胡 國 強(qiáng)

(西北農(nóng)林科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與教育技術(shù)中心，陜西 楊凌 712100)

眾所周知，中國農(nóng)業(yè)用水資源短缺及用水浪費(fèi)現(xiàn)象非常嚴(yán)重，是目前中國在農(nóng)業(yè)灌溉方面所面臨的嚴(yán)峻問題。相關(guān)研究表明，當(dāng)前灌溉水利用系數(shù)低，農(nóng)業(yè)用水的有效利用率僅為43%左右，遠(yuǎn)低于歐洲等發(fā)達(dá)國家70%～80%的水平[1]。與此同時(shí)，化學(xué)肥料的利用率低，施用后沒有被作物吸收利用的肥料大量進(jìn)入環(huán)境，對(duì)環(huán)境造成污染，不僅破壞了土地資源，而且對(duì)人類健康也構(gòu)成了威脅[2,3]。水肥一體化技術(shù)是將灌溉與施肥融為一體的農(nóng)業(yè)新技術(shù)[4]，不僅能有效提高水肥的利用效率，減少資源浪費(fèi)，同時(shí)提高了農(nóng)作物產(chǎn)量，節(jié)約了勞動(dòng)力。

目前，國內(nèi)已有專家和學(xué)者對(duì)精準(zhǔn)灌溉的課題開展研究，嚴(yán)寒和嚴(yán)華利用CAN和ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田自動(dòng)化滴灌系統(tǒng)[5]；楊婷和汪小旵基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了自動(dòng)滴灌系統(tǒng)[6]；賈艷玲和劉思遠(yuǎn)在葡萄園中利用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)了智能灌溉系統(tǒng)[7]；趙榮陽等對(duì)ZigBee的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)進(jìn)行了研究[8]；安進(jìn)強(qiáng)等對(duì)基于物聯(lián)網(wǎng)的精確灌溉控制技術(shù)進(jìn)行了研究[9]；袁志強(qiáng)等設(shè)計(jì)了應(yīng)用于農(nóng)業(yè)噴灌系統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)[10]；李加念和倪慧娜實(shí)現(xiàn)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的小粒種咖啡園滴灌自動(dòng)控制系統(tǒng)[11]；汪金營將溫室農(nóng)作物自動(dòng)滴灌測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)用在節(jié)水灌溉領(lǐng)域[12]；Krishna N. M.和Marutheswar G. V.實(shí)現(xiàn)了基于GPRS和ZigBee的自動(dòng)灌溉監(jiān)控系統(tǒng)[13]；Yavuz D.等設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了可提高馬鈴薯產(chǎn)量的滴灌管理系統(tǒng)[14]；Mathew A. I.和Kumar R.利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)了滴灌管理系統(tǒng)[15]。以上研究都是利用各種技術(shù)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化灌溉系統(tǒng)，現(xiàn)在國內(nèi)已使用的遠(yuǎn)程灌溉系統(tǒng)普遍使用ZigBee協(xié)議來傳輸采集的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致現(xiàn)有的遠(yuǎn)程灌溉系統(tǒng)傳感節(jié)點(diǎn)能耗高，整個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)延遲大。針對(duì)現(xiàn)有遠(yuǎn)程灌溉系統(tǒng)的不足，選用6LoWPAN技術(shù)構(gòu)建精細(xì)化灌溉系統(tǒng)。

隨著IPv4地址的耗盡，IPv6是大勢(shì)所趨。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，將進(jìn)一步推動(dòng)IPv6的部署與應(yīng)用[16]。IETF 6LoWPAN技術(shù)具有無線低功耗、自組織網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，是物聯(lián)網(wǎng)感知層、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù)，ZigBee新一代智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中SEP2.0已經(jīng)采用6LoWPAN技術(shù)[17]，隨著美國智能電網(wǎng)的部署，6LoWPAN將成為事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，全面替代ZigBee標(biāo)準(zhǔn)。6LoWPAN支持與其他802.15.4設(shè)備的互通，同時(shí)通過簡單的橋設(shè)備很容易與其他IP網(wǎng)絡(luò)的互通。ZigBee網(wǎng)絡(luò)和非ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間的通信需要非常復(fù)雜的應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)。

鑒于6LoWPAN無線傳感網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，提出一種基于6LoWPAN的水肥一體化智能滴灌系統(tǒng)。該系統(tǒng)將6LoWPAN傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于土壤濕度與溫度的監(jiān)測(cè)和電磁閥的控制，用戶可以通過上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)獲取土壤環(huán)境數(shù)據(jù)，及時(shí)對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行水或水肥灌溉，以保證農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能

(1)土壤濕度和溫度的采集和傳輸。終端用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)登錄上位機(jī)軟件查看采集的信息。

(2)點(diǎn)到點(diǎn)的數(shù)據(jù)訪問和控制。用戶不僅可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤濕度和溫度信息，而且可以對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的電磁閥進(jìn)行控制。

(3)土壤濕度異常時(shí)及時(shí)告警并打開電磁閥進(jìn)行水或水肥灌溉。

1.2 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)按照功能分2大部分：滴灌管網(wǎng)和基于6LoWPAN的WSN智能滴灌。

滴灌管網(wǎng)設(shè)計(jì)如圖1所示，水泵經(jīng)過主管將水或水肥輸送到各個(gè)毛管，毛管上安裝電磁閥，控制灌溉。電磁閥、土壤溫濕度傳感器集成在6LoWPAN傳感節(jié)點(diǎn)上。

圖1 滴灌管網(wǎng)Fig.1 Drip irrigation pipe network

基于6LoWPAN的WSN智能滴灌部分可劃分為3個(gè)模塊。

(1)6LoWPAN 網(wǎng)絡(luò)。由6LoWPAN傳感節(jié)點(diǎn)和邊緣路由器組成，用于采集環(huán)境數(shù)據(jù)或者根據(jù)后臺(tái)指令執(zhí)行具體的操作。

(2)傳輸網(wǎng)絡(luò)。用于感知數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行傳輸。

(3)終端用戶。在PC或手機(jī)上安裝上位機(jī)軟件管理智能滴灌系統(tǒng)的人員。

具體設(shè)計(jì)如圖2所示。6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由6LoWPAN傳感器節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均可配置IPv6地址，采用樹形組網(wǎng)方式。6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過6LoWPAN路由器將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿?dòng)互聯(lián)網(wǎng)，用戶可通過互聯(lián)網(wǎng)與傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)通信，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤濕度和溫度數(shù)據(jù)及遠(yuǎn)程控制灌溉。

主要設(shè)計(jì)6LoWPAN的WSN智能滴灌部分，分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。

圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.2 Overall system architecture

2 智能滴灌系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 6LoWPAN傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)由RF收發(fā)器、微控制單元(Microcontroller Unit，MCU)、電磁閥和傳感單元4部分組成，具體設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 傳感節(jié)點(diǎn)硬件架構(gòu)Fig.3 Sensor node hardware frame

選用的處理器為ARM Cortex-M3，MCU高達(dá)48 MHz 的時(shí)鐘速度，512 KB閃存，32 KB緩存 。RF收發(fā)器采用CC2538芯片，它支持2.4 GHz射頻和IEEE 802.15.4協(xié)議。電磁閥選用脈沖電磁閥，其脈沖寬度30 ms，工作壓力0.02～1.00 MPa。傳感器采用土壤溫濕度傳感器，其輸出電壓為0～2 V，輸出電流為4～20 mA，支持RS485通信。

傳感單元感知土壤環(huán)境數(shù)據(jù)后發(fā)送到傳感節(jié)點(diǎn)的MCU處理，處理后經(jīng)過RF收發(fā)器發(fā)給6LoWPAN路由器。傳感器節(jié)點(diǎn)通過RF收發(fā)器接6LoWPAN路由器的數(shù)據(jù)包，MCU對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理后發(fā)送命令給傳感單元或發(fā)送控制命令給電磁閥進(jìn)行灌溉。

2.2 6LoWPAN路由器硬件設(shè)計(jì)

6LoWPAN路由器設(shè)計(jì)的時(shí)候要考慮到6LoWPAN子網(wǎng)和IPv4/IPv6網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。6LoWPAN路由器采用支持IPv4/IPv6的雙USB接口的OpenWrt路由器，它通過2個(gè)串口與6LoWPAN協(xié)議的傳感節(jié)點(diǎn)和WIFI模塊連接。設(shè)計(jì)好的綜合網(wǎng)關(guān)應(yīng)有基本協(xié)議解析功能，包括6LoWPAN協(xié)議以及IPv6和IPv4 協(xié)議棧。本平臺(tái)中的網(wǎng)關(guān)的硬件框架包括3個(gè)組成部分：支持6LoWPAN協(xié)議的路由節(jié)點(diǎn)、WIFI模塊、OpenWrt路由器，如圖4所示。

圖4 6LoWPAN路由器硬件框架Fig.4 6LoWPAN Router hardware frame

OpenWrt路由器和WIFI模塊的硬件配置如下。

(1)OpenWrt路由器。 CPU MediaTek MT7620A MIPS 24 K 580 MHz，F(xiàn)LASH 128 MB，DRAM內(nèi)存為256 MB ，支持802.11 b/g/n。

(2)WIFI模塊。支持 802.11 b/g/n協(xié)議，工作頻率為2.4～2.5 GHz，工作電壓為3.0～3.6 V。

3 智能滴灌系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 6LoWPAN傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

無線傳感器節(jié)點(diǎn)和邊界路由器6LoWPAN模塊移植Contiki操作系統(tǒng)，Contiki是一套物聯(lián)網(wǎng)開源操作系統(tǒng)。其中基于Contiki的 SICSlowpan以其開源、可移植性好、超輕量級(jí)、長期維護(hù)等優(yōu)勢(shì)得到了廣泛關(guān)注，SICSlowpan符合RFC4944標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了頭部編碼壓縮片、地址分配等功能，具有較好的互操作性[18]。

傳感器節(jié)點(diǎn)加電后，Contiki系統(tǒng)開始初始化，處于監(jiān)聽邊緣路由器的狀態(tài)。邊緣路由器一旦通過6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送來數(shù)據(jù)包，傳感器節(jié)點(diǎn)就對(duì)該數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析。解析結(jié)果是采集土壤濕度指令，傳感器節(jié)點(diǎn)就采集土壤濕度，將當(dāng)前傳感器狀態(tài)信息和采集信息通過RF射頻模塊發(fā)送給邊緣路由器；解析結(jié)果如果是控制電磁閥的指令，傳感器節(jié)點(diǎn)將會(huì)控制所連接的電磁閥，將最終狀態(tài)信息通過RF射頻模塊發(fā)送給邊緣路由器[19]。傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5 傳感節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)框架Fig.5 Sensor node software design flow diagram

3.2 6LoWPAN路由器軟件設(shè)計(jì)

邊緣路由器上電初始化之后，處于監(jiān)聽UDP端口信息狀態(tài)，等待上位機(jī)軟件發(fā)來指令。一旦接收到上位機(jī)發(fā)送的指令，先解析數(shù)據(jù)包，解析后的數(shù)據(jù)包由邊緣路由器的RF射頻模塊向6LoWPAN無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)報(bào)文。在設(shè)置的時(shí)間段內(nèi)，不管6LoWPAN無線傳感網(wǎng)絡(luò)有沒有響應(yīng)邊緣路由器[19]，邊緣路由器都會(huì)將響應(yīng)狀態(tài)通過WLAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上位機(jī)軟件。邊緣路由器軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。

圖6 6LoWPAN路由器軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.6 6LoWPAN router design flow diagram

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)的原則

(1)出于節(jié)能的考慮，采用UDP(User Datagram Protocol)協(xié)議來傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用IP地址+端口號(hào)的方式標(biāo)識(shí)不同的感知和控制服務(wù)。

(2)支持多終端訪問，用戶可以通過不同的終端來訪問，如PC、安卓手機(jī)、蘋果手機(jī)等。

(3)軟件運(yùn)行穩(wěn)定，管理界面直觀。

3.3.2 上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)

基于設(shè)計(jì)原則考慮，采用LabVIEW程序開發(fā)環(huán)境實(shí)現(xiàn)。LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境[20]，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受，被視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。研究利用LabVIEW創(chuàng)建Web Service 服務(wù)，用戶可以通過在瀏覽器上輸入 URL來請(qǐng)求Web Service服務(wù)以獲取智能滴灌系統(tǒng)VI。

Web Service 服務(wù)創(chuàng)建流程：

(1)啟動(dòng)LabVIEW網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器及Web service。

(2)在LabVIEW項(xiàng)目創(chuàng)建智能滴灌系統(tǒng)VI。

(3)設(shè)定URL請(qǐng)求對(duì)應(yīng)表，指定何種URL會(huì)執(zhí)行那些VI。

(4)生成調(diào)試好的Web Service后，將其部署于服務(wù)器。

用戶通過終端獲取智能滴灌系統(tǒng)VI可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤濕度和溫度數(shù)據(jù)或控制6LoWPAN傳感器節(jié)點(diǎn)集成的電磁閥進(jìn)行灌溉。

4 系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)與IPv4網(wǎng)絡(luò)互通試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室隨機(jī)設(shè)置一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)IPv6地址為FC00::0212:4b00:053d:7789。該節(jié)點(diǎn)開啟了2個(gè)任務(wù)，占用2個(gè)端口，其中5683是CoAP協(xié)議使用的端口，12346端口作UDP傳輸用。6LoWPAN路由器IPv6地址為FC00::0212:4b00:0612:8e25，從校園網(wǎng)獲取IPv4地址210.27.82.231。傳感節(jié)點(diǎn)加入6LoWPAN路由器創(chuàng)建的6LoWAPN網(wǎng)，如圖7所示。

圖7 6LoWPAN路由器串口顯示圖Fig.7 6LoWPAN Router serial display

為了方便用戶通過IPv4網(wǎng)絡(luò)訪問，在網(wǎng)關(guān)上作了NAT64轉(zhuǎn)換。測(cè)試機(jī)從校園網(wǎng)獲取IPv4地址(210.27.82.130)，通過CoAP協(xié)議訪問，如圖8所示。

圖8 CoAP訪問6LoWPAN路由器Fig.8 CoAP access 6LoWPAN router

該試驗(yàn)說明，6LoWAPN網(wǎng)絡(luò)搭建成功，在IPv4環(huán)境下用戶可以通過CoAP協(xié)議訪問6LoWPAN路由器，即6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)與IPv4網(wǎng)絡(luò)可以相互通信。

4.2 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境系統(tǒng)運(yùn)行試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，隨機(jī)設(shè)置2個(gè)6LoWAPN節(jié)點(diǎn)，將溫度傳感器和土壤濕度傳感器、脈沖電磁閥連接到傳感節(jié)點(diǎn)的引腳上，將3個(gè)傳感器對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)寫進(jìn)6LoWAPN節(jié)點(diǎn)的Contiki系統(tǒng)，配置Contiki系統(tǒng)的IPv6地址。安裝上位機(jī)軟件的PC機(jī)直連6LoWAPN路由器，用戶通過上位機(jī)管理軟件每隔6 s發(fā)送請(qǐng)求來獲取土壤濕度和溫度數(shù)據(jù)。節(jié)點(diǎn)1的土壤溫濕度傳感器插進(jìn)花盆1，節(jié)點(diǎn)2的土壤溫濕度傳感器插進(jìn)花盆2，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壞境溫度和土壤濕度，可以在上位機(jī)軟件設(shè)置監(jiān)測(cè)范圍，土壤濕度異常時(shí)，可以控制電磁閥灌溉。

圖9 系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 System test results

5 系統(tǒng)測(cè)試

在溫室大棚環(huán)境下，隨機(jī)布置一個(gè)6LoWPAN傳感節(jié)點(diǎn)和一個(gè)ZigBee傳感節(jié)點(diǎn)，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都連接好土壤溫濕度傳感器和電磁閥。在其附近部署一個(gè)無線綜合網(wǎng)關(guān)，上面集成6LoWPAN模塊和ZigBee模塊，安裝LabVIEW軟件的筆記本通過WIFI訪問無線綜合網(wǎng)關(guān)，測(cè)試拓?fù)淙鐖D10所示。

圖10 測(cè)試拓?fù)銯ig.10 Test topology

打開安裝LabVIEW軟件的筆記本，可以從綜合網(wǎng)關(guān)獲取IPv6地址，然后通過ping命令獲取到6LoWPAN傳感節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)間。ZigBee滴灌系統(tǒng)的傳輸時(shí)間由2部分組成，即筆記本和綜合網(wǎng)關(guān)之間的傳輸時(shí)間和ZigBee節(jié)點(diǎn)之間ZigBee協(xié)調(diào)器的傳輸時(shí)間。分別記錄4組不同距離且3個(gè)不同位置2套網(wǎng)絡(luò)之間的傳輸時(shí)間，ZigBee滴灌系統(tǒng)傳輸時(shí)間如表1所示，6LoWPAN滴灌系統(tǒng)傳輸時(shí)間如表2所示。

對(duì)比測(cè)試結(jié)果，6LoWPAN滴灌系統(tǒng)傳輸時(shí)間比ZigBee滴灌系統(tǒng)傳輸時(shí)間短，系統(tǒng)時(shí)延小。

表1 ZigBee滴灌系統(tǒng)傳輸時(shí)間Tab.1 Transmission time of ZigBee drip irrigation system

表2 6LoWPAN滴灌系統(tǒng)傳輸時(shí)間Tab.2 Transmission time of 6LoWPAN drip irrigation system

6 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一套基于6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水肥一體化智能滴灌系統(tǒng)，該系統(tǒng)將WSN通過6LoWPAN路由器的WIFI模塊直接接入IPv4/IPv6網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)跟IPV4/IPV6網(wǎng)絡(luò)的互相通信，用戶可以遠(yuǎn)程獲取農(nóng)作物土壤溫度和土壤濕度數(shù)據(jù)并通過控制電磁閥以保障土壤濕度數(shù)據(jù)在設(shè)定范圍內(nèi)。測(cè)試結(jié)果表明，基于6LoWPN的WSN與IPv4/IPv6網(wǎng)絡(luò)可以相互通信，系統(tǒng)能準(zhǔn)確獲取土壤溫度和濕度數(shù)據(jù)，6LoWPAN滴灌系統(tǒng)時(shí)延小。

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