余　鳴，傅志中，劉曉玲

( 1.蕪湖職業(yè)技術(shù)學院 電氣工程學院，安徽 蕪湖　241000；2.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上?！?00093；3.濟南職業(yè)學院 計算機系，濟南　250103)

?

基于無線傳感網(wǎng)絡濕度自適應的折射式噴灌噴頭設計

余鳴1，傅志中2，劉曉玲3

( 1.蕪湖職業(yè)技術(shù)學院 電氣工程學院，安徽 蕪湖241000；2.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海200093；3.濟南職業(yè)學院 計算機系，濟南250103)

摘要：為了降低風和蒸發(fā)因素對噴灌效果的影響，針對我國農(nóng)業(yè)種植的分散和多樣性特點，提出了一種適用于生態(tài)農(nóng)業(yè)的節(jié)水噴灌噴頭結(jié)構(gòu)，并設計了具有無線傳感網(wǎng)絡濕度自適應感應能力的電控閥門，可以根據(jù)土壤的濕度情況自動實時灌溉作業(yè)，從而有效節(jié)約了水資源。本設計的節(jié)水噴灌噴頭在結(jié)構(gòu)上增加了反向補氣嘴，使噴頭可以完成直射、步進和反向旋轉(zhuǎn)動作，灌溉系統(tǒng)使用短距離無線通信協(xié)議，構(gòu)建了無線通信網(wǎng)絡，使用MSP430和CC2420為主要部件搭建了硬件平臺。利用田間試驗的方法對噴灌噴頭的性能進行了測試，結(jié)果表明：傳感器采集數(shù)據(jù)的誤差均在精度允許的范圍內(nèi)，采集數(shù)據(jù)的可靠性較好，節(jié)水噴灌噴頭可以有效的節(jié)約利用水，節(jié)水率較高，并且灌溉耗時短，提高了灌溉的質(zhì)量和效率。

關(guān)鍵詞：傳感網(wǎng)絡；噴灌噴頭；補氣嘴；自適應；折射式；MSP430

0引言

近年來，國內(nèi)外對節(jié)水灌溉技術(shù)進行了深入的研究，并且將無線傳感技術(shù)方案應用到了節(jié)水灌溉系統(tǒng)中，如基于GSM/GPRS的自動灌溉系統(tǒng)等。這些系統(tǒng)功能非常強大，可以根據(jù)實時氣象信息，對灌溉做出預測，并通過分析歷史數(shù)據(jù)，調(diào)整灌溉方案，使灌溉的效果達到最優(yōu)。但是，這些系統(tǒng)成本較高，系統(tǒng)也非常龐大，不能適應分散多樣的灌溉地塊。無線傳感網(wǎng)絡是一種結(jié)構(gòu)簡單、管理方便的通信網(wǎng)絡，可以有效地解決小面積灌溉區(qū)域的自動化灌溉問題，將其應用在節(jié)水灌溉系統(tǒng)中可以發(fā)揮較大的作用，使灌溉過程更加智能化。使用無線傳感網(wǎng)絡在灌溉區(qū)域可以布置無線傳感器節(jié)點，對作物的生長狀況和土壤的溫度濕度進行實時監(jiān)測，結(jié)合氣候和土壤的墑情對農(nóng)田進行自適應灌溉，可以有效地提高灌溉的效果。其安裝和維護管理成本低，對生態(tài)環(huán)境沒有影響，因此具有重大研究意義和廣闊應用前景。

1節(jié)水噴灌噴頭機械結(jié)構(gòu)改進

除了水稻之外，大部分農(nóng)田都可以使用噴灌的方式進行灌溉。噴灌方式對土壤的適應性較好，可以起到明顯的節(jié)水和增收效果，使農(nóng)田灌溉由傳統(tǒng)的人工勞動轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械化、半自動化甚至全自動化，提高了農(nóng)業(yè)灌溉的現(xiàn)代化水平。在多風和蒸發(fā)強烈的地帶，噴灌的效果容易受氣候條件的影響，有時候比較難發(fā)揮其優(yōu)越性，需要對其結(jié)構(gòu)進行改進，改進后的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.轉(zhuǎn)體連接座　2.空心軸　3.限位環(huán)　4.換向機構(gòu)　5.噴體

改進后的噴頭采用折射式噴水，在噴頭工作時，左邊利用反向小孔補氣，右邊通過間隙補氣，從而保證兩邊壓力相等。當信號水流入水孔后堵住水孔間隙，此時左側(cè)壓力大于右側(cè)壓力，噴頭開始轉(zhuǎn)動，導管中的水抽完后，小孔進入空氣，噴頭恢復直射狀態(tài)，噴頭折射式射流部件如圖2所示。在結(jié)構(gòu)上增加了反向補氣嘴，信號水的流動和終止使主射流區(qū)域形成旋渦區(qū)，反向補氣嘴使主射流的壓力在高低間進行切換，主射流兩端形成壓差，使噴頭完成直射、步進和反向旋轉(zhuǎn)。

1.反向補氣嘴　2.信號水接嘴　3.出口蓋板

為了提高噴頭節(jié)水噴灌的自適應調(diào)節(jié)能力，在噴頭結(jié)構(gòu)上增加了電控閥門，利用反饋自適應調(diào)節(jié)系統(tǒng)，控制閥門的通斷和流量，使整個灌溉控制過程形成一個閉環(huán)的控制回路，改變控制的參數(shù)和結(jié)構(gòu)，提高控制的質(zhì)量,如圖3所示。

圖3　反饋自適應控制結(jié)構(gòu)圖

圖4為本研究設計的噴頭成品結(jié)構(gòu)的示意圖。該噴頭為折射式噴灌噴頭，不僅可以實現(xiàn)步進和反向旋轉(zhuǎn)，而且可以降低風和蒸發(fā)因素對灌溉效果的影響，并具有自適應調(diào)節(jié)能力，可以大大提高噴灌的質(zhì)量和效率。

圖4　噴頭結(jié)構(gòu)示意圖

2噴灌噴頭自適應無線傳感網(wǎng)絡控制

無線傳感網(wǎng)絡是一種相對獨立的計算機網(wǎng)絡，其構(gòu)成的基本要素是路由節(jié)點，在不同用途的無線傳感網(wǎng)絡中，節(jié)點的構(gòu)成也是不同的，但基本都是由4部分組成的，包括數(shù)據(jù)處理模塊、通訊模塊、傳感器模塊和能量供給模塊，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　無線傳感網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)框架圖

在架設無線傳感網(wǎng)絡時，首先在感興趣的區(qū)域放置傳感器節(jié)點，利用自組織功能形成無線傳感網(wǎng)絡。節(jié)點可以采集信息也可以發(fā)送信息，節(jié)點通過網(wǎng)絡和控制中心進行通信，通過預先設定的數(shù)值和采集數(shù)值進行對比，發(fā)出控制指令，其控制過程為閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)。閉環(huán)控制系統(tǒng)采用輸入-輸出方程建立自適應模型，其微分算子的表達式為

Dm(p)ym=Nm(p)r

(1)

其中，r表示信號的輸入量；ym表示信號的輸出量；p表示微分算子。Dm、Nm的表達式為

(2)

(3)

其中，ami、bmi分別表示參考模型方程輸入量和輸出量的常系數(shù)。在自適應調(diào)節(jié)方案中，系統(tǒng)調(diào)節(jié)方程為

Ds(t,p)ys=Ns(t,p)r

(4)

(5)

(6)

其中，ys是表示調(diào)節(jié)系統(tǒng)的輸出信號；ey表示輸出誤差；asi(ey,t)和bsi(ey,t)表示調(diào)節(jié)系統(tǒng)方程的時變系數(shù)，系數(shù)的值可以通過自適應誤差調(diào)節(jié)得到。將初始系統(tǒng)和可調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行綜合可得

Ds(p)ys=Ns(p)[r+u(ey,t)]

(7)

(8)

(9)

對自適應控制系統(tǒng)方程進行離散化可得

(10)

(11)

[ym(k-1),…,ym(k-n),r(k),…,r(k-m)]

(12)

在節(jié)水灌溉噴頭的設計中，可以參考自適應控制系統(tǒng)，將傳感器節(jié)點分布在噴頭上，利用自適應調(diào)節(jié)來調(diào)整噴頭的開放時間，達到土壤濕度的總體平衡，以適應農(nóng)作物的生長。

圖6為自適應調(diào)節(jié)節(jié)水噴頭的設計原理。其控制機構(gòu)為電控閥門，在灌溉區(qū)域，根據(jù)作物的種植生長和分布狀況，合理的布置節(jié)水噴頭，并在噴頭位置裝載無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點，形成多個小型監(jiān)測區(qū)域，對土壤的濕度和溫度進行實時監(jiān)測；監(jiān)測數(shù)據(jù)利用無線網(wǎng)絡發(fā)送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對數(shù)據(jù)進行分析后發(fā)出控制指令。數(shù)據(jù)采集的流程如圖7所示。

圖6　自適應調(diào)節(jié)噴頭設計原理

傳感器模塊利用SHT10傳感器實現(xiàn)對溫度和濕度的采集。該傳感器內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換芯片，可以將采集得到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，數(shù)據(jù)傳送到MSP430后對數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)出控制指令，其流程如圖8所示。在發(fā)送控制數(shù)據(jù)時，F(xiàn)IFO和FIFOP仍然與接收緩存RXFIFO的狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，只有SFD引腳指示發(fā)送狀態(tài)，操作CC2420發(fā)送緩存TXFIFO，控制電控閥門通斷，實現(xiàn)噴頭噴水的自適應調(diào)節(jié)。

圖7　傳感器數(shù)據(jù)采集流程

圖8　控制指令發(fā)送過程

3折射式噴灌噴頭性能測試

折射式節(jié)水灌溉噴頭的性能可以通過試驗進行驗證。本次試驗地點選在農(nóng)田里，在噴頭對應位置安裝了溫度濕度傳感器，通過自組織形成了一個灌溉系統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡，其測試過程示意如圖9所示。

圖9　節(jié)水灌溉噴頭性能測試

測試過程中，首先使用溫度和濕度傳感器對溫度和濕度數(shù)據(jù)進行采集，并利用MSP430和CC2420處理數(shù)據(jù)和發(fā)送控制指令，傳感器采集得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　溫濕度傳感器的測量值

這些測量值是在同一地點的不同時刻重復測量完成，記錄下了6次測量數(shù)據(jù)。由測量數(shù)據(jù)可看出：通過傳感器采集得到的數(shù)據(jù)和常規(guī)溫度計測量的數(shù)據(jù)基本相同，溫度的數(shù)值范圍約為28~29℃，濕度的數(shù)值范圍約為55%~61%，其誤差在精度允許的范圍內(nèi)，測量數(shù)據(jù)的可靠性較好。

表2　噴頭節(jié)水灌溉測試結(jié)果

表2表示噴頭節(jié)水灌溉的測試結(jié)果。由測試結(jié)果可以看出：對噴頭進行改進后，使用自適應調(diào)節(jié)節(jié)水灌溉可以有效地節(jié)約用水，提高灌溉用水的利用率，且能夠節(jié)省灌溉耗時，提高灌溉效率。

4結(jié)論

1)提出了一種可以有效地降低風和蒸發(fā)因素對噴灌效果影響的噴頭機械結(jié)構(gòu)，該噴頭增加了反向補氣嘴，使噴頭可以完成直射、步進和反向旋轉(zhuǎn)動作。針對我國農(nóng)業(yè)種植的分散和多樣性特點，提出了具有自適應調(diào)節(jié)能力的灌溉系統(tǒng)無線傳感網(wǎng)絡方案，設計了自適應調(diào)節(jié)的電控閥門，可以控制噴頭的通斷和流量，從而大大提高了水資源的利用率，提高了灌溉的效率。

2)使用MSP430和CC2420為主要部件搭建了硬件平臺，并在田間利用溫度和濕度傳感器節(jié)點自組織構(gòu)建了無線通信網(wǎng)絡，對噴頭的噴灌性能進行了測試。測試結(jié)果表明：傳感器節(jié)點可以有效地采集溫度和濕度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度較高。使用折射式噴灌噴頭可有效地提高水資源的利用率，縮短了灌溉耗時，提高了灌溉的效率。

參考文獻：

[1]鞏興暉,朱德蘭,張林,等.基于2DVD的非旋轉(zhuǎn)折射式噴頭水滴直徑分布規(guī)律[J].農(nóng)業(yè)機械學報, 2014,45(8):128-133,148.

[2]龐娜,程德福.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的溫室監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].吉林大學學報,2010,28(1):55- 60.

[3]李皓.基于ZigBee的無線網(wǎng)絡技術(shù)的應用[J].信息技術(shù),2008(1):12-14.

[4]張涇周,楊偉靜,張安詳.模糊自適應PID控制的研究及其應用仿真[J].計算機仿真.2009,26(9): 132- 135.

[5]許俊杰,陳磊,董辛旻.基于Zigbee的振動監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡設計[J].機床與液壓,2010,38(22): 108-109.

[6]劉繁明,邢坤,孫銘雪.基于WinCE的機車故障監(jiān)測系統(tǒng)智能顯示單元設計[J].應用科技,2010, 39 (7):58-59.

[7]李文新,王廣龍,陳建輝.基于S3C2440和WinCE的嵌入式傳感測控系統(tǒng)[J].計算機測量與控制, 2009,17(8);52-54.

[8]何偉,陳彬,張玲.DSP/BIOS在基于DM642的視頻圖像處理中的應用[J].信息與電子工程,2006, 4(1):60-62.

[9]龔菲,王永驥.基于神經(jīng)網(wǎng)絡的PID參數(shù)自整定與實時控制[J].華中科技大學學報：自然科學版, 2002,30(10):298-305.

[10]趙望達,魯五一,徐志勝,等.PID控制器及其智能化方法探討[J].化工自動化及儀表,1999,26(6): 45-48.

[11]谷傳綱,閻防,王彤.采用改進的BP神經(jīng)網(wǎng)絡預測離心通風機性能的研究[J].西安交通大學學報,1999,33(3):43-47.

[12]郭艷兵,齊古慶,王雪光.一種改進的BP網(wǎng)絡學習算法[J].自動化技術(shù)與應用,2002,26(2):13-14.

[13]周怡颋,凌志浩,吳勤勤.ZigBee無線通信技術(shù)及其應用探討[J].自動化儀表,2005,26(6):5-9.

[14]謝敏,徐會冬.智能傳感器SHT11在單片機嵌入式系統(tǒng)中的應用[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2005,28(14): 89-92.

[15]趙星星,羅克露.嵌入式實時操作系統(tǒng)移植技術(shù)的研究與應用[J].計算機工程,2007,33(17):90-92.

[16]王旭東,路軍,馬毓瀟.墑情監(jiān)測及節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)開發(fā)與應用[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2006(2): 38-39.

[17]夏春華,方部玲,金永奎.節(jié)水灌溉系統(tǒng)自動控制的研究應用[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡信息，2004(12):18-20.

[18]徐全波,劉成良,林海，等.基于GSM/GPRS的墑情數(shù)據(jù)無線監(jiān)測系統(tǒng)[J].微處理機,2007,5:61-63.

[19]代媛,楊龍,何東健.ZigBee在作物種植環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的應用[J].微計算機信息,2009,25(1-2): 23-24.

[20]曹元軍,王新忠,楊建全.基于無線傳感器網(wǎng)絡的農(nóng)田氣象監(jiān)測系統(tǒng)[J].農(nóng)機化研究,2008(12):163- 165.

[21]回楠木,李永剛,王成.基于Zigbee的無線農(nóng)田測控系統(tǒng)[J].微計算機信息,2008,24(8-3):52-53.

[22]劉卉,汪懋華,王躍宣，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡的農(nóng)田土壤溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的設計與開發(fā)[J].吉林大學學報：工學版,2008,38(3):604-608.

[23]曾煉成,羅志祥,解志堅.基于無線傳感器網(wǎng)絡的農(nóng)田自動節(jié)水灌溉系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡信息,2008(11): 13-15.

[24]尹航,張奇松,程志林.基于ZigBee無線網(wǎng)絡的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)[J].機電工程,2008,25(11):20-23.

[25]封瑜,葛萬成.基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡構(gòu)建與應用[J].電子工程師,2007,33(3):21-23.

[26]王水璋,閆文娟.基于MSP430與CC2420的自組織無線傳感器網(wǎng)絡設計[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟,2008,18(33):134-136.

[27]宋迪,程志華,牛斗，等.WSN在新型蔬菜大棚中的應用[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2008(9):64-68.

[28]張兵,林建輝,伍川輝.基于ZigBee技術(shù)無線傳輸網(wǎng)絡的設計與實現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2009(2):49-52.

Design of Refraction Sprinkler Head Based on Humidity Adaptive Wireless Sensor Network

Yu Ming1,Fu Zhizhong2,Liu Xiaoling3

(1.School of Electrical Engineering ,Wuhu Institute of Technology, Wuhu 241000, China; 2.School of Opto Electronic and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technolog,Shanghai 200093,China; 3.Department of Computer, Jinan Vocational College, Jinan 250103 ,China)

Abstract：In order to reduce the influence of the wind and evaporation factors on the sprinkler irrigation effect, it puts forward a kind of water-saving sprinkler nozzle structure, which is suitable for ecological agriculture according to the characteristics of agricultural planting in our country. The proposed water-saving sprinkler in the structure increased reverse air supply nozzle mouth, nozzle can be accomplished with Direct, step and reverse rotation, irrigation system uses short distance wireless communication protocol, the wireless communication network is constructed. And it builds a hardware platform as the main components by using MSP430 and CC2420. The test results can be obtained by the method of field test. The error of sensor acquisition data is in the range of accuracy, the reliability of the data acquisition is good. The water-saving sprinkler nozzle can save the use of water, the water saving rate is relatively high, and the irrigation time is short.

Key words：wireless sensor network; sprinkler; air supply nozzle; adaptive; refraction; MSP430

中圖分類號：S126；S491

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)11-0081-05

作者簡介：余鳴(1957-)，男，安徽桐城人，副教授。通訊作者：劉曉玲(1977-)，女，濟南人，副教授，碩士，(E-mail)57yfl@sina.com。

基金項目：山東省科技廳項目(BS2013DX004)

收稿日期：2015-09-04