李光云，胡 鋼，馬國(guó)玉，馬 峰

(1.南通河海大學(xué)海洋與近海工程研究院，南通226000;2.物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院(常州)，常州213022;3.常州市傳感網(wǎng)與環(huán)境感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，常州213022)

1 引言

20世紀(jì)90年代初以來，提出了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的概念。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是指根據(jù)農(nóng)作物生長(zhǎng)的土壤性狀來調(diào)節(jié)對(duì)農(nóng)作物的投入，以最少或最節(jié)約的投入達(dá)到同等收入，或更高的收入并改善環(huán)境。而當(dāng)下，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，現(xiàn)有的一些監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多為有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，這樣的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在著以下缺點(diǎn):①有線監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置需要大量走線，布置方式不靈活;②監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量由于通信布線成本限制而不能大量布置，造成監(jiān)測(cè)力度不夠，甚至存在監(jiān)測(cè)盲區(qū);③有線監(jiān)測(cè)點(diǎn)線路檢查和維護(hù)需要大量的人力物力，若多塊農(nóng)田實(shí)現(xiàn)集中管理會(huì)極大的增加安裝成本，不利于構(gòu)建大型遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由低功耗微小的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過自組織方式構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)，其通信便利及部署方便的優(yōu)點(diǎn)，使其在農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面尤為突出。3G技術(shù)作為一種先進(jìn)的無線通信技術(shù)，比起以往的2G、2.5G通信技術(shù)具有帶寬明顯增大、數(shù)據(jù)傳輸速度明顯提高、數(shù)據(jù)傳輸更加安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)基于ZigBee近距離無線通訊網(wǎng)絡(luò)以及3G遠(yuǎn)程無線網(wǎng)絡(luò)，對(duì)土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)和實(shí)施方案進(jìn)行了闡述。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)按系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)可以劃分為三個(gè)層次:感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。感知層解決人類世界和物理世界的數(shù)據(jù)獲取問題，由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成。網(wǎng)絡(luò)層也被稱為傳輸層，解決感知層所獲得的數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)，通常是長(zhǎng)距離的傳輸問題。應(yīng)用層也可稱為處理層，解決信息處理和人機(jī)界面的問題。

本系統(tǒng)從功能上劃分為下位機(jī)和上位機(jī)兩部分。其中下位機(jī)又分為四部分:采集模塊、控制模塊、ZigBee模塊、3G模塊以及供電模塊。采集模塊包括土壤溫度、濕度、酸堿度傳感器;控制模塊采用PIC18F4520單片機(jī);ZigBee模塊采用CC2530芯片;供電模塊為整個(gè)系統(tǒng)供電。上位機(jī)部分基于delphi軟件平臺(tái)以及access數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示采集到的土壤參數(shù)并繪成曲線，后期專家分析通過將測(cè)得的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)里存儲(chǔ)的農(nóng)作物生長(zhǎng)需水表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，控制水泵閥門的輸出水量。如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)各模塊硬件設(shè)計(jì)

3.1 采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊由傳感器及其接口電路構(gòu)成，主要完成農(nóng)田土壤的水分、溫度、酸堿度測(cè)量。傳感器的主要性能指標(biāo)如表1所示。

3.2 控制模塊

PIC18F4520是一種具有10位A/D和納瓦技術(shù)的28/40/44引腳增強(qiáng)型閃存單片機(jī)，性能穩(wěn)定，外圍電路簡(jiǎn)單，可大大降低成本。如圖2所示。

其中土壤水分傳感器、土壤溫度傳感器輸入的模擬信號(hào)須經(jīng)過模－數(shù)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。土壤酸堿度傳感器采用化學(xué)原理，因輸出為±1999mV的電壓信號(hào)，所以先經(jīng)過信號(hào)調(diào)節(jié)電路，然后進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。上述3種傳感器分別接至其2、3、8號(hào)引腳;1腳上接有一個(gè)10k電阻和100pF電容，起到上電復(fù)位的作用;25與26引腳連接了一個(gè)由MAX232構(gòu)成的一個(gè)串口通訊電路，以便于與Zig-Bee的終端節(jié)點(diǎn)連接。

3.3 ZigBee模塊

ZigBee技術(shù)是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。本系統(tǒng)采用星形網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)正常工作、接收采集的數(shù)據(jù)，并通過串口與3G模塊相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。首先，協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)信道和網(wǎng)絡(luò)的PAN ID，從而建立網(wǎng)絡(luò)，并定時(shí)偵聽有無網(wǎng)絡(luò)連接請(qǐng)求;其次，如果協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)收到終端節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求，則根據(jù)請(qǐng)求信息作出是否允許加入網(wǎng)絡(luò)的判斷，如果允許加入，協(xié)調(diào)器作出應(yīng)答告訴節(jié)點(diǎn)加入，并給其分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址作為唯一的身份標(biāo)識(shí);最后定時(shí)發(fā)送給各節(jié)點(diǎn)相關(guān)控制命令，維護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行。終端節(jié)點(diǎn)主要完成對(duì)CC2530硬件及協(xié)議棧的初始化，并開始掃描信道，尋找合適的網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)信息，得到確認(rèn)后，開始通過傳感器采集信息，并通過無線傳輸方式將采集到的數(shù)據(jù)打包后發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)［1］。

表1 傳感器主要性能指標(biāo)

圖2 控制模塊電路圖

3.4 3G 模塊

第3代移動(dòng)通信，是以提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(特別是互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù))為主的系統(tǒng)，目前3G存在四種標(biāo)準(zhǔn):CDMA2000，WCDMA，TD － SCDMA，WiMAX。本系統(tǒng)所選的CDMA無線路由器，通過PPP撥號(hào)方式由CDMA無線網(wǎng)接入，連接到CDMA PDSN設(shè)備，由CDMA AAA認(rèn)證服務(wù)器提供接入認(rèn)證，判斷卡號(hào)和VPDN的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過驗(yàn)證后，CDMA PDSN將與電信運(yùn)營(yíng)商的LNS路由器建立起L2TP專用通道，用戶名和密碼通過中國(guó)電信的AAA認(rèn)證服務(wù)器驗(yàn)證其合法性，并分配內(nèi)網(wǎng)IP地址。當(dāng)CDMA路由器通過接入認(rèn)證、獲得IP地址后，與上位機(jī)之間通過TCP/IP協(xié)議棧進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸［2］。

3.5 供電模塊

采集模塊需提供3.3V電壓，ZigBee模塊需提供5V電壓，土壤水分傳感器需提供9V電壓，土壤溫度傳感器、以及3G路由器需提供12V電壓，故采用變壓器變壓至12V，采用7809芯片將12V降壓至9V并穩(wěn)壓。AMS1117_5V芯片將9V降壓至5V并穩(wěn)壓;AMS1117_3.3V芯片將5V降壓至3.3V并穩(wěn)壓，其中電路中的電容起濾波作用，LED燈起指示作用。該模塊電路圖如圖3所示。

3.6 信號(hào)調(diào)節(jié)模塊

H311－AS002－T土壤酸堿度傳感器輸出的信號(hào)為±1999mV的模擬信號(hào)，因此先采用加法電路抬高信號(hào)，使輸出的電壓增加到3.8V;又因?yàn)閱纹瑱C(jī)的上限電壓為3.3V，因此采用求和電路，縮小電壓;電壓跟隨電路把阻抗很高的信號(hào)做電流放大，降低輸出阻抗，從而提高原有電路帶負(fù)載的能力;采用的放大器均為OP07。信號(hào)調(diào)節(jié)電路如圖4所示。

圖3 電源模塊電路圖

圖4 信號(hào)調(diào)節(jié)電路圖

4 監(jiān)測(cè)參數(shù)的標(biāo)定及結(jié)果

本系統(tǒng)所采用的土壤水分傳感器、土壤溫度傳感器及土壤酸堿度傳感器輸出皆為模擬信號(hào)，因此采用標(biāo)定的方法來確定傳感器輸出的模擬信號(hào)與被測(cè)參數(shù)之間的關(guān)系。

4.1 土壤水分標(biāo)定

本實(shí)驗(yàn)以土壤水分傳感器在不同土壤含水率影響下的輸出電壓均值作為傳感器在該土壤含水率水平下的測(cè)量值，并對(duì)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析，對(duì)土壤水分傳感器進(jìn)行標(biāo)定，ARN－100土壤水分傳感器輸出電壓與實(shí)際土壤含水量關(guān)系如公式(1):

(V:測(cè)得的電壓)。

4.2 土壤溫度標(biāo)定

ARN－TW土壤溫度傳感器輸出的電流與溫度值呈線性關(guān)系，如公式(2):

(Y:土壤溫度值，X:傳感器輸出的電壓值)。

4.3 土壤酸堿度標(biāo)定

在測(cè)量pH時(shí)，并不是直接測(cè)量氫離子(H+)的濃度，而是測(cè)量氫離子活動(dòng)程度的負(fù)對(duì)數(shù)值，這就可以測(cè)出溶液內(nèi)氫離子的有效濃度。如公式(3)－(4):

使用電極測(cè)量pH時(shí)是通過測(cè)電位實(shí)現(xiàn)的。PH電極在接觸溶液時(shí)，其玻璃膜上會(huì)形成一個(gè)隨pH變化而變化的電勢(shì)，且該電勢(shì)需要一個(gè)恒定的電勢(shì)來進(jìn)行比較。參比電極就是用來提供這一恒定電勢(shì)，它不會(huì)因溶液中pH值的變化而變化。在酸性或堿性溶液內(nèi)，可通過計(jì)算公式(5)計(jì)算膜外表面電勢(shì)與氫離子活動(dòng)程度的線性變化關(guān)系:

E—總電勢(shì)差，E0—標(biāo)準(zhǔn)電勢(shì)，R—?dú)怏w常量，T—絕對(duì)溫度，n—電子數(shù)量，F(xiàn)—法拉第常數(shù)，［H+］—?dú)潆x子濃度。經(jīng)過不同pH值的緩沖液做標(biāo)定，H311－AS002－T土壤酸堿度傳感器輸出的電壓與PH值具有以下特性:25℃時(shí)一個(gè)PH單位對(duì)應(yīng)于 59.16mV

5 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)基于delphi軟件平臺(tái)以及access數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程采集土壤參數(shù)。系統(tǒng)工作流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)整體流程圖

TCP/IP提供的網(wǎng)絡(luò)API(應(yīng)用程序接口)主要是Socket，流式Socket針對(duì)面向連接的TCP服務(wù)應(yīng)用，服務(wù)器方與客戶方通過創(chuàng)建套接字、綁定本地接口、建立連接、監(jiān)聽端口、接受連接、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送、關(guān)閉套接字等流程完成3G與監(jiān)測(cè)終端的數(shù)據(jù)連接?；赥CP/IP協(xié)議的Socket編程部分核心代碼如下:

AcceptSock［0］:=Socket(AF_INET，SOCK_STREAM，0)

bind(AcceptSock［0］，F(xiàn)SockLocal，sizeof(FSock-Loca))

Listen(AcceptSock［0］，1)

圖6為數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收?qǐng)D，表2為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收采樣，圖7為土壤參數(shù)曲線圖。

圖6 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收

表2 傳感器實(shí)時(shí)采樣數(shù)據(jù)

圖7 土壤參數(shù)曲線圖

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)是一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的土壤墑情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為將來智能化農(nóng)田管理及精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的推廣提供了一個(gè)非常好的手段。不足之處:供電方面，農(nóng)田管理對(duì)于供電有一定的要求，智能化的太陽(yáng)能電源已變?yōu)橐环N趨勢(shì);后期的專家分析，通過比對(duì)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的植物需水量，通過繼電器控制水泵閘門的開啟，并精確的輸出缺水量等這些方面還需要進(jìn)一步的研究。

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