基于物聯(lián)網(wǎng)的土壤水分實(shí)時(shí)檢測灌溉系統設計論文
0 引言。
隨著(zhù)現代數據傳輸技術(shù)（ 如藍牙、紅外線(xiàn)、WiFi、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)（ 如 ZigBee、GPRS） 、信息處理技術(shù)（ 如云計算技術(shù)等） 的發(fā)展，農業(yè)生產(chǎn)在機械化的基礎上正在朝著(zhù)自動(dòng)化、智能化的方向推進(jìn)。
土壤水分反映了農業(yè)干旱程度，以土壤水分為指標，可以指導農業(yè)灌溉。土壤的含水狀況俗稱(chēng)土壤墑情，還包括土壤性質(zhì)、深度等狀態(tài)，其關(guān)系到農作物的優(yōu)質(zhì)生長(cháng)。不能及時(shí)、足量灌溉，或過(guò)量灌溉，都可能導致農作物根莖不能從土壤及時(shí)吸收水分，影響農作物的正常生長(cháng)。另一方面，從農業(yè)節水、節能及可持續性發(fā)展角度考慮，在灌溉作業(yè)中，要實(shí)現農業(yè)灌溉水資源高效利用，必須實(shí)時(shí)、精確地掌握農田土壤水分信息，準確地控制灌溉開(kāi)始時(shí)機、結束時(shí)機及水量，從而實(shí)現節水、節能和作物的良好生長(cháng)雙重目標。
作為農業(yè)大國，我國的農業(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)監測和智能控制的灌溉系統，有助于作物良好生長(cháng)條件的建立和水資源的節約。近年來(lái)，國內外研發(fā)出土壤水分檢測器，利用無(wú)線(xiàn)傳感器采集農業(yè)數據信息，實(shí)時(shí)監測土壤含水率的數據。當土壤含水率數值低于閾值下限時(shí)，開(kāi)啟水泵進(jìn)行灌溉； 當土壤含水率數值高于閾值上限時(shí)，關(guān)閉水泵以停止灌溉，實(shí)現了物聯(lián)網(wǎng)模式下的農業(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的發(fā)展，現有的農業(yè)物聯(lián)網(wǎng)運用范圍還很小，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、響應速度慢、精度低及數據傳輸不穩定。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 系統的組成及原理。
系統主要包括硬件部分，如 RHD - 100 土壤水分傳感器、射頻識別芯片 CC2530、MSP430 F149 單片機、步進(jìn)電機，以及上位機系統軟件等部分。
系統可以實(shí)時(shí)檢測土壤水分，檢測數據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 次傳感器數據信息。在一個(gè)設定的時(shí)間斷內，傳感器可自動(dòng)繪制土壤水分曲線(xiàn)，土壤水分低于閾值下限時(shí)，控制終端發(fā)送指令，單片機接到指令，通過(guò) I/O 口控制電磁閥開(kāi)關(guān)開(kāi)啟步進(jìn)電機； 高于閾值上限時(shí)，及時(shí)關(guān)閉電機，所用數據信息和指令通過(guò)無(wú)線(xiàn)技術(shù) ZigBee 進(jìn)行傳輸。
2 硬件實(shí)現方案。
2. 1 處理器的選擇。
單片機具有高集成度、高可靠性、低功耗、控制能力強、擴展能力好、體積小巧、高性?xún)r(jià)比和使用便利等優(yōu)點(diǎn)，在儀器儀表、專(zhuān)用設備智能化管理及過(guò)程控制等領(lǐng)域得到廣泛應用，有效地控制了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了經(jīng)濟效益。
TI 公司設計的 MSP430F149 因其極低的空閑功耗而聞名，是一個(gè) 16 位的、結合了指令和數據總線(xiàn)的馮諾依曼系統結構。MSP430F149 具有 60kB 的非易失性存儲器，系統內可編程，還具備一個(gè) 2 kB 的內部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4 . 15 MHz 的范圍之間。 本系統中，處理器電壓為1. 8V,于 32. 76kHz 時(shí)鎖定，每個(gè)樣品的平均周期數為988,意味著(zhù)處理器每秒 197. 600 次活躍； 功率測量顯示共 耗 電 204μW,功 率 測 量 值 只 有 32. 768kHz.MSP430F149 具有通信高速、開(kāi)發(fā)環(huán)境方便高效、較寬的運行溫度范圍及較強的抗干擾力，工作穩定，時(shí)鐘系統靈活，具有可串行在線(xiàn)編程、喚醒時(shí)間較短及中斷 功 能 強 大 等 優(yōu) 勢。 本 設 計 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)境對傳感器的影響，所選用傳感器不應受到土壤的腐蝕，且受土質(zhì)影響應較小，對土壤土壤含水率的應具有較高的分辨率，確保傳感器能在一個(gè)較長(cháng)的時(shí)間段內穩定、準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?xún)r(jià)比、穩定性、可靠性、能耗及使用維修的便利性等指標，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的終端檢測端。該檢測終端以 CMOS 芯片為核心，可以監測并傳輸數據信息，且具有簡(jiǎn)潔合理的結構，小巧的體積，運輸、安裝、操作及后期維護的便利等優(yōu)勢。其檢測頭以不繡鋼材料制成，使用壽命較長(cháng)，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運用。
2. 3 太陽(yáng)能供電模塊設計。
因為系統的監測區域為農田，一般沒(méi)有設置電線(xiàn)電纜，無(wú)法使用外接電源實(shí)現能源供給，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)調壓器，壓力范圍為 3. 3 ~12 V.
運行試驗表明： 太陽(yáng)能電池模塊可以滿(mǎn)足田間傳感器的供能要求。
2. 4 CC2530 射頻收發(fā)模塊。
CC2530 為內部集成的無(wú)線(xiàn)通信模塊，其內核符合 RF4CE/Zigbee 1. 8V 協(xié)議，可進(jìn)行 CRC 硬件校驗；結合了具有優(yōu)良收發(fā)性能的 RF 收發(fā)器和增強型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，提供了完整而強大的 ZigBee 方案、ZigBee RF4CE 遠程控制方案。使用該收發(fā)模塊，只需極少的外接元件（ 如天線(xiàn)） 、晶振等少量的外圍電路元件，就能在 2. 4GHZ 的頻段上工作。CC2530 內部使用 1. 8V 工作電壓，并且能夠把外界提供的電壓（ 3. 3V） 轉化為內部使用電壓。本設計以產(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 通信模塊設計。
與 GSM 相比較，GPRS 的用戶(hù)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 灌溉系統主控制網(wǎng)關(guān)連接，ZigBee 節點(diǎn)在反饋土壤水分信息時(shí)，首先將信號通過(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，將信號發(fā)送到用戶(hù)端； 用戶(hù)端可以根據具體的作物品種設定終端節點(diǎn)水位閾值上、下限，控制終端節點(diǎn)步進(jìn)電機的開(kāi)啟與關(guān)閉，實(shí)現自動(dòng)灌溉。
3 系統軟件設計。
IEEE802. 15. 4,俗稱(chēng) ZigBee,是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率及低成本的雙向無(wú)線(xiàn)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)現和維護、安全和連接/離開(kāi)網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )層負責向新加入的設備分配 16 位地址。
ZigBee 技術(shù)是一個(gè)特別為短距離無(wú)線(xiàn)通信及低功耗設計的媒體訪(fǎng)問(wèn)控制（ MAC） 和物理層的標準規范，因此當遇到傳感器網(wǎng)絡(luò )、數據監測、指令傳輸觸發(fā)此類(lèi)工作時(shí)，ZigBee 成為不二之選。
本設計選用了 CC2530 支持的免費 ZigBee 協(xié)議棧，在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò )建立之后，用戶(hù)通過(guò) ZigBee 協(xié)調節點(diǎn)、GPRS 通信網(wǎng)絡(luò )，管理 ZigBee 終端節點(diǎn)，設定不同作物土壤含水量的閾值上下限范圍。當傳感器檢測到土壤水分值低于閾值下限值時(shí)，通過(guò)單片機 I/O 口開(kāi)啟步進(jìn)電機，自動(dòng)啟動(dòng)灌溉動(dòng)作； 當傳感器監測并發(fā)送的`土壤水分值高于閾值上限時(shí)，系統自動(dòng)啟動(dòng)，傳輸指令，通過(guò)單片機關(guān)閉步進(jìn)電機，中止灌溉動(dòng)作。由此，實(shí)現土壤水分的自動(dòng)監測和智能灌溉控制。
計算機端程序采用 Java 語(yǔ)言編寫(xiě)，可實(shí)現軟件系統數據的處理，包括傳輸、存儲、顯示及指令的執行等功能。
4 系統測試試驗及結果分析。
為驗證系統設計的合理性，檢測制作的實(shí)驗樣機是否符合設計要求，工作能否穩定、連續和可靠，對制作完成的自動(dòng)灌溉控制系統試驗設備進(jìn)行了測試。
4. 1 水稻田土壤含水量檢測控制試驗。
將本系統試樣樣機運用于水稻田，設置土壤含水量閾值為 30% ~ 60% ,監測并控制土壤水分，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(xiàn)性地增長(cháng)或降低，具有一定的滯后性。
4. 2 棉花地土壤含水量檢測控制試驗。
將本系統運用于棉花田，設置土壤含水量閾值為20% ~ 35% ,監測并控制土壤水分，土壤水分變化圖如圖 2 所示。
試驗表明： 系統工作狀態(tài)良好、運行穩定，可適應不同土壤環(huán)境的水分控制，能隨著(zhù)土壤濕度的變化而動(dòng)作，達到了將土壤濕度自動(dòng)控制在設定范圍內的目的。
5 結論。
在我國當前的農業(yè)大環(huán)境下，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)在土壤水分監測和控制中的應用還處于初級階段，實(shí)際推廣運用范圍偏小，與國外發(fā)達國家相比，技術(shù)相對落后[4].因此，在物聯(lián)網(wǎng)實(shí)際運用的設計中，需要根據國農業(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。
本文設計了基于 RHD - 100 土壤水分傳感器、射頻芯片 CC2530、MSP430 F149 單片機、步進(jìn)電機、及上位機軟件系統的土壤含水率監測及灌溉控制系統。試驗表明： 系統工作穩定可靠，可有效地檢測土壤水分并通過(guò)控制步進(jìn)電機動(dòng)作實(shí)現自動(dòng)灌溉，將土壤水分控制端設定范圍內，具備一定的準確性和廣泛的適應性。
參考文獻：
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