崔佳民，郭 棟

（浙江水利水電學(xué)院 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

我國(guó)是一個(gè)水資源緊缺國(guó)，同時(shí)又是一個(gè)農(nóng)林業(yè)大國(guó)，農(nóng)林業(yè)用水所占比重較大，用水矛盾十分突出。另一方面，不管是農(nóng)業(yè)灌溉還是城市綠化用水通常憑借經(jīng)驗(yàn)定時(shí)灌溉，是一種很粗放的方式，這種原始的灌溉方式既無(wú)法保證植物科學(xué)用水量，同時(shí)又大大浪費(fèi)了寶貴的水資源。加強(qiáng)對(duì)土壤墑情的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，并通過(guò)控制裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉，有助于做好科學(xué)的給水措施，實(shí)現(xiàn)水資源的合理利用及農(nóng)林業(yè)的健康發(fā)展。

1 無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集與傳輸

（1）無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)具有采集數(shù)據(jù)和無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)墓δ埽阂环矫鎭?lái)實(shí)現(xiàn)土壤溫度、濕度等參數(shù)的測(cè)量采集和處理；另一方面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合和收發(fā)。對(duì)自身采集的數(shù)據(jù)和收到的其他節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，再轉(zhuǎn)發(fā)到匯聚節(jié)點(diǎn)。所探測(cè)范圍內(nèi)的土壤墑情，通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式將數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)關(guān)。

無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)由采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊和供電模塊四部分組成，如圖1所示。其中，采集模塊負(fù)責(zé)采集對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的土壤墑情；數(shù)據(jù)處理模塊轉(zhuǎn)換采集的原始數(shù)據(jù)；無(wú)線(xiàn)通信模塊主要完成與數(shù)據(jù)通信任務(wù)，供電模塊負(fù)責(zé)傳感器節(jié)點(diǎn)運(yùn)行時(shí)能量供應(yīng)。

圖1 無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)框圖

本系統(tǒng)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)方案擬采用ZigBee組網(wǎng)技術(shù)。無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)硬件擬采用TI公司的CC2530作為主控芯片開(kāi)發(fā)，它集成了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微控制器，以及豐富的資源外設(shè)。主控芯片可以工作在休眠狀態(tài)，功耗極低，滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)凸牡囊?。為了使得采集覆蓋范圍廣，采用CC2591射頻放大芯片，加上6DB的高增益天線(xiàn)的作用，將無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)路的覆蓋范圍大大提高。

（2）數(shù)據(jù)采集傳感器選型。傳感器是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)和前提，組成物聯(lián)網(wǎng)的基本單位，對(duì)其選用，遵循實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、標(biāo)準(zhǔn)、耐用的原則。本系統(tǒng)用于檢測(cè)土壤溫濕度，綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)和對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求，擬選擇Decagon公司研制的ECH2O土壤水分傳感器。其特性為探針阻抗隨土壤含水量的變化不同，造成傳輸線(xiàn)兩端電壓的不同，通過(guò)測(cè)量高頻傳輸線(xiàn)兩端電壓幅值差的方法得到土壤含水量。圖2為本項(xiàng)目擬選擇傳感器實(shí)物圖。

無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)：

系統(tǒng)檢測(cè)范圍及其精度：

溫度：-20℃～50℃。精度±0.5℃

濕度：5%～95%。精度±2%

圖2 土壤水分傳感器

該項(xiàng)目根據(jù)節(jié)點(diǎn)位置將網(wǎng)絡(luò)劃分為區(qū)域，區(qū)域無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)可以相互通信并有很強(qiáng)的協(xié)同能力，通過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)其它節(jié)點(diǎn)的信息，節(jié)點(diǎn)之間構(gòu)成多跳的通信網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)區(qū)域內(nèi)有一個(gè)首節(jié)點(diǎn)，可以克區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)通信，它來(lái)發(fā)布管理節(jié)點(diǎn)的檢測(cè)任務(wù)，并負(fù)責(zé)將來(lái)自區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過(guò)不同區(qū)域，通過(guò)多跳數(shù)據(jù)路由傳送給主控終端，實(shí)現(xiàn)收集網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的目標(biāo)。

2 控制策略研究

選取預(yù)實(shí)施精準(zhǔn)灌溉的試驗(yàn)田，劃定50m*50m和100m*100m兩種方式來(lái)采集2組土壤含水量的數(shù)據(jù)，應(yīng)用試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從統(tǒng)計(jì)特征值和空間結(jié)構(gòu)性?xún)蓚€(gè)方面，對(duì)丘陵區(qū)小面積田塊的土壤含水量進(jìn)行空間異性分析，得出土壤含水量樣本的平均值與采樣點(diǎn)的離散程度，結(jié)合無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的最大傳輸距離與田間土壤含水率采樣精度，確定采樣信息。

灌溉控制策略模糊推理算法，兩個(gè)輸入量：作物蒸散量和土壤含水量，一個(gè)輸出量：作物需水量?？刂埔?guī)則采用分段2段進(jìn)行模糊控制，首先系統(tǒng)定時(shí)從傳感器獲得土壤含水量，如果土壤含水量高于上限值就停止灌溉，如果低于下限值，就對(duì)作物進(jìn)行灌溉，直到高于下限值；如土壤含水量介于上、下限之間時(shí)，就采用模糊控制規(guī)則，對(duì)土壤含水量的偏差和偏差變化率進(jìn)行規(guī)范化和模糊化處理，處理后的值帶入模糊控制規(guī)則庫(kù)，得出控制量。模糊控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心是完整的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，了解當(dāng)前灌溉情況和歷史記錄。

圖3 模糊控制器結(jié)構(gòu)圖

4 結(jié)語(yǔ)

3 物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)

本系統(tǒng)采用無(wú)線(xiàn)通信方式，局域網(wǎng)采用ZigBee節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)低功耗、低成本的節(jié)點(diǎn)組成。遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)傳輸通過(guò)GPRS通信實(shí)現(xiàn)。節(jié)點(diǎn)信息通過(guò)局域網(wǎng)和GPRS遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)傳輸至終端顯示，人們可以在有網(wǎng)絡(luò)的地方實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境動(dòng)態(tài)，控制信息也可通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊傳送至節(jié)點(diǎn)，根據(jù)需要進(jìn)行科學(xué)控制。通信模塊原理框圖如圖4所示。

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是實(shí)現(xiàn)智能灌溉的必要基礎(chǔ)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣、組網(wǎng)并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波與自適應(yīng)加權(quán)運(yùn)算，可以及時(shí)、準(zhǔn)確的獲取土壤墑情。無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的土壤墑情信息，通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上傳至主控節(jié)點(diǎn)。主控節(jié)點(diǎn)通過(guò)先進(jìn)的數(shù)據(jù)融合方法對(duì)土壤溫度、環(huán)境溫度、以及各種不同作物的特性等因素進(jìn)行融合，通過(guò)軟件模糊控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)化控制。無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的控制端根據(jù)設(shè)定的閾值及時(shí)控制電磁閥的開(kāi)啟和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)智能灌溉控制。

圖4 通信模塊原理框圖

參考文獻(xiàn)

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