基于物聯(lián)網(wǎng)的土壤水分實(shí)時(shí)檢測(cè)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文
0 引言。
隨著現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)（ 如藍(lán)牙、紅外線、WiFi、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（ 如 ZigBee、GPRS） 、信息處理技術(shù)（ 如云計(jì)算技術(shù)等） 的發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在機(jī)械化的基礎(chǔ)上正在朝著自動(dòng)化、智能化的方向推進(jìn)。
土壤水分反映了農(nóng)業(yè)干旱程度，以土壤水分為指標(biāo)，可以指導(dǎo)農(nóng)業(yè)灌溉。土壤的含水狀況俗稱土壤墑情，還包括土壤性質(zhì)、深度等狀態(tài)，其關(guān)系到農(nóng)作物的優(yōu)質(zhì)生長(zhǎng)。不能及時(shí)、足量灌溉，或過(guò)量灌溉，都可能導(dǎo)致農(nóng)作物根莖不能從土壤及時(shí)吸收水分，影響農(nóng)作物的正常生長(zhǎng)。另一方面，從農(nóng)業(yè)節(jié)水、節(jié)能及可持續(xù)性發(fā)展角度考慮，在灌溉作業(yè)中，要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉水資源高效利用，必須實(shí)時(shí)、精確地掌握農(nóng)田土壤水分信息，準(zhǔn)確地控制灌溉開(kāi)始時(shí)機(jī)、結(jié)束時(shí)機(jī)及水量，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)水、節(jié)能和作物的良好生長(zhǎng)雙重目標(biāo)。
作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，我國(guó)的農(nóng)業(yè)用水量消耗了 80% 的水資源總量[1],研究開(kāi)發(fā)土壤含水率自動(dòng)監(jiān)測(cè)和智能控制的灌溉系統(tǒng)，有助于作物良好生長(zhǎng)條件的建立和水資源的節(jié)約。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外研發(fā)出土壤水分檢測(cè)器，利用無(wú)線傳感器采集農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤含水率的數(shù)據(jù)。當(dāng)土壤含水率數(shù)值低于閾值下限時(shí)，開(kāi)啟水泵進(jìn)行灌溉； 當(dāng)土壤含水率數(shù)值高于閾值上限時(shí)，關(guān)閉水泵以停止灌溉，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)模式下的農(nóng)業(yè)土壤水分智能控制。
然而，受制于傳感器等硬件及通信模塊等軟件系統(tǒng)的發(fā)展，現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用范圍還很小，普及率較低。目前，物聯(lián)網(wǎng)傳感器一般體積較大、不便于攜帶與安裝、能耗高、價(jià)格貴、響應(yīng)速度慢、精度低及數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定。同時(shí)，作為土壤水分傳感器，還需要具備受土質(zhì)影響小及不易受到土壤中各種成分腐蝕等特點(diǎn)。
1 系統(tǒng)的組成及原理。
系統(tǒng)主要包括硬件部分，如 RHD - 100 土壤水分傳感器、射頻識(shí)別芯片 CC2530、MSP430 F149 單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)，以及上位機(jī)系統(tǒng)軟件等部分。
系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)檢測(cè)土壤水分，檢測(cè)數(shù)據(jù)由傳感器采集并通過(guò) GPRS 作為通信渠道發(fā)送，采用 SPS 控制傳感器的采樣時(shí)間，每 1. 7s 發(fā)送 1 次傳感器數(shù)據(jù)信息。在一個(gè)設(shè)定的時(shí)間斷內(nèi)，傳感器可自動(dòng)繪制土壤水分曲線，土壤水分低于閾值下限時(shí)，控制終端發(fā)送指令，單片機(jī)接到指令，通過(guò) I/O 口控制電磁閥開(kāi)關(guān)開(kāi)啟步進(jìn)電機(jī)； 高于閾值上限時(shí)，及時(shí)關(guān)閉電機(jī)，所用數(shù)據(jù)信息和指令通過(guò)無(wú)線技術(shù) ZigBee 進(jìn)行傳輸。
2 硬件實(shí)現(xiàn)方案。
2. 1 處理器的選擇。
單片機(jī)具有高集成度、高可靠性、低功耗、控制能力強(qiáng)、擴(kuò)展能力好、體積小巧、高性價(jià)比和使用便利等優(yōu)點(diǎn)，在儀器儀表、專用設(shè)備智能化管理及過(guò)程控制等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，有效地控制了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了經(jīng)濟(jì)效益。
TI 公司設(shè)計(jì)的 MSP430F149 因其極低的空閑功耗而聞名，是一個(gè) 16 位的、結(jié)合了指令和數(shù)據(jù)總線的馮諾依曼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。MSP430F149 具有 60kB 的非易失性存儲(chǔ)器，系統(tǒng)內(nèi)可編程，還具備一個(gè) 2 kB 的內(nèi)部SRAM.該處理器可以在 1. 8 ~ 3. 6V 之間進(jìn)行操作，并且可以被鎖定在 1. 8V、8MHz 兆赫和 3. 6V、高達(dá)4 . 15 MHz 的范圍之間。 本系統(tǒng)中，處理器電壓為1. 8V,于 32. 76kHz 時(shí)鎖定，每個(gè)樣品的平均周期數(shù)為988,意味著處理器每秒 197. 600 次活躍； 功率測(cè)量顯示共 耗 電 204μW,功 率 測(cè) 量 值 只 有 32. 768kHz.MSP430F149 具有通信高速、開(kāi)發(fā)環(huán)境方便高效、較寬的運(yùn)行溫度范圍及較強(qiáng)的抗干擾力，工作穩(wěn)定，時(shí)鐘系統(tǒng)靈活，具有可串行在線編程、喚醒時(shí)間較短及中斷 功 能 強(qiáng) 大 等 優(yōu) 勢(shì)。 本 設(shè) 計(jì) 以 TI 公 司 的MSP430F149 作為微處理器。
2. 2 傳感器的選擇。
在選擇傳感器時(shí)，需要考慮使用環(huán)境對(duì)傳感器的影響，所選用傳感器不應(yīng)受到土壤的腐蝕，且受土質(zhì)影響應(yīng)較小，對(duì)土壤土壤含水率的應(yīng)具有較高的分辨率，確保傳感器能在一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間段內(nèi)穩(wěn)定、準(zhǔn)確地感知土壤的含水率。
綜合考慮多方面因素，如傳感器的性價(jià)比、穩(wěn)定性、可靠性、能耗及使用維修的便利性等指標(biāo)，選用邯鄲市邯山瑞華電子有限公司生產(chǎn)的 RHD - 100 土壤水分傳感器為本智能控制系統(tǒng)的終端檢測(cè)端。該檢測(cè)終端以 CMOS 芯片為核心，可以監(jiān)測(cè)并傳輸數(shù)據(jù)信息，且具有簡(jiǎn)潔合理的結(jié)構(gòu)，小巧的體積，運(yùn)輸、安裝、操作及后期維護(hù)的便利等優(yōu)勢(shì)。其檢測(cè)頭以不繡鋼材料制成，使用壽命較長(zhǎng)，并進(jìn)行了環(huán)氧樹(shù)脂封裝，可以有效隔絕外部異物侵襲，防止干擾破壞，埋入土壤中使用時(shí)不易受收到土壤中各種成分的侵蝕； 受土質(zhì)得影響較小，可以在較廣范圍的地區(qū)運(yùn)用。
2. 3 太陽(yáng)能供電模塊設(shè)計(jì)。
因?yàn)橄到y(tǒng)的監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)檗r(nóng)田，一般沒(méi)有設(shè)置電線電纜，無(wú)法使用外接電源實(shí)現(xiàn)能源供給，需要自備電源。為避免頻繁更換電池帶來(lái)的系列問(wèn)題，特選用太陽(yáng)能電池為供能單元，為每個(gè)傳感器配備一個(gè)獨(dú)立的太陽(yáng)能供電模塊，主要包括： 1 個(gè) 12 V、12 Ah 充電電池； 1 塊太陽(yáng)能電池板，輸出功率為 15W; 1 個(gè)調(diào)壓器，壓力范圍為 3. 3 ~12 V.
運(yùn)行試驗(yàn)表明： 太陽(yáng)能電池模塊可以滿足田間傳感器的供能要求。
2. 4 CC2530 射頻收發(fā)模塊。
CC2530 為內(nèi)部集成的'無(wú)線通信模塊，其內(nèi)核符合 RF4CE/Zigbee 1. 8V 協(xié)議，可進(jìn)行 CRC 硬件校驗(yàn)；結(jié)合了具有優(yōu)良收發(fā)性能的 RF 收發(fā)器和增強(qiáng)型8051MCU,可編程 4 種不同的閃存版本，包括 CC2530F32 /128 /64 /256,分別具有 32 /128 /64 /256KB 的閃存。其壓控振蕩器完全集成，也集成了其它很多功能模塊，靈敏度極高、抗干擾性能佳，提供了完整而強(qiáng)大的 ZigBee 方案、ZigBee RF4CE 遠(yuǎn)程控制方案。使用該收發(fā)模塊，只需極少的外接元件（ 如天線） 、晶振等少量的外圍電路元件，就能在 2. 4GHZ 的頻段上工作。CC2530 內(nèi)部使用 1. 8V 工作電壓，并且能夠把外界提供的電壓（ 3. 3V） 轉(zhuǎn)化為內(nèi)部使用電壓。本設(shè)計(jì)以產(chǎn)自 TI 公司的 CC2530 射頻收發(fā)模塊作為射頻收發(fā)模塊的主芯片。
2. 5 GPRS 通信模塊設(shè)計(jì)。
與 GSM 相比較，GPRS 的用戶接入時(shí)間更短、可靠性更高、通信速度更快，能夠支持 TCP /IP 協(xié)議[2].GPRS 模塊通過(guò)串口與 ZigBee 灌溉系統(tǒng)主控制網(wǎng)關(guān)連接，ZigBee 節(jié)點(diǎn)在反饋土壤水分信息時(shí)，首先將信號(hào)通過(guò) ZigBeb 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給主控制網(wǎng)關(guān)，然后由控制器網(wǎng)關(guān)通過(guò) GPRS 模塊，將信號(hào)發(fā)送到用戶端； 用戶端可以根據(jù)具體的作物品種設(shè)定終端節(jié)點(diǎn)水位閾值上、下限，控制終端節(jié)點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)啟與關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。
IEEE802. 15. 4,俗稱 ZigBee,是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率及低成本的雙向無(wú)線通訊技術(shù)[3].ZigBee 協(xié)議棧是基于 IEEE 802. 15. 4 之上的協(xié)議棧，其網(wǎng)絡(luò)層功能包括多跳路由，以及路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)、安全和連接/離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)向新加入的設(shè)備分配 16 位地址。
ZigBee 技術(shù)是一個(gè)特別為短距離無(wú)線通信及低功耗設(shè)計(jì)的媒體訪問(wèn)控制（ MAC） 和物理層的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，因此當(dāng)遇到傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、指令傳輸觸發(fā)此類工作時(shí)，ZigBee 成為不二之選。
本設(shè)計(jì)選用了 CC2530 支持的免費(fèi) ZigBee 協(xié)議棧，在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)建立之后，用戶通過(guò) ZigBee 協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)、GPRS 通信網(wǎng)絡(luò)，管理 ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)，設(shè)定不同作物土壤含水量的閾值上下限范圍。當(dāng)傳感器檢測(cè)到土壤水分值低于閾值下限值時(shí)，通過(guò)單片機(jī) I/O 口開(kāi)啟步進(jìn)電機(jī)，自動(dòng)啟動(dòng)灌溉動(dòng)作； 當(dāng)傳感器監(jiān)測(cè)并發(fā)送的土壤水分值高于閾值上限時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)，傳輸指令，通過(guò)單片機(jī)關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)，中止灌溉動(dòng)作。由此，實(shí)現(xiàn)土壤水分的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和智能灌溉控制。
計(jì)算機(jī)端程序采用 Java 語(yǔ)言編寫(xiě)，可實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理，包括傳輸、存儲(chǔ)、顯示及指令的執(zhí)行等功能。
4 系統(tǒng)測(cè)試試驗(yàn)及結(jié)果分析。
為驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，檢測(cè)制作的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)是否符合設(shè)計(jì)要求，工作能否穩(wěn)定、連續(xù)和可靠，對(duì)制作完成的自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了測(cè)試。
4. 1 水稻田土壤含水量檢測(cè)控制試驗(yàn)。
將本系統(tǒng)試樣樣機(jī)運(yùn)用于水稻田，設(shè)置土壤含水量閾值為 30% ~ 60% ,監(jiān)測(cè)并控制土壤水分，得到的土壤水分變化圖如圖 1 所示。
由于濕度傳感器具有延遲特性，濕度的變化并不是呈線性地增長(zhǎng)或降低，具有一定的滯后性。
4. 2 棉花地土壤含水量檢測(cè)控制試驗(yàn)。
將本系統(tǒng)運(yùn)用于棉花田，設(shè)置土壤含水量閾值為20% ~ 35% ,監(jiān)測(cè)并控制土壤水分，土壤水分變化圖如圖 2 所示。
試驗(yàn)表明： 系統(tǒng)工作狀態(tài)良好、運(yùn)行穩(wěn)定，可適應(yīng)不同土壤環(huán)境的水分控制，能隨著土壤濕度的變化而動(dòng)作，達(dá)到了將土壤濕度自動(dòng)控制在設(shè)定范圍內(nèi)的目的。
5 結(jié)論。
在我國(guó)當(dāng)前的農(nóng)業(yè)大環(huán)境下，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在土壤水分監(jiān)測(cè)和控制中的應(yīng)用還處于初級(jí)階段，實(shí)際推廣運(yùn)用范圍偏小，與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比，技術(shù)相對(duì)落后[4].因此，在物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際運(yùn)用的設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的實(shí)際情況，充分考慮實(shí)用性和可推廣性。
本文設(shè)計(jì)了基于 RHD - 100 土壤水分傳感器、射頻芯片 CC2530、MSP430 F149 單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、及上位機(jī)軟件系統(tǒng)的土壤含水率監(jiān)測(cè)及灌溉控制系統(tǒng)。試驗(yàn)表明： 系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，可有效地檢測(cè)土壤水分并通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉，將土壤水分控制端設(shè)定范圍內(nèi)，具備一定的準(zhǔn)確性和廣泛的適應(yīng)性。
參考文獻(xiàn)：
[1] 邢志卿，付興，房駿，等。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用研究[J]. 農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2010（ 8） : 16 -17,20.
[2] 趙養(yǎng)社。 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和 GPRS 網(wǎng)的灌溉系統(tǒng)研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011（ 7） : 4203 -4206.
[3] 趙榮陽(yáng)，王斌，姜重然。 基于 ZigBee 的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2016,38（ 6） : 244 -248.
[4] 許世衛(wèi)。 我國(guó)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及對(duì)策[J]. 中國(guó)科學(xué)院院刊，2013,38（ 6） : 686 -692.
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