吳澤全，東忠閣，劉立強(qiáng)

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)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(dá)300億m3，占農(nóng)業(yè)用水量的90%以上。以水稻節(jié)水灌溉控制為主的相關(guān)技術(shù)推廣應(yīng)用對水資源的有效利用具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-3]?，F(xiàn)階段寒地節(jié)水灌溉模式日益普及應(yīng)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(shí)時環(huán)境信息與作物各生育期不同需求進(jìn)行精準(zhǔn)控制，制約著用水效率的進(jìn)一步提高。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無線采集與遠(yuǎn)程控制技術(shù)越來越多地應(yīng)用到節(jié)水灌溉系統(tǒng)中，分布在田間的多點(diǎn)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(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)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(jié)合傳感器信息，進(jìn)行水田自動補(bǔ)水與斷水[4-5]。

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

1 設(shè)計方案及結(jié)構(gòu)

1.1 總體結(jié)構(gòu)

水田無線監(jiān)控系統(tǒng)由遠(yuǎn)程終端、控制器、ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)、傳感器及水田地塊組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。遠(yuǎn)程終端為用戶手機(jī)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(luò)包括1個主節(jié)點(diǎn)和5個子節(jié)點(diǎn)，主控節(jié)點(diǎn)一端通過GSM網(wǎng)絡(luò)連接遠(yuǎn)程終端，一端作為協(xié)調(diào)器連接ZigBee各網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流與控制流的路由與傳輸；控制節(jié)點(diǎn)包括水泵控制器與電磁閥門控制器；傳感器節(jié)點(diǎn)包括土壤溫濕度傳感器、環(huán)境信息傳感器(空氣溫濕度、風(fēng)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(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

1.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

ZigBee無線技術(shù)簡單高效，網(wǎng)絡(luò)容量大，組網(wǎng)靈活多樣，支持星形、樹形和Mesh網(wǎng)絡(luò)等多種拓?fù)湫问?。基于ZigBee強(qiáng)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(qiáng)的自組織性、擴(kuò)展性和穩(wěn)定性。

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際需要，選擇Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)作為系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)，如圖2所示。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由1個協(xié)調(diào)器、多個路由器和多個終端節(jié)點(diǎn)組成，主要優(yōu)點(diǎn)為：自配置能力強(qiáng)，路由與終端節(jié)點(diǎn)可自由增添刪減，其它節(jié)點(diǎn)自動適應(yīng)拓?fù)渥兓{(diào)整通信路由，實(shí)現(xiàn)多跳訪問；功耗低，由于鄰近節(jié)點(diǎn)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(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Network topology

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

1.3 監(jiān)控流程

在系統(tǒng)自動運(yùn)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(diǎn)采集；采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到主控節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)融合后轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)程終端，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、記錄和設(shè)定值報警，并為控制決策提供信息依據(jù)；遠(yuǎn)程終端根據(jù)歷史信息、實(shí)時信息與作物生長信息，自動或手動生成控制目標(biāo)決策，發(fā)回到主控節(jié)點(diǎn)，由主控節(jié)點(diǎn)結(jié)合傳感器實(shí)時數(shù)據(jù)，基于PID調(diào)節(jié)算法[6]，向控制節(jié)點(diǎn)輸出相應(yīng)執(zhí)行指令，驅(qū)動水泵和電磁閥，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)的變量控制。監(jiān)控流程如圖3所示。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 通用傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)基于一體化通用式設(shè)計，集成ZigBee模塊與單片機(jī)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(nèi)各信息參數(shù)的實(shí)時采集。節(jié)點(diǎn)模塊結(jié)構(gòu)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(jī)模塊采用STM8L101超低功耗單片機(jī)，內(nèi)部集成了8路12位A/D轉(zhuǎn)換器，可連接8個傳感器，且可直接對信號進(jìn)行調(diào)理與采樣；電池模塊采用普通5號電池。該節(jié)點(diǎn)可作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由器或終端節(jié)點(diǎn)。

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

圖4 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig.4 Sensor node structure

為使傳感器節(jié)點(diǎn)在單節(jié)電池供電下工作時間更長，在硬件方面進(jìn)行了低功耗設(shè)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(diǎn)實(shí)物如圖6所示。針對STM8，將其設(shè)置為活躍停機(jī)(Active Halt)模式，通過自定義的延時間隔定時產(chǎn)生內(nèi)部喚醒事件，當(dāng)任務(wù)完成后再自動進(jìn)入停機(jī)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(dāng)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(diǎn)電路原理圖Fig.5 Sensor node circuit principle diagram

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

2.2 通用控制節(jié)點(diǎn)

與通用傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)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(jī)和水渠的電磁閥門。水泵電機(jī)采用一般的離心電機(jī)，電源線路與繼電器常開點(diǎn)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(diǎn)

該節(jié)點(diǎn)主要包括ZigBee模塊、GSM模塊、單片機(jī)模塊、時鐘模塊、太陽能電源模塊、調(diào)試接口等，結(jié)構(gòu)如圖7所示。ZigBee模塊采用CC2530，作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，完成各節(jié)點(diǎn)的信息流通；GSM模塊采用SIM900A模塊[8]，基于GPRS網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，通過TCP/IP協(xié)議與AT指令實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程終端的信息收發(fā)；單片機(jī)模塊采用基于AVR單片機(jī)的Arduino Uno開發(fā)板[9]，負(fù)責(zé)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(kuò)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(diǎn)結(jié)構(gòu)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(yīng)延遲一定時間后再接收響應(yīng)，并應(yīng)判斷響應(yīng)是否正確，指令與響應(yīng)均為ASCII碼字符串。

2.4 遠(yuǎn)程終端APP

為快速開發(fā)與跨平臺需要，遠(yuǎn)程APP基于BeX5開發(fā)平臺，安裝在Android手機(jī)上，接收來自主控節(jié)點(diǎn)的GPRS數(shù)據(jù)。設(shè)計上采用了MVC的設(shè)計思想，將業(yè)務(wù)邏輯和數(shù)據(jù)的表現(xiàn)分離開，有利于功能的擴(kuò)展。系統(tǒng)功能上，實(shí)現(xiàn)了水田參數(shù)信息的遠(yuǎn)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(qū)動和SQL語言實(shí)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(yuǎn)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(yàn)

3.1 試驗(yàn)基本條件

田間試驗(yàn)在黑龍江省寧安響水大米主產(chǎn)地進(jìn)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(yàn)結(jié)果

使用以上設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用測試，實(shí)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(guān)的；采集的參數(shù)信息在實(shí)時性、準(zhǔn)確性及通信距離方面，符合系統(tǒng)設(shè)計要求。

圖11 測試曲線Fig.11 Test curve

4 結(jié)論

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的水田無線監(jiān)控系統(tǒng)，集無線傳感器網(wǎng)、遠(yuǎn)程通信、專家決策及灌溉自動控制等技術(shù)于一體，試驗(yàn)表明：按照設(shè)計要求，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時在線監(jiān)測土壤、空氣環(huán)境數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程決策控制，歷史數(shù)據(jù)查詢，警告輸出等功能，達(dá)到了對水田資源與生態(tài)環(huán)境的科學(xué)調(diào)配、統(tǒng)一管理。

[1] 孫偉.中國農(nóng)業(yè)節(jié)水技術(shù)推廣關(guān)鍵影響因素研究[D].哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2012.

[2] 郎景波,王俊,李鐵男,等.基于節(jié)水增糧行動背景下的黑龍江省高效節(jié)水灌溉裝備需求分析[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報,2015(5):456-460.

[3] 陳志偉.寒地水稻節(jié)水控制灌溉技術(shù)試驗(yàn)研究[D]. 哈爾濱：東北農(nóng)業(yè)大學(xué),2015.

[4] 陳勇,曹玉保,王林強(qiáng).基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)灌溉監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2012(22):104-106.

[5] 薛濤,杜岳峰,田紀(jì)云,等.基于ZigBee技術(shù)的棉田滴灌監(jiān)測與控制系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報,2016(S1):261-266.

[6] 劉超.寒地水稻調(diào)虧灌溉Fuzzy-PID智能監(jiān)控系統(tǒng)研究[D]. 哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué),2012.

[7] 張京,楊啟良,戈振揚(yáng),等.溫室環(huán)境參數(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建與CC2530傳輸特性分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2013(7):139-147.

[8] 張繼飛.基于Atmega128和SIM900A的智能停電報警器[J].求知導(dǎo)刊,2014(9):116-117.

[9] 鐔曉剛,高國偉,張立強(qiáng),等.基于Arduino平臺的農(nóng)用土壤濕度控制器的設(shè)計[J].傳感器世界,2016(5):30-34.