基于物聯(lián)網(wǎng)的土壤水分實時檢測灌溉系統(tǒng)設計論文
0 引言。
隨著現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸技術（ 如藍牙、紅外線、WiFi、無線網(wǎng)絡技術（ 如 ZigBee、GPRS） 、信息處理技術（ 如云計算技術等） 的發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在機械化的基礎上正在朝著自動化、智能化的方向推進。
土壤水分反映了農(nóng)業(yè)干旱程度，以土壤水分為指標，可以指導農(nóng)業(yè)灌溉。土壤的含水狀況俗稱土壤墑情，還包括土壤性質(zhì)、深度等狀態(tài)，其關系到農(nóng)作物的優(yōu)質(zhì)生長。不能及時、足量灌溉，或過量灌溉，都可能導致農(nóng)作物根莖不能從土壤及時吸收水分，影響農(nóng)作物的正常生長。另一方面，從農(nóng)業(yè)節(jié)水、節(jié)能及可持續(xù)性發(fā)展角度考慮，在灌溉作業(yè)中，要實現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉水資源高效利用，必須實時、精確地掌握農(nóng)田土壤水分信息，準確地控制灌溉開始時機、結(jié)束時機及水量，從而實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)能和作物的良好生長雙重目標。
作為農(nóng)業(yè)大國，我國的農(nóng)業(yè)用水量消耗了 80% 的水資源總量[1],研究開發(fā)土壤含水率自動監(jiān)測和智能控制的灌溉系統(tǒng)，有助于作物良好生長條件的建立和水資源的節(jié)約。近年來，國內(nèi)外研發(fā)出土壤水分檢測器，利用無線傳感器采集農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)信息，實時監(jiān)測土壤含水率的數(shù)據(jù)。當土壤含水率數(shù)值低于閾值下限時，開啟水泵進行灌溉； 當土壤含水率數(shù)值高于閾值上限時，關閉水泵以停止灌溉，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)模式下的農(nóng)業(yè)土壤水分智能控制。
然而，受制于傳感器等硬件及通信模塊等軟件系統(tǒng)的發(fā)展，現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)運用范圍還很小，普及率較低。目前，物聯(lián)網(wǎng)傳感器一般體積較大、不便于攜帶與安裝、能耗高、價格貴、響應速度慢、精度低及數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定。同時，作為土壤水分傳感器，還需要具備受土質(zhì)影響小及不易受到土壤中各種成分腐蝕等特點。
1 系統(tǒng)的組成及原理。
系統(tǒng)主要包括硬件部分，如 RHD - 100 土壤水分傳感器、射頻識別芯片 CC2530、MSP430 F149 單片機、步進電機，以及上位機系統(tǒng)軟件等部分。
系統(tǒng)可以實時檢測土壤水分，檢測數(shù)據(jù)由傳感器采集并通過 GPRS 作為通信渠道發(fā)送，采用 SPS 控制傳感器的采樣時間，每 1. 7s 發(fā)送 1 次傳感器數(shù)據(jù)信息。在一個設定的時間斷內(nèi)，傳感器可自動繪制土壤水分曲線，土壤水分低于閾值下限時，控制終端發(fā)送指令，單片機接到指令，通過 I/O 口控制電磁閥開關開啟步進電機； 高于閾值上限時，及時關閉電機，所用數(shù)據(jù)信息和指令通過無線技術 ZigBee 進行傳輸。
2 硬件實現(xiàn)方案。
2. 1 處理器的選擇。
單片機具有高集成度、高可靠性、低功耗、控制能力強、擴展能力好、體積小巧、高性價比和使用便利等優(yōu)點，在儀器儀表、專用設備智能化管理及過程控制等領域得到廣泛應用，有效地控制了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了經(jīng)濟效益。
TI 公司設計的 MSP430F149 因其極低的空閑功耗而聞名，是一個 16 位的、結(jié)合了指令和數(shù)據(jù)總線的馮諾依曼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。MSP430F149 具有 60kB 的非易失性存儲器，系統(tǒng)內(nèi)可編程，還具備一個 2 kB 的內(nèi)部SRAM.該處理器可以在 1. 8 ~ 3. 6V 之間進行操作，并且可以被鎖定在 1. 8V、8MHz 兆赫和 3. 6V、高達4 . 15 MHz 的范圍之間。 本系統(tǒng)中，處理器電壓為1. 8V,于 32. 76kHz 時鎖定，每個樣品的平均周期數(shù)為988,意味著處理器每秒 197. 600 次活躍； 功率測量顯示共 耗 電 204μW,功 率 測 量 值 只 有 32. 768kHz.MSP430F149 具有通信高速、開發(fā)環(huán)境方便高效、較寬的運行溫度范圍及較強的抗干擾力，工作穩(wěn)定，時鐘系統(tǒng)靈活，具有可串行在線編程、喚醒時間較短及中斷 功 能 強 大 等 優(yōu) 勢。 本 設 計 以 TI 公 司 的MSP430F149 作為微處理器。
2. 2 傳感器的選擇。
在選擇傳感器時，需要考慮使用環(huán)境對傳感器的影響，所選用傳感器不應受到土壤的腐蝕，且受土質(zhì)影響應較小，對土壤土壤含水率的應具有較高的分辨率，確保傳感器能在一個較長的時間段內(nèi)穩(wěn)定、準確地感知土壤的含水率。
綜合考慮多方面因素，如傳感器的性價比、穩(wěn)定性、可靠性、能耗及使用維修的便利性等指標，選用邯鄲市邯山瑞華電子有限公司生產(chǎn)的 RHD - 100 土壤水分傳感器為本智能控制系統(tǒng)的終端檢測端。該檢測終端以 CMOS 芯片為核心，可以監(jiān)測并傳輸數(shù)據(jù)信息，且具有簡潔合理的結(jié)構(gòu)，小巧的體積，運輸、安裝、操作及后期維護的便利等優(yōu)勢。其檢測頭以不繡鋼材料制成，使用壽命較長，并進行了環(huán)氧樹脂封裝，可以有效隔絕外部異物侵襲，防止干擾破壞，埋入土壤中使用時不易受收到土壤中各種成分的侵蝕； 受土質(zhì)得影響較小，可以在較廣范圍的地區(qū)運用。
2. 3 太陽能供電模塊設計。
因為系統(tǒng)的監(jiān)測區(qū)域為農(nóng)田，一般沒有設置電線電纜，無法使用外接電源實現(xiàn)能源供給，需要自備電源。為避免頻繁更換電池帶來的系列問題，特選用太陽能電池為供能單元，為每個傳感器配備一個獨立的太陽能供電模塊，主要包括： 1 個 12 V、12 Ah 充電電池； 1 塊太陽能電池板，輸出功率為 15W; 1 個調(diào)壓器，壓力范圍為 3. 3 ~12 V.
運行試驗表明： 太陽能電池模塊可以滿足田間傳感器的供能要求。
2. 4 CC2530 射頻收發(fā)模塊。
CC2530 為內(nèi)部集成的無線通信模塊，其內(nèi)核符合 RF4CE/Zigbee 1. 8V 協(xié)議，可進行 CRC 硬件校驗；結(jié)合了具有優(yōu)良收發(fā)性能的 RF 收發(fā)器和增強型8051MCU,可編程 4 種不同的閃存版本，包括 CC2530F32 /128 /64 /256,分別具有 32 /128 /64 /256KB 的閃存。其壓控振蕩器完全集成，也集成了其它很多功能模塊，靈敏度極高、抗干擾性能佳，提供了完整而強大的 ZigBee 方案、ZigBee RF4CE 遠程控制方案。使用該收發(fā)模塊，只需極少的外接元件（ 如天線） 、晶振等少量的外圍電路元件，就能在 2. 4GHZ 的頻段上工作。CC2530 內(nèi)部使用 1. 8V 工作電壓，并且能夠把外界提供的電壓（ 3. 3V） 轉(zhuǎn)化為內(nèi)部使用電壓。本設計以產(chǎn)自 TI 公司的 CC2530 射頻收發(fā)模塊作為射頻收發(fā)模塊的主芯片。
2. 5 GPRS 通信模塊設計。
與 GSM 相比較，GPRS 的用戶接入時間更短、可靠性更高、通信速度更快，能夠支持 TCP /IP 協(xié)議[2].GPRS 模塊通過串口與 ZigBee 灌溉系統(tǒng)主控制網(wǎng)關連接，ZigBee 節(jié)點在反饋土壤水分信息時，首先將信號通過 ZigBeb 網(wǎng)絡發(fā)送給主控制網(wǎng)關，然后由控制器網(wǎng)關通過 GPRS 模塊，將信號發(fā)送到用戶端； 用戶端可以根據(jù)具體的作物品種設定終端節(jié)點水位閾值上、下限，控制終端節(jié)點步進電機的開啟與關閉，實現(xiàn)自動灌溉。
3 系統(tǒng)軟件設計。
IEEE802. 15. 4,俗稱 ZigBee,是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率及低成本的雙向無線通訊技術[3].ZigBee 協(xié)議棧是基于 IEEE 802. 15. 4 之上的協(xié)議棧，其網(wǎng)絡層功能包括多跳路由，以及路由發(fā)現(xiàn)和維護、安全和連接/離開網(wǎng)絡，網(wǎng)絡層負責向新加入的設備分配 16 位地址。
ZigBee 技術是一個特別為短距離無線通信及低功耗設計的媒體訪問控制（ MAC） 和物理層的標準規(guī)范，因此當遇到傳感器網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)監(jiān)測、指令傳輸觸發(fā)此類工作時，ZigBee 成為不二之選。
本設計選用了 CC2530 支持的免費 ZigBee 協(xié)議棧，在 ZigBee 網(wǎng)絡建立之后，用戶通過 ZigBee 協(xié)調(diào)節(jié)點、GPRS 通信網(wǎng)絡，管理 ZigBee 終端節(jié)點，設定不同作物土壤含水量的閾值上下限范圍。當傳感器檢測到土壤水分值低于閾值下限值時，通過單片機 I/O 口開啟步進電機，自動啟動灌溉動作； 當傳感器監(jiān)測并發(fā)送的`土壤水分值高于閾值上限時，系統(tǒng)自動啟動，傳輸指令，通過單片機關閉步進電機，中止灌溉動作。由此，實現(xiàn)土壤水分的自動監(jiān)測和智能灌溉控制。
計算機端程序采用 Java 語言編寫，可實現(xiàn)軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理，包括傳輸、存儲、顯示及指令的執(zhí)行等功能。
4 系統(tǒng)測試試驗及結(jié)果分析。
為驗證系統(tǒng)設計的合理性，檢測制作的實驗樣機是否符合設計要求，工作能否穩(wěn)定、連續(xù)和可靠，對制作完成的自動灌溉控制系統(tǒng)試驗設備進行了測試。
4. 1 水稻田土壤含水量檢測控制試驗。
將本系統(tǒng)試樣樣機運用于水稻田，設置土壤含水量閾值為 30% ~ 60% ,監(jiān)測并控制土壤水分，得到的土壤水分變化圖如圖 1 所示。
由于濕度傳感器具有延遲特性，濕度的變化并不是呈線性地增長或降低，具有一定的滯后性。
4. 2 棉花地土壤含水量檢測控制試驗。
將本系統(tǒng)運用于棉花田，設置土壤含水量閾值為20% ~ 35% ,監(jiān)測并控制土壤水分，土壤水分變化圖如圖 2 所示。
試驗表明： 系統(tǒng)工作狀態(tài)良好、運行穩(wěn)定，可適應不同土壤環(huán)境的水分控制，能隨著土壤濕度的變化而動作，達到了將土壤濕度自動控制在設定范圍內(nèi)的目的。
5 結(jié)論。
在我國當前的農(nóng)業(yè)大環(huán)境下，無線傳感器網(wǎng)絡技術在土壤水分監(jiān)測和控制中的應用還處于初級階段，實際推廣運用范圍偏小，與國外發(fā)達國家相比，技術相對落后[4].因此，在物聯(lián)網(wǎng)實際運用的設計中，需要根據(jù)國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的實際情況，充分考慮實用性和可推廣性。
本文設計了基于 RHD - 100 土壤水分傳感器、射頻芯片 CC2530、MSP430 F149 單片機、步進電機、及上位機軟件系統(tǒng)的土壤含水率監(jiān)測及灌溉控制系統(tǒng)。試驗表明： 系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，可有效地檢測土壤水分并通過控制步進電機動作實現(xiàn)自動灌溉，將土壤水分控制端設定范圍內(nèi)，具備一定的準確性和廣泛的適應性。
參考文獻：
[1] 邢志卿，付興，房駿，等。 物聯(lián)網(wǎng)技術在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用研究[J]. 農(nóng)業(yè)技術與裝備，2010（ 8） : 16 -17,20.
[2] 趙養(yǎng)社。 基于無線傳感器網(wǎng)絡和 GPRS 網(wǎng)的灌溉系統(tǒng)研究[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學，2011（ 7） : 4203 -4206.
[3] 趙榮陽，王斌，姜重然。 基于 ZigBee 的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)研究[J]. 農(nóng)機化研究，2016,38（ 6） : 244 -248.
[4] 許世衛(wèi)。 我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及對策[J]. 中國科學院院刊，2013,38（ 6） : 686 -692.
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