陳曉燕，龐 濤

（四川農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與工程技術(shù)學(xué)院，四川雅安 625014）

0 引言

隨著世界性水資源的日趨緊張，推廣節(jié)水灌溉已成為世界各國為緩解水資源危機和實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的必然選擇。研究溫室中作物節(jié)水灌溉理論與技術(shù)，有效控制實施溫室作物的灌溉量，對指導(dǎo)溫室作物按需灌溉，進一步提高灌溉用水的利用效率，改善溫室作物的生長環(huán)境和提高作物品質(zhì)與產(chǎn)量具有很重要的意義。

在國外，溫室大棚具有規(guī)模大、自動化程度高，對溫室大棚內(nèi)光、水、氣、肥等均實現(xiàn)了智能化控制，并可根據(jù)作物對環(huán)境的要求不同，通過計算機對溫室內(nèi)部環(huán)境進行自動監(jiān)控，實現(xiàn)全天候、周期性的高效生產(chǎn)［1］。而國內(nèi)溫室大棚灌溉自動化程度落后，因此，加速開發(fā)適合我國國情的自動節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)是今后節(jié)水灌溉設(shè)備發(fā)展的主要方向［2］。隨著無線信息傳輸技術(shù)的發(fā)展，Zig Bee無線網(wǎng)絡(luò)以其近距離、低成本、低速率、低功耗、短時延、高可靠性等特點，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到高度關(guān)注［3～7］。本文設(shè)計的溫室大棚節(jié)水灌溉系統(tǒng)，利用Zig Bee網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)溫室內(nèi)各個節(jié)點的無線連接、數(shù)據(jù)采集和實時顯示，并根據(jù)作物的需水狀況進行實時自動灌溉，提高了水資源的利用效率。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

按照Zig Bee網(wǎng)絡(luò)的特點，本系統(tǒng)主要包括4個部分:傳感器節(jié)點、控制節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點和監(jiān)控計算機，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 節(jié)水灌溉系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig 1 Overall structure of water-saving irrigation system

傳感器節(jié)點對本地土壤含水量進行采集并傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點。控制節(jié)點根據(jù)監(jiān)控計算機給出的灌溉策略實現(xiàn)對閥門控制器的操作。為了簡化結(jié)構(gòu)，沒有專門設(shè)置路由節(jié)點，當(dāng)測控面積大且信號不穩(wěn)定的時候，節(jié)點之間可協(xié)助進行多跳轉(zhuǎn)發(fā)。協(xié)調(diào)器節(jié)點負責(zé)檢測、組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，并容許其他節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，同時把收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)控計算機，并發(fā)布監(jiān)控計算機的監(jiān)控任務(wù)。監(jiān)控計算機根據(jù)采集的數(shù)據(jù)做出灌溉策略，并傳遞給控制節(jié)點，實現(xiàn)精確灌溉。協(xié)調(diào)器節(jié)點與監(jiān)控計算機之間通過RS—232串口連接，也可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet對接，實現(xiàn)遠距離無線通信。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2．1 傳感器節(jié)點設(shè)計

傳感器節(jié)點主要由處理器模塊、無線射頻收發(fā)模塊、傳感器模塊、電源管理模塊組成。處理器模塊和無線射頻模塊選用TI公司的CC2430芯片。該芯片是首款符合Zig Bee標(biāo)準(zhǔn)的的2．4GHz系統(tǒng)單芯片，內(nèi)部結(jié)合了一個高性能的射頻收發(fā)器和8051微控制器。只需要很少的外圍部件配合就能實現(xiàn)信號的收發(fā)功能，片上資源豐富，CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性，特別適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用［8］，CC2430的應(yīng)用電路原理圖如圖2所示。

傳感器模塊采用TDR—3土壤水分傳感器，具有精度高、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡單、能耗低等特點。輸出電壓為0～2．5 V，不用外加信號調(diào)理電路。由于CC2430芯片內(nèi)具有AD器件，所以傳感器輸出可直接與控制器連接。

電源模塊采用3 V鈕扣電池，為了保證電池長時間工作，在設(shè)計中必須確保傳感器節(jié)點低功耗。根據(jù)CC2430芯片具有休眠模式的特性，僅當(dāng)需要收發(fā)數(shù)據(jù)時再喚醒傳感器節(jié)點，其他時間則進入休眠模式，從而讓節(jié)點功耗降到最低。

圖2 CC2430應(yīng)用電路圖Fig 2 Application circuit diagram of chip CC2430

信號的接收與發(fā)送都是通過天線完成，為了保證數(shù)據(jù)存儲的安全性，在傳感器節(jié)點上增加了存儲器，對短期采集的土壤含水量進行保存。傳感器節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)圖見圖3所示。

圖3 傳感器節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)Fig 3 Hardware structure of sensor node

2．2 控制節(jié)點設(shè)計

控制節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計基本與傳感器節(jié)點相同，區(qū)別在于控制節(jié)點沒有傳感器模塊，增加了電磁閥和流量傳感器。電磁閥的開關(guān)與打開的時間決定灌溉量?？刂破鞯亩丝谕ㄟ^繼電器來間接控制電磁閥的開關(guān)。灌溉用水的總量通過流量傳感器計算。當(dāng)水經(jīng)過流量傳感器的時候，數(shù)據(jù)線就不斷產(chǎn)生脈沖，根據(jù)脈沖數(shù)得到用水量?？刂乒?jié)點的硬件結(jié)構(gòu)圖見圖4所示。協(xié)調(diào)器節(jié)點負責(zé)將傳感器網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)進行連接，既要將監(jiān)控計算機的任務(wù)向下發(fā)送，又要將收集的數(shù)據(jù)上傳。在接口上增加了與監(jiān)控計算機相連的RS—232接口。

圖4 控制節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)Fig 4 Hardware structure of control node

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括3個部分:底層節(jié)點數(shù)據(jù)的采集和傳送模塊、協(xié)調(diào)器節(jié)點數(shù)據(jù)接收和發(fā)送模塊、監(jiān)控終端管理模塊，這幾部分的關(guān)系如圖5所示。

圖5 軟件總體結(jié)構(gòu)Fig 5 Overall structure of software

3．1 底層節(jié)點軟件設(shè)計

底層節(jié)點包括傳感器節(jié)點和控制節(jié)點。傳感器節(jié)點軟件的任務(wù)包括定時間間隔上傳自己的當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，并定時采集土壤濕度信息，發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，同時還兼有路由功能，轉(zhuǎn)發(fā)其他傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)。在不采集數(shù)據(jù)的期間，節(jié)點處于休眠狀態(tài)，以節(jié)省能耗。其流程圖見圖6所示。

圖6 傳感器節(jié)點流程圖Fig 6 Flow chart of sensor node

數(shù)據(jù)傳送中，對于多個傳感器節(jié)點通過編號進行區(qū)分。土壤水分傳感器的電壓值由2個byte構(gòu)成，以滿足數(shù)據(jù)的測量范圍。為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，每幀數(shù)據(jù)加上包頭、包尾和校驗字符。數(shù)據(jù)幀格式如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)幀格式Tab 1 Data frame format

控制節(jié)點軟件的任務(wù)包括定時間間隔上傳自己的當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，接收監(jiān)控計算機通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點傳來的命令，并采取相應(yīng)的灌溉措施，打開或關(guān)閉電磁閥。通過流量傳感器將灌溉用水量反饋給協(xié)調(diào)器。

3．2 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件的任務(wù)是組建與維護網(wǎng)絡(luò)，接收網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點（無線傳感器節(jié)點，閥門控制節(jié)點）發(fā)出的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息包，為有入網(wǎng)請求的節(jié)點分配地址，并接收分析數(shù)據(jù)后上傳至監(jiān)控計算機。另外，通過串口接收監(jiān)控計算機發(fā)出的命令并做相應(yīng)處理。流程圖見圖7。

圖7 協(xié)調(diào)器節(jié)點流程圖Fig 7 Flow chart of coordinator node

3．3 監(jiān)控終端軟件設(shè)計

監(jiān)控終端軟件系統(tǒng)采用LabVIEW進行開發(fā)。人機接口采用圖標(biāo)創(chuàng)建，很容易建立友好的人機交互界面。監(jiān)控軟件主要包含:數(shù)據(jù)顯示模塊、串口通信模塊和數(shù)據(jù)庫訪問模塊。本系統(tǒng)可以實時監(jiān)測溫室大棚多節(jié)點的土壤濕度信息，以動態(tài)實時曲線圖的形式顯示監(jiān)測點的變化信息，并能夠根據(jù)采集到的信息做出灌溉策略。利用NI公司的免費工具包LabSQL進行數(shù)據(jù)庫訪問，可實現(xiàn)將采集到的數(shù)據(jù)存放到Access數(shù)據(jù)庫中并對數(shù)據(jù)進行管理，包括數(shù)據(jù)查詢、打印、分析和統(tǒng)計。另外，通過LabVIEW中的Matlab Script節(jié)點調(diào)用Matlab的模糊控制工具箱，可以進一步開發(fā)溫室節(jié)水模糊控制系統(tǒng)。采用LabVIEW中提供的DataSocket的數(shù)據(jù)傳輸方式，實現(xiàn)用戶的Interent網(wǎng)絡(luò)遠程訪問。DataSocket包含兩部分:DataSocketServer和DataSocket API。DataSocket API提供統(tǒng)一的編程接口。LabVIEW中的DataSocket函數(shù)庫包含Write和Read等一些函數(shù)，Write函數(shù)用來在網(wǎng)上發(fā)布數(shù)據(jù)，而Read函數(shù)可從網(wǎng)上下載數(shù)據(jù)。

4 實驗與結(jié)果分析

實驗地點為四川農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)場溫室大棚，面積約50 m2。溫室內(nèi)設(shè)置了10個節(jié)點，其中，6個傳感器節(jié)點，3個控制節(jié)點，1個協(xié)調(diào)器節(jié)點。其中，傳感器節(jié)點1，3，5周圍帶有3個控制節(jié)點（采取受自動灌溉系統(tǒng)控制），傳感器節(jié)點2，4，6不帶控制節(jié)點（即只采集土壤含水量，不進行自動灌溉調(diào)節(jié)），測試時間為早上9:00～下午17:00，期間每60 min采集一次土壤濕度，設(shè)定土壤濕度范圍在60%～80%RH之間。測得的數(shù)據(jù)如表2、表3。

由表2可以看出:在自動灌溉區(qū)域，當(dāng)土壤濕度超出設(shè)定區(qū)間時，3個控制節(jié)點均能夠根據(jù)監(jiān)控計算機的灌溉指令驅(qū)動電磁閥進行灌溉，土壤濕度基本能保持在設(shè)定范圍。由表3可知，在非自動灌溉區(qū)域，土壤濕度不能很好地保持在設(shè)定范圍間。

表2 自動灌溉節(jié)點土壤濕度數(shù)據(jù)表Tab 2 Soil moisture data of automatic irrigation node

表3 非自動灌溉節(jié)點土壤濕度數(shù)據(jù)表Tab 3 Soil moisture data of nonautomatic irrigation node

5 結(jié)論

1）該系統(tǒng)以溫室的土壤濕度作為控制對象，完成了無線傳感器節(jié)點、閥門控制節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點的軟硬件開發(fā)。

2）該系統(tǒng)實現(xiàn)了監(jiān)測信號的實時采集、數(shù)據(jù)顯示、控制信號的輸出，達到了節(jié)水灌溉的目的，并具有無需布線、低功耗、低成本、可靠性好、安裝維護方便等特點。

3）結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)，將LabVIEW與Microsoft Access數(shù)據(jù)庫相連，實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的存儲、查詢、圖形顯示等功能。

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