陶佳 黃潤華

摘要：針對壩上干旱地區(qū)所面臨的水資源不足問題，設(shè)計(jì)了基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)；在闡述系統(tǒng)整體構(gòu)架的基礎(chǔ)上，著重進(jìn)行了上位機(jī)、無線網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點(diǎn)硬件和軟件設(shè)計(jì)；引入迭代學(xué)習(xí)控制算法，以輸出值和期望值之間的差值對控制信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，有效提升了灌溉精度。結(jié)果表明，該系統(tǒng)可使作物灌溉水量保持在合理范疇，為農(nóng)業(yè)水資源高效利用提供參考。

關(guān)鍵詞：精確灌溉；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；迭代算法；壩上地區(qū)

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）04-1016-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.04.050

Precision Irrigation System Based on Wireless Sensor Networks and Iterative Algorithm

TAO Jia，HUANG Run-hua

（Information Science and Technology of Agricultural University of Hebei，Baoding 071000， Hebei， China）

Abstract： The shortage of water resources is the principal contradiction of agricultural production in north Hebei. The design of precision irrigation system based on wireless sensor networks and iterative algorithm is introduce. It puts forward the entire constructor of the system. Then it introduces the hardware and software design of host computer， wireless gateway and wireless sensors. An algorithm of iterative learning control is proposed for the real-time adjustment of the control signal. Thus， it dramatically improved the efficiency of the utilization of water resources. The result of the experiment proved the effectiveness of the system. It can offer a valuable reference to use of water resources.

Key words： precision irrigation； wireless sensor network； iterative algorithm； Bashang region

河北省北部壩上干旱地區(qū)植被稀疏，水土流失嚴(yán)重，氣候條件較差。干旱是影響壩上作物產(chǎn)量及質(zhì)量的主要環(huán)境因子，干旱缺水對作物生長不利影響，超過其他影響因素之和[1-4]，緩解水資源的短缺是當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展必須克服的問題。合適的土壤含水率才能使作物擁有足夠的微生物種類及數(shù)量，但含水率過高會(huì)導(dǎo)致根部由于浸泡而腐爛，并使肥料流失[2]。目前，解決該問題的主要方法是農(nóng)田精細(xì)灌溉，通過對灌溉水量、時(shí)間和地點(diǎn)的精確監(jiān)控，高效使用水資源，使作物灌溉水量保持在合理范圍，從而提升產(chǎn)量。精細(xì)灌溉的前提是能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地獲取作物的需水狀況，并以可靠的信息網(wǎng)絡(luò)對各類信息進(jìn)行有效傳輸[5]。目前使用較為廣泛的技術(shù)是基于無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)和模糊決策等，均取得了一定的成果[1，4]。ZigBee是一種新興的無線網(wǎng)絡(luò)體系，其最大優(yōu)勢是網(wǎng)絡(luò)功耗小、部署成本低、組網(wǎng)靈活，適合于作物精細(xì)灌溉的遠(yuǎn)程控制傳輸。本研究引入ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并使用迭代學(xué)習(xí)控制算法提升灌溉控制過程的精度，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)灌溉控制系統(tǒng)，從而減少壩上農(nóng)戶的生產(chǎn)強(qiáng)度，提升旱區(qū)水資源管理水平。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

灌溉控制系統(tǒng)由上位機(jī)、無線網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點(diǎn)組成，如圖1所示。

上位機(jī)：是全網(wǎng)絡(luò)的中央監(jiān)控中心，是用戶對精確灌溉無線網(wǎng)進(jìn)行設(shè)置和監(jiān)控的平臺(tái)。用戶登錄上位機(jī)，即可對傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行獲取，對無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置。

網(wǎng)關(guān)：網(wǎng)關(guān)以CC2430為控制核心，其功能有兩項(xiàng)，①收集無線傳感器節(jié)點(diǎn)所采集的數(shù)據(jù)并上傳至上位機(jī)；②提供與另外的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)互通的接口。本研究選取基于ZigBee的無線網(wǎng)關(guān)，可以同時(shí)連接128個(gè)節(jié)點(diǎn)。通過網(wǎng)關(guān)配置的以太網(wǎng)接口，不同的無線網(wǎng)絡(luò)可以互連成更大的網(wǎng)絡(luò)，適合于精確灌溉區(qū)域較大的情況下使用。

傳感器節(jié)點(diǎn)：主要功能是對土壤含水率進(jìn)行檢測，將獲取的含水率參數(shù)進(jìn)行格式化處理后傳輸至網(wǎng)關(guān)單元。傳感器節(jié)點(diǎn)也接收來自上位機(jī)的控制和設(shè)置命令，進(jìn)行相應(yīng)操作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)以MSP430F1611型CPU作為控制中心，以CC2420芯片作為通信單元，其基本組成如圖2所示。

其中，MSP430F1611型CPU購自美國德州儀器公司，其最突出的優(yōu)勢是功耗低，適應(yīng)各類環(huán)境，運(yùn)行溫度范圍為-45～80 ℃[6]，內(nèi)置了96 KB的存儲(chǔ)單元，并含16位定時(shí)單元及24位A/D轉(zhuǎn)換單元，擁有精簡指令集結(jié)構(gòu)，處理能力強(qiáng)大，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)單元支持帶電擦寫，便于通過上位機(jī)進(jìn)行直接設(shè)置和控制。主要功能為：①對傳感單元進(jìn)行設(shè)置；②對所采集的環(huán)境信息進(jìn)行預(yù)處理；③與無線傳輸單元進(jìn)行實(shí)時(shí)通信。

CC2420芯片產(chǎn)自TI公司，采用0.18 μm工藝，擁有4路串行接口，是構(gòu)成射頻通信單元的主要部件。CC2420芯片與IEEE802.15.4的2.4 GHz協(xié)議完全兼容，其特點(diǎn)是功耗很低、性能穩(wěn)定、支持多種組網(wǎng)模式，可以滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)信號(hào)可靠傳輸?shù)男枨?。主要作用為：通過天線接收RF信號(hào)，去噪放大之后，對信號(hào)變頻至中頻，再經(jīng)過濾波→放大→A/D轉(zhuǎn)換過程，將信號(hào)數(shù)字化。為了提升接收精度，本研究在射頻前端增設(shè)了放大單元和天線單元，有效通信距離超過了1 km，電流均值維持在40 μA以下，滿足農(nóng)田灌溉環(huán)境實(shí)際的需求。MSP430F1611型CPU與CC2420通信單元通過數(shù)據(jù)總線和控制總線連接。

土壤水分傳感器選取了TDR時(shí)域反射型傳感器。與傳統(tǒng)的電阻傳感器、中子儀傳感器相比，其優(yōu)勢為精度高、適應(yīng)環(huán)境廣泛，分辨率達(dá)1%，采集速度快，便于實(shí)時(shí)檢測。傳感器僅需2節(jié)干電池供電，且能夠把數(shù)據(jù)以RS232接口傳輸至臨近節(jié)點(diǎn)，適合于農(nóng)田面積大、氣候條件多變的環(huán)境。

2.2 無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)

無線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要包括ZigBee射頻芯片CC2420以及繼電器單元、電磁閥接口單元，如圖3所示。該節(jié)點(diǎn)為無線傳感網(wǎng)絡(luò)提供路由，其主要功能包括：①獲取來自所有傳感器單元的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并打包后上傳至控制中心；②根據(jù)終端采集的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，結(jié)合迭代學(xué)習(xí)控制算法控制電磁閥單元的開閉狀態(tài)；③接收并譯碼來自上位機(jī)的控制信息，對數(shù)據(jù)采集終端參數(shù)進(jìn)行設(shè)置修改。考慮到無線網(wǎng)關(guān)需要頻繁進(jìn)行信息傳輸及處理，并控制電磁閥單元的開閉，為滿足其耗電需求，在配電方面為其增設(shè)了太陽能電池板加穩(wěn)壓電路。

2.3 上位機(jī)節(jié)點(diǎn)

上位機(jī)的功能是實(shí)現(xiàn)對自動(dòng)灌溉網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置及監(jiān)控，采用基于Windows8.0的主機(jī)，配置SQL Server數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，主程序在NET環(huán)境下開發(fā)，系統(tǒng)的主要功能模塊包括監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊和系統(tǒng)設(shè)置模塊。

為了便于操控，上位機(jī)的工作模式設(shè)計(jì)同時(shí)支持人工遠(yuǎn)程和自動(dòng)控制兩種模式。人工遠(yuǎn)程控制通過IMM遠(yuǎn)程管理模塊單元，以手持終端發(fā)出命令，即可控制電磁閥的開閉以及在線設(shè)置各類參數(shù)。由上位機(jī)對手持終端（移動(dòng)電話）的短信息進(jìn)行規(guī)約轉(zhuǎn)換，并控制路由器將解析之后的指令轉(zhuǎn)發(fā)至開閉閥門；自動(dòng)控制模式中，上位機(jī)程序在迭代學(xué)習(xí)控制算法的支持下生成自動(dòng)控制指令，實(shí)現(xiàn)電磁閥的開閉操作。

2.4 執(zhí)行部件

自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的執(zhí)行部件主要包括電磁閥和步進(jìn)電機(jī)，主要功能是控制灌溉系統(tǒng)的工作時(shí)間。其中，電磁閥選擇了河北省捷高自動(dòng)控制公司的灌溉專用電磁閥，屬于“常閉”類電磁閥，適合于低流量的灌溉系統(tǒng)使用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

所有傳感器單元數(shù)據(jù)經(jīng)過無線網(wǎng)關(guān)傳輸至上位機(jī)，由上位機(jī)軟件進(jìn)行存儲(chǔ)和分析。上位機(jī)軟件按功能可以分為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。前者的功能是獲取來自無線傳感單元的土壤含水率等數(shù)據(jù)，保存在臨時(shí)變量里；后者則調(diào)用迭代學(xué)習(xí)控制算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)出灌溉控制指令。圖4所示為上位機(jī)軟件流程。

3.2 網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)加電后首先進(jìn)行初始化，開始周期性地探測空閑信道的信息，并及時(shí)響應(yīng)來自無線傳感器終端的入網(wǎng)請求。圖5所示為網(wǎng)關(guān)軟件流程。

3.3 傳感器軟件設(shè)計(jì)

TDR傳感器的工作是以時(shí)域反射原理將環(huán)境含水率變換成電信號(hào)，再經(jīng)過單片機(jī)的模數(shù)轉(zhuǎn)換單元直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，傳感器周期性測量數(shù)據(jù)，由定時(shí)信號(hào)進(jìn)行喚醒。圖6所示為含水率傳感器軟件流程。

4 迭代學(xué)習(xí)控制算法的設(shè)計(jì)

4.1 算法分析

該系統(tǒng)應(yīng)用在河北省康保縣壩上地區(qū)河北農(nóng)業(yè)大學(xué)產(chǎn)學(xué)研基地甜黃魁蘋果試驗(yàn)園中，蘋果園灌溉用水量是由多種因素決定的，包括樹齡、土質(zhì)、灌溉方法等[7]。甜黃魁蘋果樹根系主要在地表下0.4～0.7 m深處，顯然灌溉水在一定時(shí)間后可通過滲透作用抵達(dá)根系附近。由于有滯后延時(shí)效應(yīng)存在，灌溉效果被系統(tǒng)識(shí)別不是實(shí)時(shí)的，降低了灌溉精度。

試驗(yàn)園的自動(dòng)灌溉過程由土壤水分的上、下閾值決定，當(dāng)傳感器傳回的水分含量低于下閾值則啟動(dòng)灌溉過程，水分超過上閾值則終止灌溉過程。由于水分從土壤表層滲透到果樹根系存在時(shí)間差，傳感器難以實(shí)時(shí)判定土壤水分含量，影響了自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。

本研究引入迭代學(xué)習(xí)控制算法，以輸出值和期望值之間的差值對控制信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，使系統(tǒng)具備跟蹤性能[8-11]。研究對象土質(zhì)為沙壤土，果樹吸水根系的深度平均值為地表下0.55 m。結(jié)合甜黃魁果樹對土壤環(huán)境的需求，其最佳生長條件為土壤含水率處于60%～80%[12]。由此通過計(jì)算求得，系統(tǒng)參數(shù)下限閾值與上限閾值分別為12%和16%，當(dāng)含水率低于下限時(shí)即應(yīng)啟動(dòng)灌溉過程。

4.2 算法設(shè)計(jì)

將果園土壤實(shí)時(shí)含水率以 p（t）表示，灌水量以 c（t）表示，土壤水含量狀態(tài)以q（t）表示，則自動(dòng)灌溉系統(tǒng)可以通過下式表示：

p（t）=f（p（t），c（t），t）

q（t）=g（p（t），t）

假定灌溉系統(tǒng)在時(shí)間軸的[0，T]上周期性動(dòng)作（開始灌溉—停止灌溉—開始灌溉），則函數(shù)f（）與g（）在每一個(gè)周期中保持恒定的函數(shù)關(guān)系，所以灌溉系統(tǒng)具備可重復(fù)的特點(diǎn)[13]。以參數(shù)k表示周期性灌溉的次數(shù)，則可以將自動(dòng)灌溉系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為：

pk（t）=f（pk（t），ck（t），t）

qk（t）=g（pk（t），t）

其中，t的取值在區(qū)間[0，T]上，函數(shù)所期望的果園土壤含水量狀態(tài)為軌跡表示為qd（t），所期望的土壤實(shí)時(shí)含水率初值表示為pd（0）。

從t=0開始，灌溉系統(tǒng)的灌溉周期均由初態(tài)pk（0）開始，將cd（t）作為控制期望，則pd（t）便是基于此期望的與期望軌跡qd（t）相對應(yīng)的狀態(tài)軌跡?？芍詣?dòng)灌溉系統(tǒng)的期望軌跡qd（t）即為含水率上閾值；所期望的土壤實(shí)時(shí)含水率初值pd（0）與土壤初態(tài)pk（0）相等，為含水率下閾值；cd（t）為單次自動(dòng)灌溉所需水的總量。

以ek（t）表示輸出誤差：

ek（t）=qd（t）-qk（t）

由迭代學(xué)習(xí)控制算法，下次的自動(dòng)灌溉所需水總量ck+1（t）由當(dāng)前水總量和輸出誤差共同確定，即：

ck+1（t）=ck（t）+C（ek（t），t）

C表示是迭代學(xué)習(xí)控制中預(yù)置的映射，本研究通過土壤容積含水率θv獲取C的表達(dá)式：

θv=■×100%

進(jìn)行簡單變換，則得到C的表達(dá)式：

C（ek（t），t）=■

其中，V水的含義是土壤的水容積，V土的含義是總?cè)莘e。

每個(gè)自動(dòng)灌溉周期之后，對停止條件進(jìn)行判定，來決定迭代過程是否繼續(xù)。停止條件表達(dá)式如下：

||qd（t）-qk（t）||<ε t∈[0，T]

其中，ε的含義是灌溉精度，可以結(jié)合具體的灌溉需求來調(diào)整。

4.3 程序?qū)崿F(xiàn)

迭代學(xué)習(xí)控制算法以C語言編程實(shí)現(xiàn)[14]。圖7所示為程序流程圖。qd（t）以及C0（t）為用戶設(shè)置，初始定位系統(tǒng)初始輸出qk（0），即為果園首次灌溉用水量。由于初次灌溉，往往存在較多的偏差，隨后通過重復(fù)迭代算法，獲得合理的控制輸入ck+1（t），當(dāng) qk（t）與qd（t）之間的差值小于ε，算法結(jié)束。

5 試驗(yàn)及分析

迭代學(xué)習(xí)控制試驗(yàn)在壩上地區(qū)河北農(nóng)業(yè)大學(xué)產(chǎn)學(xué)研基地甜黃魁蘋果試驗(yàn)園進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)間為2014年6～8月，此時(shí)為甜黃魁果實(shí)膨大和花芽分化的關(guān)鍵期，需水較多。試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)是評估本研究構(gòu)建的迭代學(xué)習(xí)控制算法對果園精確灌溉的精度。

選取蘋果試驗(yàn)園中面積為1 467.4 m2的獨(dú)立田塊，土壤為沙壤土，甜黃魁以矮化密植模式種植，4.5 m×5.5 m，共計(jì)70株。含水率傳感器部署在距離地表40 cm處。土壤含水率下限設(shè)定為12%，上限16%，由此得qd（t）=16%，pk（0）=12%，灌溉精度ε設(shè)置為0.5%。

試驗(yàn)開始前先對果園土壤含水率進(jìn)行測試，采用比漫灌更加節(jié)水的噴灌方式，試驗(yàn)期正處夏季蒸發(fā)量較大的時(shí)期，待含水率下降至12%，系統(tǒng)開始首次灌溉并進(jìn)入迭代周期。此時(shí)記錄每次的灌水量和土壤含水率，直至果園土壤含水率趨于穩(wěn)定，滿足時(shí)，迭代停止。表1所示為迭代次數(shù)、灌水量、土壤水含量以及輸出誤差的數(shù)據(jù)。

由表1中可知，當(dāng)?shù)鷮W(xué)習(xí)算法執(zhí)行到第3次循環(huán)時(shí)，果園灌溉用水量為38.3 m3，此時(shí)的土壤含水率為15.8%，已經(jīng)滿足了要求。因?yàn)楹蕚鞲衅鞯臏y量精度影響，在算法循環(huán)至3、4、5次時(shí)，試驗(yàn)數(shù)值有所波動(dòng)，但依舊滿足。

6 小結(jié)

本研究設(shè)計(jì)的果園精確灌溉控制系統(tǒng)通過在河北省康保縣河北農(nóng)業(yè)大學(xué)產(chǎn)學(xué)研基地甜黃魁蘋果壩上地區(qū)試驗(yàn)園試運(yùn)行，系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性均能滿足應(yīng)用需求，顯著降低了勞動(dòng)量，節(jié)水效果明顯。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)有著十分廣泛的發(fā)展?jié)摿Γr(nóng)作物的生長環(huán)境非常復(fù)雜多變，作物產(chǎn)量和質(zhì)量受到許多外在條件的影響，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集關(guān)鍵參數(shù)，能夠以較高精度實(shí)現(xiàn)作物的按需、適時(shí)、均勻灌溉，成本較低，操作方便，具有較好的推廣價(jià)值，也是精確農(nóng)業(yè)發(fā)展的方向。

參考文獻(xiàn)：

[1] 高 峰，俞 立，張文安，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的作物水分狀況監(jiān)測系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009，25（2）：107-112.

[2] 陳兆波.生物節(jié)水研究進(jìn)展及發(fā)展方向[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，40（7）：1456-1462.

[3] 趙燕東，章軍富，尹偉倫.按植物需求精準(zhǔn)節(jié)水灌溉自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)的研究[J].節(jié)水灌溉，2009（1）：11-14.

[4] 高 峰，俞 立，張文安，等.基于作物水分脅迫聲發(fā)射技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)精量灌溉系統(tǒng)的初步研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008，24（1）：60-63.

[5] 裘正軍，童曉星，沈杰輝，等.基于模糊控制與虛擬儀器的灌溉決策系統(tǒng)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23（8）：165-169.

[6] 蘇維嘉，王旭輝.基于MSP430單片機(jī)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007（23）：117-119.

[7] 翟 衡，史大川，束懷瑞.我國蘋果產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].果樹學(xué)報(bào)，2007，24（3）：355-360.

[8] 王明義，王明俊，焦巧鳳.微噴灌溉技術(shù)在蔬菜種植上的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究，2005（4）：303.

[9] 孫明軒，黃寶健.迭代學(xué)習(xí)控制[M].北京：國防工業(yè)出版社，2014.

[10] 謝勝利，田森平，謝振東.迭代學(xué)習(xí)控制的理論與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2014.

[11] AHNH S，MOORE K L， CHEN Y Q. Stability analysis of discrete-time iterative learning control systems with interval uncertainty[J]. Automatic，2013，43（5）：892-902.

[12] ABRAHAMN，HEMA P S，SARITHA E K，et al. Irrigation automation based on soil electrical conductivity and leaf temperature[J].Agriculture Water Management，2013，45（2）：145-157.

[13] 胡海彬.果園土壤水分監(jiān)視與灌溉自動(dòng)控制研究[D].河北保定：河北農(nóng)業(yè)大學(xué)，2012.

[14] 姜志海.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社. 2014. 226.