基于無線傳感器網絡的滴灌系統應用研究

夏雪峰,毛玉芳,蔣利俊,施建業

(1.宜興市芳橋街道水利站，江蘇 宜興 214200;2.宜興市新莊街道水利站，江蘇 宜興 214200;3.宜興市西渚鎮水利站，江蘇 宜興 214200;4.揚州市勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225000)

近十年來，精準農業(PA)作為一種新的農業發展趨勢，在農業實踐中得到了廣泛的應用。PA的主要目的是監測農業地塊的時空特征[1]。這樣，既可以優化作物產量，又可以保留自然資源、財力資源和能源資源。然而，由于受監測的農業區域普遍分散，且環境條件多變，因此準確、實時地收集相關信息變得更加困難。此外，傳統的解決方案，如衛星圖像、飛機或其他基于地圖的系統，由于成本高昂，無法得到廣泛推廣。為了克服這一限制，本文將無線傳感器網絡(WSN)引入農業環境中[2]。傳感器節點部署在農田中，首先收集環境信息和監測土壤特征，然后，按照設計的協議進行合作，將收集到的信息傳輸到中心節點，最后，對這些信息進行處理并做出最終決定[3]。

無線傳感器在PA中的一個重要應用是灌溉系統控制。為此，通過將新技術與農業實踐相結合，對提高灌溉控制系統進行了大量的研究。在灌溉策略中，滴灌被認為是最有效的節水策略。此外，將這一策略與無線傳感器相結合，可以達到節水灌溉的目的。然而，灌溉系統的可靠性需要不斷改進。為此，本文提出了一種基于無線傳感器的滴灌系統模型。模型主要包括土壤濕度、溫度和壓力傳感器，用于監測作物灌溉參數。此外，可以通過一個適當的基于優先級的路由協議來實現高QoS性能，從而確保不同節點類型和接收器之間的有效實時通信。

1 滴灌系統模型

本文提出的灌溉系統系統主要包括以下傳感器和執行控制器：

土壤濕度傳感器：通過控制土壤導電率或地下體積含水量(VWC)等參數來優化灌溉策略。測量土壤濕度可以更有效地管理作物的灌溉時間以及灌溉量，用更少的水來種植作物，提高作物質量和產量，提高灌溉水有效利用率。

溫度傳感器：用于監測環境溫度，從而可以根據測得的溫度調整灌溉計劃，以避免水分蒸發的風險。

壓力傳感器：用于測量氣體或液體的壓力，并將其轉換為可傳感信號。在灌溉應用中，這種傳感器有助于監測管道安裝的異常壓力。當壓力過大時，可通過通信模塊(ZigBee/802.15.4)向相應的電磁閥或主閥(控制主管道)發送信息，以關閉系統。當壓力值較低時可能是管道破裂或閥門打開失敗的信號。當壓力值較高時，則表明閥門沒有正確關閉或某些管路被堵塞。

電磁閥：它是一種機電閥，用于控制液體或氣體，電磁閥是一個線圈，結合ZigBee模塊以及無線通信控制電磁閥的運行或停止，從而改變閥門的狀態。同時，電磁閥外部可安裝太陽能電池板對其進行供電。

接收節點：對應系統網關，拓撲中的所有傳感器節點都需要將收集到的信息轉發到要處理的接收器節點。此外，通過該節點，向相應的執行器或傳感器生成請求命令。

2 無線傳感器模擬應用

2.1 工作環境

本文模擬場景基于圖1所示的拓撲結構，在此基礎上對載波感知協議(CSA)和多路徑路由協議(TPGF)進行對比分析。研究模擬的拓撲面積為200 m×200 m，節點總數280個(包括壓力、溫度/土壤水分、閥門節點)。假設每個網格代表實際面試為20 m2。隨機選擇兩個源節點(壓力和溫度/土壤濕度)，并在不同的時間間隔內開始傳輸。為了區分NS2模擬器中模擬的兩個流量，我們選擇了每秒的恒定比特率為X包，流量作為溫度/土壤濕度源節點，其中：

圖1 部署了無線傳感器的滴灌系統

X={8,16,24,32}

(1)

對于壓力源節點，我們選擇數據速率等于20×103字節的指數流量(exp)。通信持續時間為30 s，對于每個X值，生成20個場景，并計算結果的平均值，最終給出的結果置信區間為95%。根據節點的特性和雙射線地面傳播模型方程，定義了接收和載波感知閾值。它們各自的值分別為3.981×10-13w和3.981×10-14w，表示傳輸范圍近20 m，載波感應范圍35 m。

2.2 部署策略

部署傳感器節點監測農田是一個關鍵問題。事實上，選擇最有利的配置必須考慮許多參數，如作物特性、氣象參數、傳感器和節點規格，以及預算。農業無線傳感器網絡中傳感器節點的覆蓋范圍必須是密集的。通過這種方式，可以收集所有需要的測量值，從而對監測區域有更可靠的了解。對于面積為100 m2的監控范圍，至少需要8090個節點，每平方米大約有一個傳感器節點。當節點密度較大時可以將傳感器的傳輸功率降低到最低水平，從而節省能源。除了擁有足夠數量的節點之外，還必須確定拓撲結構。在起始拓撲、樹拓撲或網格拓撲中，正確的選擇取決于現場的大小和植物的形成條件。

2.3 溝通策略

在圖2中，給出了設計滴灌系統中所有參與者之間的通信流程。傳感器節點定期采集農田溫度和土壤水分。根據獲得的值，傳感器節點決定是否向接收器發送信息。在水槽節點，對異常信息進行處理，并根據植物需求調整灌溉計劃。一旦執行器接收到來自水槽的信號，它們就會控制相應的閥門打開或關閉。如果閥門打開，水流通過管道，壓力節點開始感應。如果收集到任何異常壓力值，將向水槽節點發送警報消息，以關閉灌溉過程并請求外部人員驗證管道安裝。

圖2 滴灌系統信息傳達路線

3 結果分析

從研究正常和優先流量的數據處理速率指標開始分析。圖3為正常流量的數據處理速率。從圖3可以看出，對于兩種協議，數據處理速率都隨著每秒數據包數的增加而減少。主要原因是隨著流量越大，碰撞可能性也越高，從而降低數據處理速率。對于CSA協議，其數據處理速率在8～24 cbr 之間較高，此后，數據處理速率略低于TPGF。對于TPGF路徑，它是根據貪婪轉發機制構建路徑，因此構建的路徑較短。因此，在CSA的情況下，數據處理速率高于TPGF。

圖3 正常流量的數據處理速率與每秒數據包數的關系

圖4代表優先流量的數據處理速率，從圖中可以看到，對于這兩個協議，數據處理速率隨著每秒數據包數量的增加而減少。很明顯，CSA協議比TPGF協議的數據處理速率更高。數據處理速率最大差值可達20%。對于TPGF來說，優先流量在不斷增加時，數據處理速率明顯降低，這種性能對于優先級流量來說是不可接受的。事實上，當一個節點不能傳輸時，并且另一個節點在其載波范圍內已經處于傳輸階段時，就會發生載波范圍效應。因此，當每秒數據包數數目較大時，由于各路徑節點之間存在競爭，各路徑節點相互剝奪信道訪問權，導致丟失數據包的可能性更為明顯。

圖4 優先流量的數據處理速率與每秒數據包數的關系

圖5描述了優先級通信情況下兩個協議的延遲。可以看到延遲隨著每秒數據包數量的增加而增加。與TPGF協議相比，CSA協議提供的延遲更低。由于CSA協議中的施工路徑過程確保了優先交通不會受到鄰近地區任何通信的干擾，這種性能適用于通常對延遲敏感的優先級流量。

圖5 優先流量平均延遲與每秒數據包數的關系

4 結 論

本文提出了一種基于無線傳感器的滴灌系統模型體系結構。監測模型包括土壤濕度、溫度和壓力傳感器，用于監測以及控制農田灌溉參數。并且將灌溉系統發生故障的情況也考慮在內，如管道破裂或發射器堵塞時會根據管內壓力信號進行反饋，從而對系統的正常運行進行精準控制。此外，本文還區分了WSAN傳輸的信息的兩個主要流量級別，通過適當的優先級的路由協議實現了高QoS性能，為此進行了大量的模擬，對于優先流量，CSA協議提供的延遲更低，數據處理速率方面具有較好的性能。