王宗省， 蘇金娣，宋炳輝

(山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，山東 青島 266590)

0 引 言

近幾年來，隨著人們生活水平的提高，對蔬菜水果的需求量大大增加，促使農(nóng)業(yè)大棚得到迅速的發(fā)展。聯(lián)棟大棚由于性價比高，成為水果蔬菜大棚的一種首選。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)聯(lián)棟大棚灌溉管理主要是粗放式的人工操作，通過觀察地表潮濕度來進(jìn)行人工控制漫灌[1]或者滴灌，這樣不僅造成水資源浪費(fèi)，而且灌溉不精確，并且大棚數(shù)目較多，人工勞動強(qiáng)度大。針對這個問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于土壤墑情的聯(lián)棟大棚智能灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)將終端數(shù)據(jù)采集控制模塊采集到的棚內(nèi)土壤濕度溫度數(shù)據(jù)通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳送給上位機(jī)，上位機(jī)融合土壤濕度溫度及設(shè)定值要求，給出是否灌溉的控制信號，再通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送給終端數(shù)據(jù)采集控制模塊，從而來控制水泵和滴灌主管道電磁閥的開啟和關(guān)閉。該系統(tǒng)不僅克服了有線控制的布線的問題，也降低了利用GPRS設(shè)計(jì)使用網(wǎng)關(guān)的費(fèi)用，又加入手機(jī)APP，管理人員可以隨時隨地查看大棚內(nèi)的土壤墑情數(shù)據(jù)，而且更好地實(shí)現(xiàn)自動化、科學(xué)化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由四部分構(gòu)成：數(shù)據(jù)采集控制模塊、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)、上位機(jī)管理系統(tǒng)及手機(jī)APP系統(tǒng)。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)如圖1所示，每個聯(lián)棟大棚作為一個數(shù)據(jù)采集控制終端，每個大棚在不同區(qū)域放置2個土壤水分溫度傳感器，終端采集控制器將采集到的土壤水分溫度數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)送給上位機(jī)，終端采集控制器還可以接收由上位機(jī)經(jīng)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳送的電磁閥的控制信號。每個水泵作為一個數(shù)據(jù)采集控制終端，在主管道區(qū)段放置1個壓力傳感器，終端采集控制器將采集到的主管道的壓力信號處理經(jīng)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)送給上位機(jī)，終端采集控制器還可以接收由上位機(jī)經(jīng)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)傳送的水泵的控制信號，來實(shí)現(xiàn)恒壓滴灌，提高灌溉效率。無線網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器(Coordinator)節(jié)點(diǎn)和多個路由(Router)節(jié)點(diǎn)及終端(End-device)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成[2]，實(shí)現(xiàn)更靈活的管控要求。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖

上位機(jī)管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析，自動或人為控制微滴灌電磁閥的打開與關(guān)閉、開啟水泵的個數(shù)。為提高管理的方便性，設(shè)計(jì)了管理系統(tǒng)的手機(jī)APP，借助于云服務(wù)，管理者可以隨時隨地實(shí)時觀測大棚內(nèi)土壤的溫濕度，還可以對在線監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

1.1 數(shù)據(jù)采集控制終端設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集控制終端主要是由傳感器模塊、CC2530芯片處理器、無線發(fā)射模塊、工作指示模塊、控制模塊和電源模塊組成。用于棚內(nèi)的數(shù)據(jù)采集控制終端中的傳感器采用MS-10土壤水分溫度傳感器組，MS-10是一款響應(yīng)速度快、精度高、靈敏度高、互換性好、密封性好、耐腐蝕的土壤水分溫度的傳感器，其接口是基于Modbus協(xié)議的RS485總線形式。用水泵控制的數(shù)據(jù)采集控制終端中的傳感器采用高性能耐腐蝕的LST-131壓力傳感器。CC2530芯片結(jié)合領(lǐng)先的RF 收發(fā)器的優(yōu)良性能，且支持ZigBee協(xié)議[3]，該處理器控制整個節(jié)點(diǎn)運(yùn)作，負(fù)責(zé)把采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee無線上傳路由器，接收上位機(jī)下達(dá)相應(yīng)的控制命令?？刂颇K主要是電磁閥開關(guān)或者水泵的變頻器開關(guān)，這里是采用固態(tài)繼電器控制。電源模塊采用小功率的開關(guān)電源。

1.2 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，由于ZigBee技術(shù)具有通信距離遠(yuǎn)、功耗低、成本低、節(jié)點(diǎn)容量高和網(wǎng)絡(luò)組織方便等優(yōu)點(diǎn)[4,5]。本系統(tǒng)采用ZigBee聯(lián)盟和TI公司推出的免費(fèi)Z-Stack協(xié)議棧CC2530-2.3.0-1.4.0[6]進(jìn)行開發(fā)，由系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)圖1可見，采用網(wǎng)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、多個路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)組成的。

協(xié)調(diào)器是ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)建立的起點(diǎn)和集聚點(diǎn)、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、選擇信道、管理網(wǎng)絡(luò)鏈路的狀態(tài)、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)、并自動分配網(wǎng)絡(luò)中各路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址。網(wǎng)絡(luò)建成后協(xié)調(diào)器起維持網(wǎng)絡(luò)的作用，類似于路由器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可以直接與路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)通信。路由器節(jié)點(diǎn)具有傳輸數(shù)據(jù)功能和路由功能，是擴(kuò)大ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)范圍的關(guān)鍵，為遠(yuǎn)程設(shè)備起中繼服務(wù)作用，可以連接多個路由器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)，但是不具有組網(wǎng)功能。終端節(jié)點(diǎn)處于ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)的末端，是傳感信息和控制信號的上傳點(diǎn)，也是驅(qū)動執(zhí)行信息的接收點(diǎn)，終端節(jié)點(diǎn)沒有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和組網(wǎng)能力。

1.2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的地址分配

ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用分布式地址分配機(jī)制，ZigBee設(shè)備有兩種類型的地址，一種是全球唯一的64位MAC擴(kuò)展地址，一種是組建ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)時父節(jié)點(diǎn)分配的16位網(wǎng)絡(luò)地址，用于數(shù)據(jù)傳輸和路由機(jī)制[7]。具體地址分配規(guī)則如下。

Cm是一個父節(jié)點(diǎn)所能容納的最大子節(jié)點(diǎn)個數(shù)，Rm是子節(jié)點(diǎn)中最大路由數(shù)目，網(wǎng)絡(luò)的最大深度為Lm，則對于深度為d的父節(jié)點(diǎn)為其子節(jié)點(diǎn)分配的地址空間偏移量Cskip(d)如式(1)所示。

(1)

當(dāng)?shù)刂房臻g偏移量大于0時，才能夠?yàn)樽庸?jié)點(diǎn)分配地址，允許子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器的地址和網(wǎng)絡(luò)深度都為0。如果父節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址為Ap，給第n個加入的路由器節(jié)點(diǎn)分配的地址An如式(2)所示。

An=Ap+1+Cskip(d)×(n-1)

(2)

當(dāng)?shù)趇個加入的子節(jié)點(diǎn)為終端節(jié)點(diǎn)時，父節(jié)點(diǎn)為其分配的網(wǎng)絡(luò)地址Ai如式(3)所示。

Ai=Ap+Cskip(d)×Rm+i,1≤i≤Cm-Rm

(3)

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)向協(xié)調(diào)器發(fā)送的數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)由幀控制、目的地址，原地址和有效載荷等組成。其中目的地址表示該數(shù)據(jù)幀要被送達(dá)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，源地址是由ZigBee終端節(jié)點(diǎn)發(fā)出的。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時分別對每個大棚進(jìn)行編號，并且將源地址和大棚的編號相對應(yīng)。這樣上位機(jī)軟件就可以通過源地址的內(nèi)容判斷該數(shù)據(jù)幀哪個大棚，從而可以啟動相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)對環(huán)境因素進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。

1.2.2 ZigBee路由算法

路由算法用于解決網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸問題，是保證網(wǎng)絡(luò)性能好壞的關(guān)鍵技術(shù)。在ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)中常用的路由算法有3種：Cluster-Tree路由算法，AODVjr路由算法，以及兩種算法結(jié)合使用。

Cluster-Tree路由算法是ZigBee網(wǎng)絡(luò)樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中基本的路由算法，在樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，如果某一子節(jié)點(diǎn)想要發(fā)送數(shù)據(jù)給其他節(jié)點(diǎn)，是先將數(shù)據(jù)發(fā)送給自己的父節(jié)點(diǎn)，父節(jié)點(diǎn)判斷目的地址是否為自己，若是自己，則接收數(shù)據(jù)；否則需要根據(jù)式(4)判斷目的節(jié)點(diǎn)是否為其后代節(jié)點(diǎn)。其中Ap為父節(jié)點(diǎn)的短地址，d為網(wǎng)絡(luò)深度，D為目的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址。

Ap

(4)

如果目的節(jié)點(diǎn)地址滿足式(4)，那么目的地址就在父節(jié)點(diǎn)的地址空間內(nèi)，目的節(jié)點(diǎn)是它的后代節(jié)點(diǎn)，目的節(jié)點(diǎn)直接接收數(shù)據(jù)，根據(jù)式(5)進(jìn)行計(jì)算下一跳節(jié)點(diǎn)的地址。

(5)

如果目的節(jié)點(diǎn)地址不滿足式(4)，將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給地址為Ap節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)，若目的地址是其父節(jié)點(diǎn)，則處理數(shù)據(jù)，否則收到數(shù)據(jù)的父路由按照上面的方式尋址，直到找到目的地址。Cluster-Tree路由算法必須按照樹形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分配方式來尋址，源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的傳輸路徑跳數(shù)過多，選擇的路徑不一定是最佳路徑，靈活性差，路由效率低下。

AODVjr路由算法是按需分配[8]的，是按時間最短原則來尋找最優(yōu)路徑的。當(dāng)具有路由功能的節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，如果路由表中有到達(dá)目的地址的路徑，有就直接發(fā)送過去，若沒有，則馬上進(jìn)行路由過程。 路由過程分為發(fā)現(xiàn)路由、建立反向路由、建立正向路由，由此就建好了一條從進(jìn)行起點(diǎn)到終點(diǎn)的有效傳輸通道[9]。AODVjr路由算法通過目的節(jié)點(diǎn)對源節(jié)點(diǎn)周期性的發(fā)送KEEP-ALIVE來維護(hù)路徑的，簡化了路由表，降低了復(fù)雜度。但AODVjr路由算法在路由發(fā)現(xiàn)過程中，會產(chǎn)生分組大量泛洪的問題[10]，會導(dǎo)致冗余、能量的消耗等問題。

在本系統(tǒng)中采用AODVjr+Cluster-Tree的路由算法，ZigBee路由節(jié)點(diǎn)分為兩類：RN+節(jié)點(diǎn)和RN-節(jié)點(diǎn)[11]。RN+是指內(nèi)存大且具有路由選擇功能的節(jié)點(diǎn)，RN-是指內(nèi)存不足沒有能力進(jìn)行AODVjr路由算法的節(jié)點(diǎn)，在ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)中建立路由的步驟：

RN+節(jié)點(diǎn)可以采用AODVjr路由算法，發(fā)起路由發(fā)現(xiàn)過程來尋找最佳路由路徑，RN-節(jié)點(diǎn)則只能采用Cluster-Tree算法計(jì)算下一跳地址。節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建RREQ并向鄰居節(jié)點(diǎn)廣播消息，如果是RN+節(jié)點(diǎn)收到，則建立反向路徑將RREQ廣播；如果是RN-節(jié)點(diǎn)收到的RREQ分組，就按照Cluster-Tree路由算法轉(zhuǎn)發(fā)出去；當(dāng)RREQ到達(dá)了目的節(jié)點(diǎn)后，目的節(jié)點(diǎn)就得向源節(jié)點(diǎn)回復(fù)RREP，RREP所走的是先前建立好的反向路由路徑，同時目的節(jié)點(diǎn)還要計(jì)算它到下一站的路由開銷；凡所收到RREP的設(shè)備都要建好到此次目的地的正向路由，而且路由表必須更新[12]；隨著RREP到達(dá)發(fā)起RREQ的節(jié)點(diǎn)，這樣就通過AODVjr路由算法選擇好了最優(yōu)路徑，信息將沿著正向路徑傳輸。

1.3 上位機(jī)管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用 C++語言編寫上位機(jī)界面，其面向?qū)ο骩13]的特點(diǎn)，便于理解。上位機(jī)部分包括數(shù)據(jù)管理、云服務(wù)和自動控制部分，是一個基于大棚號、溫濕度、水泵壓力等信息的小型監(jiān)測系統(tǒng)，方便管理人員對大棚的管理。數(shù)據(jù)管理也就是云計(jì)算平臺，在平臺上可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行并行計(jì)算處理，統(tǒng)一管理大棚的數(shù)據(jù)信息。云服務(wù)就是通過Web服務(wù)訪問云平臺，用戶可以利用手機(jī)APP實(shí)時觀測大棚內(nèi)土壤的溫濕度，對在線監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，上位機(jī)可以顯示各個大棚的灌溉狀態(tài)及主要環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程對大棚中的電磁閥和泵進(jìn)行操作。界面如圖3所示。

當(dāng)土壤水分傳感器檢測土壤水分含量高于設(shè)定的上閾值時，管理系統(tǒng)會顯示警示狀態(tài)，用紅色指示燈指示并播放警示聲音，管理人員可以通過控制電磁閥驅(qū)動按鈕，遠(yuǎn)程控制電磁閥關(guān)閉；當(dāng)土壤水分溫度傳感器檢測土壤水分含量低于設(shè)定的下閾值時，管理系統(tǒng)會顯示警示狀態(tài)，用紅色指示燈指示并播放警示聲音，管理人員可以通過控制電磁閥驅(qū)動按鈕，遠(yuǎn)程控制電磁閥打開，進(jìn)行澆水動作。上位機(jī)管理系統(tǒng)還實(shí)時監(jiān)測管道內(nèi)的水的壓力值，自動綜調(diào)開啟水泵的個數(shù)，保證泵的管道壓力值在正常范圍內(nèi)，防止管道破裂。

1.4 手機(jī)APP系統(tǒng)的開發(fā)

手機(jī)APP的設(shè)計(jì)使用JAVA語言，其中主要運(yùn)用了如Socket編程、SpringMVC框架[14]等知識，以Eclipse作為系統(tǒng)開發(fā)平臺。

手機(jī)APP可以實(shí)現(xiàn)各個大棚的溫度濕度及電磁閥狀態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時上傳，方便管理人員及時了解當(dāng)前的信息。管理人員也可以通過手機(jī)APP下達(dá)灌溉指令實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的灌溉操作。

當(dāng)管理人員在手機(jī) APP 輸入和上位機(jī)同樣的 IP 地址，與上位機(jī)進(jìn)行通信連接。手機(jī) APP 和上位機(jī)的連接采用C++的SocKet異步通信方式。上位機(jī)服務(wù)器端首先建立套接字，用本地的IP 地址綁定上位機(jī)的端口，云服務(wù)器端使用 Listen 的方法偵聽端口等待連接指令。手機(jī)APP請求連接登錄到上位機(jī)運(yùn)行的服務(wù)器端，手機(jī)APP把接收的數(shù)據(jù)分配給不同的終端進(jìn)行顯示。上位機(jī)接到手機(jī)的查詢命令后把大棚內(nèi)土壤的溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送到手機(jī)APP終端。設(shè)計(jì)界面如圖2所示。

2 系統(tǒng)測試結(jié)果

在山東濰坊高密春華秋實(shí)農(nóng)業(yè)有限公司的12個聯(lián)棟大棚，近13.33 hm2地現(xiàn)場測試，可以實(shí)時的采集到大棚內(nèi)土壤溫濕度和管道壓力數(shù)據(jù)，對大棚內(nèi)的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)測試，系統(tǒng)測試結(jié)果如圖3所示，系統(tǒng)可以實(shí)時監(jiān)測大棚內(nèi)土壤溫濕度的數(shù)據(jù)，并且可以分別控制大棚內(nèi)灌溉開關(guān)的狀態(tài)。當(dāng)采集到的溫濕度數(shù)據(jù)超過設(shè)定閾值，系統(tǒng)界面會顯示紅色指示燈并播放警告語音，提醒管理人員關(guān)閉灌溉開關(guān)。

圖2 手機(jī)APP設(shè)計(jì)界面

圖3 系統(tǒng)測試結(jié)果

3 結(jié) 語

基于ZigBee技術(shù)的聯(lián)棟大棚智能灌溉系統(tǒng)經(jīng)過測試，該系統(tǒng)自動化程度高，可以根據(jù)不同作物的生長期、當(dāng)時的土壤溫度、濕度等進(jìn)行自行灌溉或者人為控制；網(wǎng)絡(luò)及手機(jī)APP等現(xiàn)代的通信方式的拓展，隨時隨地實(shí)時監(jiān)測大棚內(nèi)的情況，節(jié)省了人力物力，使其管理更方便；具有反饋閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)恒壓灌溉，提高灌溉效率；利用物聯(lián)方式，形成一個開放式的系統(tǒng)，可以隨時增加或者去掉一些大棚節(jié)點(diǎn)，且與互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)結(jié)起來，對農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)、銷都可以聯(lián)結(jié)起來，具有廣闊的市場前景。

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