基于物联网的节水灌溉自控系统研究

屈晓渊，张 峰

（榆林学院 信息工程学院，陕西 榆林 719000）

物联网作为新兴的物品信息网络，对于物质种类最多的农业，通过物联网将鲜活农产品的生长状态、环境变化反应、储藏保鲜、流通质量安全与设备、机器、人的主动行为紧密结合，将对农业经济产生重要的影响[1]。

随着物联网的发展，其技术也被广泛应用到农业生产的各个环节中，节水灌溉涉及工程、农业、生物、自动化、通信等多方面技术。无线传感器网络自动灌溉系统利用传感器感应土壤的水分，并在设定条件下与接收器通信，控制灌溉系统的阀门打开、关闭，从而达到自动节水灌溉的目的。由于传感器网络具有多跳路由、信息互递、自组网络及网络通信时间同步等特点，使灌区面积、节点数量可以不受限制，因此可以灵活增减轮灌组。加上节点具有土壤、植物、气象等测量采集装置，利用通信网关的Internet功能与GPS技术结合，形成灌区动态管理信息采集分析技术，配合作物需水信息采集与精量控制灌溉技术、专家系统技术等，可构建高效、低能耗、低投入、多功能的农业节水灌溉平台。用户还可在温室、庭院花园绿地、高速公路中央隔离带、农田井用灌溉区等区域，实现农业与生态节水技术的定量化、规范化、模式化、集成化，促进节水农业的快速和健康发展[2]。

1 相关技术及研究现状

在物联网相关技术方面，国内目前在无线传感器网络的软件方面也取得了相应的突破，在基于国外的操作系统之上，开发自己的中间件软件。如南京邮电大学无线传感器网络研究中心开发的基于移动代理的无线传感器网络中间件平台，深联科技开发的无线传感器网络开发套件。国内研究机构在理论研究方面，如对无线传感器网络网络协议、算法、体系结构等方面，提出了许多具有创新性的想法与理论。在这方面，国内的南京邮电大学、清华大学、北京邮电大学等都取得了一些相关的理论研究成果。

在国外，美国很多大学在无线传感器网络方面开展了大量工作。如加州大学洛杉矶分校的CENS（Center for Embedded Networked Sensing）实验室、WINS（Wireless Integrated Network Sensors）实验室和IRL（Internet Research Lab）等。

笔者借鉴国内外节水灌溉自控系统的相关研究，通过研究基于物联网的节水灌溉自控系统处理方案，对原有的基于Web节水灌溉自控系统处理方案进行了一定的改进，并在实际项目中应用，取得了良好的效果。

2 基于物联网的节水灌溉自控系统设计

2.1 无线传感器网络

无线传感器网络技术应用到该节水系统中，其核心技术是应用ZigBee自组网技术。ZigBee是一种低庞杂度、低功耗、低数据率、低本钱、高牢靠信度、大网络容量的双向无线通讯技术[3]。由使用层、网络层、介质接人控制层和物理层组成。基于ZigBee无线传感器网络系统解决了有线传输带来成本过高、布线复杂、维护麻烦、灵活性和扩展性差等一系列问题，既节省了人力资源，又方便了信息的管理，已广泛应用于钢铁炼钢温度监控，蔬菜大棚温度、湿度和土壤酸碱度监控，煤气抄表等领域，它为该系统的实现提供了较好的解决方案。

2.2 系统架构设计

该系统以单片机为控制中心，由无线传感节点（RFD）、无线路由节点（FFD）、无线网关（FFD）、监控中心4大局部组成，议决ZigBee自组网，监控中心、无线网关之间议决GPRS举行墒情及控制信息的传递。每个传感节点议决温湿度传感器，自动采集墒情信息，并结合预设的湿度上下限举行剖析，判别能不能须要灌溉及什么时辰中止。每个节点议决太阳能电池供电，电池电压被随时监控，一旦电压过低，节点会发出电压过低的报警信号，发送成功后，节点进入睡眠形态直到电量充足。其中无线网关衔接ZigBee无线网络与GPRS网络，是基于无线传感器网络的节水灌溉控制系统的中心局部，担任无线传感器节点的维护。传感器节点与路由节点自主构成一个多跳的网络。温湿度传感器散布于监测区域内，将采集到的数据发送给就近的无线路由节点，路由节点依据路由算法挑选最好路由，树立相应的路由列表，其中列表中包含本身的信息和邻居网关的信息。议决网关把数据传给远程监控中心，便于用户远程监控维护。

基于物联网的蔬节水灌溉自控系统结构如图1所示。

2.3 系统硬件设计

系统传感器节点主要实现壤含水量的监，EC（电导率）值和pH值的监测，电磁阀状态的监测，电磁阀状态的控制，各种监测和控制信号的通讯传输和低电压报警。每个控制单元控制着 1～6路电磁阀。通过传感器采集来的多路数据，经过A/D转换，信号处理，在微处理器中，根据不同植被需求，确定灌溉量，然后控制信号输出，结合中央管理计算机的指令，控制电磁阀的开关，即可以实现自动灌溉。土壤湿度传感器用来测量土壤的湿度，以了解土壤的真实灌溉情况，据此确定灌溉与否和时间长短；配有EC（电导率）值和pH值传感器，可对进出水进行EC值和pH值的检测，以便控制自动营养液的配给。其主要工作原理框图如图2所示。

图1 节水灌溉系统结构图Fig.1 Water-saving irrigation system structure

图2 传感器硬件控制结构Fig.2 Sensor nodes hardware control structure

2.4 系统软件设计

该系统运用Internet环境，采用B/S模式进行开发。系统服务器端操作系统选用Linux，主要技术为Java EE和使用Java语言编程，数据库系统选用Oracle11g。实时数据库是整个系统数据处理的核心。以实时数据库为中介环节，实现了现场数据状况以动画的形式反映在屏幕上，使得操作人员在计算机前发布的指令能迅速地到达现场。软件的结构如图3所示。

图3 系统软件结构Fig.3 Softwere structure of system

3 基于物联网的节水灌溉自控系统实现

3.1 传感器数据处理中间件的设计

数据采集与控制功能，可以通过硬件驱动程序与设备通信，完成数据采集和控制任务，传感器中间件的功能模块应该包含如下几个功能模块:Reader接口模块、逻辑驱动器映射模块、传感器数据过滤模块、业务规则过滤模块、设备管理与配置模块、上层服务接口模块[4]。其中，Reader接口用于中间件与传感器读写器的数据通信，主要有获取传感器数据以及下达设备管理模块的读写器指令。设备管理配置模块用于调整传感器读写设备的工作状态，配置相应的Reader接口参数等，逻辑读写器映射模块用于将多个物理读写器或者读写器的多条天线映射成为一个逻辑读写器。

控制程序和参数设置由传感器数据处理中间件所提供的编程语言在脚本程序中编写。系统运行时的控制程序的流程图，如图4所示。首先由传感器采集数据反馈给系统，系统根据预先设定的报警限值决定是否控制调节阀放水，使农田的土壤湿度达到目标值。

图4 系统控制处理流程图Fig.4 Flow chart of control procedure

3.2 传感器网络路由算法研究

路由协议解决的是数据传输问题，它是无线传感器网络的核心技术之一，是保证网络性能的关键技术。由于无线传感器网络节点能力的限制，传统的IP网络的路由协议一般不能适用于无线传感器网络[5]。传统的无线通信网络研究的重点放在无线通信的服务质量（Qos）上[6]，而WSN由于节点能量有限，带宽资源也有限，其路由协议的研究重点放在如何提高能量效率和维持负载均衡上。为了满足无线传感器网络独特的需求，MIT的Heinzelman等人开发了低能量自适应分簇路由协议LEACH[7]，LEACH是第一个基于多簇结构的集群路由协议，与传统协议相比，它能较好节省能量。LEACH的成簇方法贯穿于其后提出的很多层次路由协议中，后来很多分簇路由协议（如TEEN，PEGASIS）都是在其基础上发展而来，对它的研究成果也可适用于其它很多路由协议中。因此本文就主要对LEACH协议进行研究讨论。

由于无线传感器网络中路由设计首要考虑的是能量问题，所以有必要研究信道能量损耗模型。不同的通信特征，就会有不同的能量消耗模型。

信道能量模型有自由空间传播模型和多路衰减模型。如果接收节点与发送节点之间的距离小于某个临界值d0，则使用自由空间模型；否则，使用多路衰减模型。临界值定义如下：

其中，α是路径损耗指数，hr是接收天线高度，ht是发送天线高度，λ是信号波长。当发送节点传输k bit数据到与之距离为d的接收节点时，由下面的公式计算发射节点能耗。

信号强度的损耗与传输距离的远近有关。当传输距离相对较近时，采用自由空间传播模型，路径损耗指数为2，当传输距离相对较远时，采用多路衰减模型，路径损耗指数为4。其中，ETx-elex（k）是发射k bit数据时发射电路的能量消耗，ETx-amp（k，d）是发射k bit数据且传输距离为d时功率放大器的能量消耗。Eelec为每bit数据在发射电路或接收电路中所消耗的能量。常数εfs和εmp与所采用的传输信道模型有关，采用自由空间传输时用εfs，采用多路径衰落传输时用εmp。

3.3 算法仿真与结果分析

为了验证改进的路由协议的性能，用计算机对算法做出了仿真。仿真采用的网络模型为：

1）假设网络中共有200个传感器节点，每个节点的初始能量设为0.20 J。

2）采用自由空间传播模型。

3）网络为60 m×40 m的正方形区域，基站位于整个网络区域的中心。

4）假设网络中节点的位置信息是已知的。

信道能量损耗模型参数如表1所示，网络能量的消耗情况如图5所示，横坐标表示网络工作的轮数，纵坐标表示当前轮网络运行总共能耗的能量，单位为焦耳。用户端数据显示界面如图5所示。

表1 信道能量损耗模型参数Tab.1 Energy loss channel model parameters

图5 能量消耗网络算法的传感器网络Fig.5 Energy consumption of sensor network algorithms network

4 结 论

笔者所提出的基于物联网的节水灌溉自控系统，它具有高度自动化的特点。目前基于该方案开发的节水灌溉自控系统已经在国内某蔬菜企业安装使用，今后将根据用户的反馈继续完善。

[1]ZigBee Alliance.ZigBee specification:ZigBee document 053474r06 Version 1.0[S].2004.

[2]Sarma S， Brock D，Ashton K.The networked physical world[EB/OL].（2000-10-01）.http://www.emory.edu//BUSINESS/dra/Networked Physical world.pdf.

[3]Warneke B，Last M，Liebowitz B， et al.Smart dust:communicating with a cubic-millimeter computer[J].IEEE Computer Magazine，2001，34（1）:44-51.

[4]Akyildig I F.A survey on sensor networks[J].IEEE Communications Magazine，2002（8）:725-734.

[5]Meguerdichian S， Koushanfar F， Potkonjak M，et al.Coverage problems in wireless ad-hoc sensor networks[C]//In:Proc.of the IEEE Infocom，2001（3）:1380-1387.

[6]Hightower J，Boriello G.Location systems for ubiquitous computing[J].Computer，2001，34（8）:57-66.

[7]Catovic A，Sahinoglu Z.The cramer-rao bounds of hybrid TOA/RSS and TDOA/RSS location estimation schemes[J].IEEE Communication，Letter，2004，8（10）:626-628.