,存在相似的冗余數(shù)據(jù),造成存儲空間的浪費。因此,采用非均勻間隔的Huffman算法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

本算法以溫度和濕度的控制作為研究對象,首先利用多閾值判斷的方法去除環(huán)境中的冗余數(shù)據(jù),再利用Huffman算法進(jìn)行壓縮,從而得到壓縮后的環(huán)境信息。這樣既保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性,又保證了數(shù)據(jù)發(fā)送量最小,降低能耗。算法的步驟如下:

1)處理溫度數(shù)據(jù)。以T為周期采集溫度數(shù)據(jù),并設(shè)定初始溫度變化極限的閥值為ΔTmax,計算相鄰時刻采集到的溫度差,則

ΔT=|T(t)-T(t-1)|

2)處理濕度數(shù)據(jù)。濕度計算方法與溫度計算方法近似。以T為濕度采集周期,設(shè)置初始溫度變化閥值ΔHmax,計算t時刻和(t-1)時刻溫度差ΔH,則

ΔH=|H(t)-H(t-1)|

3)統(tǒng)計字符頻率。將需要壓縮的一幀數(shù)據(jù)輸入緩沖區(qū),整體掃描,統(tǒng)計數(shù)據(jù)幀中的n個字符出現(xiàn)的頻率。

4)構(gòu)件霍爾夫曼樹。確定n個字符的權(quán)重,根據(jù)權(quán)重構(gòu)造n棵二叉樹,規(guī)定最小權(quán)重的二叉樹根節(jié)點分別為0和1,并分別與其相鄰兩棵樹構(gòu)造新的二叉樹,其根節(jié)點值分別為子樹的權(quán)重和,原來的子樹則自動刪除。以該方法重復(fù)構(gòu)造二叉樹,直到只剩下1棵樹時,即為霍爾夫曼樹。原來的子樹成為樹上的葉子,并按照刪除順序形成0、1序列代碼。

5)發(fā)送編碼。將對應(yīng)葉子的編碼輸入緩沖區(qū)。

6)解壓縮。將壓縮后的數(shù)據(jù)幀編碼發(fā)送至服務(wù)器后,通過讀取編碼表,可以重建霍爾夫曼數(shù),解壓縮后即可得到原始數(shù)據(jù)。該算法的總體流程如圖4所示。

圖4 非均勻間隔的Huffman算法總體流程圖。

3 試驗

3.1 充電分析試驗

試驗選擇在春季9:00-16:00的時間段,測試光線強(qiáng)度并對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計。電池的初始電壓為40V,測試光伏電池電壓。由于陽光傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊的電路電壓要求不同,因此測試同時段的各處電壓。測試結(jié)果如表1所示。

表1 光線強(qiáng)度和各處電壓值。

由表1可知:隨光線強(qiáng)度的增加,電池電壓升高,電量除供給系統(tǒng)工作,多余電量儲存在蓄電池;下午時,光線強(qiáng)度降低,產(chǎn)生電量降低,電壓充電速度較慢,至15:00電池充電完成。陽光傳感器和數(shù)據(jù)采集模塊電路的電壓始終能夠維持恒定,說明電池能夠為電路提供恒定電壓。

3.2 監(jiān)控試驗

選擇1塊30m×30m的方形農(nóng)田,對其進(jìn)行灌溉和監(jiān)控試驗,測試時間為9:00-16:00。設(shè)置當(dāng)濕度低于40%時,灌溉系統(tǒng)自動啟動;濕度達(dá)到55%時,則灌溉系統(tǒng)自動停止。人工測試農(nóng)田溫度、濕度和pH值,并與傳感器傳輸給用戶界面模塊的數(shù)據(jù)結(jié)果對比,結(jié)果如表2所示。

表2 人工測試與數(shù)據(jù)傳遞結(jié)果對比。

續(xù)表2。

由表2可知:人工測試結(jié)果和傳輸結(jié)果的誤差很小,溫度的最大誤差為0.5℃,濕度的最大誤差為2%,pH值的最大誤差為0.5。這說明,系統(tǒng)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的完整傳輸,能夠滿足對智能灌溉系統(tǒng)的監(jiān)控。

4 結(jié)論

1)針對智能灌溉監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計,系統(tǒng)的主要組成為數(shù)據(jù)采集模塊、中央控制中心、光伏電池、用戶界面模塊和執(zhí)行模塊。

2)通過光電子技術(shù)實現(xiàn)灌溉和系統(tǒng)能源的供給,通過非均勻間隔的Huffman算法進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸,實現(xiàn)對灌溉系統(tǒng)的監(jiān)控。

3)試驗結(jié)果表明:光伏電池可以為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓,監(jiān)控系統(tǒng)能夠完成灌溉數(shù)據(jù)的實時傳輸,保證對灌溉的實時監(jiān)控。