远程监控葡萄园土壤墒情的物联网体系结构研究

2014-09-24康立军吴丽丽郭继富

湖南农业科学 2014年3期

康立军，吴丽丽，郭继富

（1.甘肃农业大学信息科学技术学院，甘肃兰州 730070；2.甘肃农业大学资源与环境学院，甘肃兰州 730070）

酿酒葡萄作为甘肃省河西地区主要经济作物之一，2011年种植总面积已达9 300 hm2，年产量达12万 t，已形成武威、张掖和嘉峪关3大产区。目前，该地区葡萄园灌溉方式以人工漫灌为主，技术较为落后，水资源浪费严重。近年来，虽然有部分葡萄园开始采取滴灌措施，推广节水灌溉技术，但是由于缺乏有效的土壤墒情监测与分析系统，灌溉程度仍然依靠经验确定，常常出现灌溉不及时或过量灌溉的问题。因此，迫切需要一种合适的土壤墒情监测分析技术，及时判断葡萄园土壤是否缺水，从而进行适时适量的灌溉，以满足葡萄植株对水份的生理需求，确保葡萄的产量和品质。物联网的出现，为葡萄园土壤墒情信息的采集、数据传输、灌溉决策、实时控制提供了一个崭新的思路。

物联网是通过射频识别、红外感应、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把物品与互联网连接，进行信息交换和通信，以实现对物品的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络[1-4]。近年来，国内学者在墒情监控方面利用无线传感监测技术、远程通信与控制技术做了大量研究，例如：吴秋明等 [5]开发的以物联网为基础的干旱地区智能化微灌系统、胡培金等[6]开发的以zigbee 无线网络为基础的土壤墒情监控系统、樊志平等[7]设计的柑橘园土壤墒情远程监控系统、孙忠富等[8]实施的以GPRS和WEB为基础的温室环境信息采集系统、靳广超等[9]设计的以ZigBee为基础的土壤墒情监测系统，陈天华等[10]设计的以ARM和GPRS为基础的远程土壤墒情监测预报系统等。这些系统在一定程度上具备了物联网模式的雏形，但系统的结构不够明晰、集成化程度不高，难以推广应用。

以葡萄园为对象，针对土壤墒情监控的物联网体系结构、数据传输模式、决策支持、自动控制等方面，设计开发了一套物联网葡萄园土壤墒情实时监控系统。该系统传感节点通过ZigBee无线通信技术组成星型网络，实现了土壤墒情的不间断实时监测。同时，借助GSM和Internet网络实现了数据的远程传输和灌溉控制，并开发了土壤墒情监控与决策支持软件系统，为该系统的推广应用提供了基础。

1 葡萄园土壤墒情实时监控系统的总体设计

1.1 系统结构设计

依据物联网体系结构[11-14]，将葡萄园土壤墒情实时监控系统分为感知层、数据传输层、数据处理层和用户层4级结构。各层之间功能相互独立，层与层之间通过软件接口传输数据。其中，感知层负责土壤墒情信息的采集及灌溉控制，由传感节点和灌溉控制柜组成；传输层负责各类数据的传输，由田间ZigBee网络、GSM模块和Internet组成；数据处理层负责数据的存储、统计、分析、图形化显示等，并根据土壤墒情信息进行决策和自动控制，由数据库和后台数据处理软件组成；用户层为各类管理人员，如网络用户和手机用户，通过传输层访问系统。系统结构如图1所示。感知层与传输层之间采用ZigBee技术通信；传输层与数据处理层之间采用SMS通信；用户层与数据处理层之间通过Internet或SMS通信。

1.2 感知层设计

1.2.1 灌溉控制柜设计一般条件下，灌区管理人员水平普遍偏低，使用现代化电子控制设备的能力不足。因此，自行设计了专门的灌溉控制柜，其只有启动和停止两个控制键，操作十分简单，可对8个灌溉分区进行灌溉控制。同时，控制柜具备人工控制和自动控制两种工作模式。自动模式下，操作人员可通过软件系统或移动设备远程启动或停止。该控制柜主要由单片机、GSM模块、PLC、液晶触摸屏等组成，外接电磁阀、排沙装置、肥料控制装置、流量计等，系统结构如图2所示。其中，单片机选用STC12C5A60S2，GSM模块选用杭州威步科技有限公司的NewMsg-RFC30H通讯模块；单片机与GSM模块集成到一块电路板上，形成一个远程控制单元（Remote Control Unit，RCU），实现远程控制功能；PLC采用西门子PLC-CPU224模块。

图1 葡萄园土壤墒情实时监控系统的结构Fig.1 Structure of real-time monitoring system for soil moisture in vineyard

1.2.2 无线传感节点设计无线传感节点是整个系统运行的基础，由土壤湿度传感器、ZigBee无线通信模块、单片机和电源模块4部分组成。该设计中土壤湿度传感器采用TDR-3传感器，其稳定时间为1 s，测量范围在0%～100%，精度在0%～50%时误差为±2%；ZigBee通信模块采用上海顺舟电子科技公司的SZ02-200模块，其发射功率为3 dbm，传输距离最大可达200 m；单片机的型号与控制柜的相同。单片机与ZigBee模块之间通过TTL接口连接。系统结构如图3所示。

图3 传感节点的结构Fig.3 Structure of wireless sensor node

1.3 传输层设计

考虑到田间布线、远距离通讯和用户数据访问等问题，传输层综合了多种传输技术，主要由田间ZigBee无线网络、GSM模块和通信网关等组成。ZigBee技术是一种新兴的低能耗、低速率和低成本的无线通信技术，主要用于近距离无线通信；而GSM模块则用以实现远距离通信，设计中采用SMS（short messaging service）收发数据；通信网关负责将ZigBee网络和GSM网络连接起来，从而实现两种不同网络之间的通信。

该系统自行设计的通信网关由单片机、ZigBee模块、GSM模块、供电部分4部分组成，系统结构如图4所示。该系统有单点控制和整体控制两种工作模式，依靠单片机软件控制实现。单点控制是指网关可以向单个无线节点发送控制指令，采集土壤墒情信息；整体控制是指网关一次向全部下接无线节点发送控制指令，并延时等待所有节点上传数据，若收到所有节点数据，则向上位机传输数据；若在一定时间间隔内有节点没有返回数据，则认为该节点数据采集失败，将再次发送指令，直至收到所有数据。ZigBee模块的型号与传感节点的相同；GSM模块、单片机的型号与控制柜的相同。

1.4 数据处理层设计

图4 通信网关的结构Fig.4 Structure of communication gateway

数据处理层主要完成数据的组织与管理、编码、解码等工作，该结构的易用性、稳定性和可维护性对该系统的推广应用至关重要。B/S架构软件在分布性、可维护性及部署方面有较大优势，是今后软件运行的主要方式，但其无法实时响应数据的变化[15]。因此，开发了专门的后台服务程序，主要完成对数据的实时采集、数据入库以及根据土壤墒情信息进行实时决策等；B/S架构软件主要完成对系统基本信息的管理、数据统计分析、图形化显示等功能。同时，由于用户需要通过B/S软件发送控制指令，所以该软件与后台服务程序之间需要通信，此处采用UDP协议，利用socket完成数据交换[16]。在B/S构架软件中设计了系统管理、设备管理、土壤墒情监测、灌溉控制、知识库管理等功能。其中，系统管理用于设置系统参数、水分传感器所用校正公式、系统工作模式设定、数据导入导出等；设备管理用于管理传感器型号、公式、埋深、所属节点等信息；土壤墒情监测用于土壤墒情信息采集（包括定时自动采集和人工采集）、图形化监测等；灌溉控制用于管理灌区的划分、灌溉参数设置、灌溉控制、灌溉查询等；知识库用于管理葡萄的品种信息以及不同品种的生育期及其在不同生育期的需水参数等。系统在.net平台下开发完成，数据库采用MSSQL2000，系统结构如图5所示。

图5 B/S架构软件系统功能Fig.5 Function diagram of B/S architecture software

2 葡萄园土壤墒情实时监控系统的工作原理

该系统中，无线传感节点、通信网关、灌溉控制柜是整个系统运行的基础，而软件则是系统的核心，负责调控各部分之间的协同工作。当操作人员通过Web页面发送土壤墒情采集指令时，指令先传送至守护程序，再由守护程序写入到GSM模块，GSM模块以SMS方式将指令发送到通信网关，最后通信网关再将指令发送到下联的土壤墒情采集器。接收数据时，执行相反的流程。

灌溉控制方式分为人工控制和自动控制两种工作模式。在人工控制模式下，灌溉控制柜的启动或停止，由操作人员手动或通过软件系统发送启停指令，而土壤墒情信息的采集可以即时采集，也可以定时采集；在自动控制模式下，土壤墒情信息采集方式必须为定时自动采集，当土壤墒情信息低于预设下限时，即刻进行灌溉。灌水方式为定量灌溉，即灌水量固定的工作模式，管理员需要首先确定灌水定额，而后系统根据灌溉面积计算灌水量。系统自动控制原理如图6所示。

图6 葡萄园土壤墒情实时监控系统自动控制的原理示意图Fig.6 Principle schematic of automatic control for real-time monitoring system for soil moisture in vineyard

3 葡萄园土壤墒情实时监控系统的测试

3.1 测试环境

试验在甘肃农业大学校内葡萄园进行，该园区面积共6 600 m2，平均分为5个灌区，灌溉方式为滴管。在泵房安装了1个灌溉控制柜、1个通信网关，软件系统部署在校园网服务器上，通过Internet访问。

3.2 网络测试

网络测试分为单点测试和组网测试两种方式。单点测试时采用一个无线节点，组网测试时采用4个无线传感节点，并启动网关和上位机通信模块。无线节点与网关的距离从40 m开始，依次增加20 m，直至二者相距200 m。多次测试的结果表明，上位机从发送指令到收到返回数据平均需要14 s，这主要是由于SMS的收发需要经过运营商，加之上位机短信模块为串口接入，而串口读写速度较慢造成的。因此，为确保系统通信质量，测试中，上位机发送指令时间间隔设定为20 s，记录2 h（上位机共发送360条指令）内上位机接收数据包的数量，测试结果如表1所示。

从表1中看出，单点测试时，当传感节点与通信网关距离在120 m以内时，数据包发送成功率为100%，说明GSM模块和ZigBee模块两者工作性能稳定、可靠；当距离超过120 m时，随着传感节点与网关距离的增大，成功率逐渐下降，说明ZigBee无线信号受距离影响明显。组网测试时，当距离在120 m内时，成功率在99%以上；距离超过120 m时，成功率基本与单点测试步调一致，说明网关压力增大会造成丢包，与通信距离无关。

表1 葡萄园土壤墒情实时监控系统收发包情况统计Table 1 Statistics of delivering packets of real-time monitoring system for soil moisture in vineyard

3.3 自动控制测试

测试时，在葡萄园内采用“矩形四点”方案[5]安装了4个土壤墒情采集器，编号分别为0001（图7A）、0002（图7B）、0003（图7C）、0004（图7D）；0001～0004分别与通信网关距离54、64、90和82 m。每个土壤墒情采集器挂接了3个土壤水分传感器。由于葡萄根系主要分布在20～60 cm深的土层中[17]，因此3个土壤水分传感器的埋深分别为20、40和60 cm。每天采集1次信息。以4个节点20 cm处传感器的平均值作为灌水控制阀值[18]。试验中灌水阀值设定为15%[19]，即土壤体积含水率低于15%时即刻灌水，灌水方式为定量灌溉。

图7 自动控制测试结果Fig.7 Test result of automatic control

从2012年3～4月运行效果来看（图7），3月29日和4月19日，20 cm处土壤的平均含水率分别为14.825%和14.985%，低于设定阀值，系统自动进行了灌溉，土壤含水率显著提高，其后土壤含水率逐渐下降。试验结果表明，传感节点、通信网关、灌溉控制柜、软件系统4者之间能够协同工作，葡萄园内的土壤含水率一直维持在一个范围之内，保证了葡萄正常生长的需要。

4 结论

目前，国内物联网技术在农业领域的应用研究尚处于起步阶段，相关技术还不够成熟稳定，但其有良好的系统结构，容易扩充和实现，因此在各个领域具有广泛的应用前景。

该设计将现有物联网硬件产品进行二次开发和组装，设计了针对葡萄园的物联网体系结构、数据传输和数据智能处理等模块，形成了一套完备的葡萄园土壤墒情实时监控系统，并成功投入使用。测试结果表明：该系统安装方便、运行稳定可靠、实时性强；可实现系统的分散部署、集中管理与控制，为今后物联网技术在农业中的开发应用提供了参考。

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