基于WSN和GSM的智能灌溉控制系统设计与实现

陈 磊，许 燕,2，李建军，魏正英,2，周建平,2

(1.新疆大学 机械工程学院,乌鲁木齐 830047；2.西安交通大学 机械制造系统工程国家重点实验室,西安 710054)



基于WSN和GSM的智能灌溉控制系统设计与实现

陈 磊1，许 燕1,2，李建军1，魏正英1,2，周建平1,2

(1.新疆大学 机械工程学院,乌鲁木齐 830047；2.西安交通大学 机械制造系统工程国家重点实验室,西安 710054)

针对干旱区滴灌系统中智能灌溉和远程自动化的需求，基于无线传感器网络(WSN)和全球移动通信系统(GSM)，设计并研发了一套可自动控制现场设备的智能灌溉控制系统。系统中的WSN将低功耗的现场控制单元和数据采集单元与节能型路由协议结合，延长了WSN农田信息采集的生命周期；基于GSM中的SMS(Short Messaging Service)技术，将需求命令下发到上位机控制平台；系统通过处理灌溉区的相关环境数据并进行分析，进行一定的自学习及再学习，可实现对现场设备自动控制。在新疆喀什市麦盖提县规模化节水灌溉增效示范基地的应用试验结果表明：该系统能适应恶劣的自然环境，操作简易，具有较好的鲁棒性，可进行广泛的推广应用。

无线通信；智能灌溉；自学习；自动控制

0 引言

干旱区农田灌溉用水量对作物生长有着直接的影响，先进的农业灌溉系统能有效地提高农民的收入，对水资源的管理也起到很大的作用[1]。大范围、实时、连续高效地获取农情信息是自动化农业发展中需要解决的重要问题。传统的数据获取在很大程度上依赖于密集的农业机械作业和人力劳动，成本高、效率低下，且所获数据在覆盖范围和实时性等方面无法满足自动化农业的需求[2]。在一些发达国家，如以色列、美国、加拿大等，自动化控制技术发展比较成熟，已开发了智能化程度和控制精度较高的智能灌溉系统，而且得到了广泛的应用。我国从20世纪70代首次将摇杆技术引进到农业灌溉中，相比发达国家的自动化农业，起步晚，自动化程度不高。国内的一些研究所和高校也开发了针对智能灌溉的控制系统，但大都停留在实验研究和示范阶段[3-4]。

本文考虑到西北地区当前农田无光纤宽带覆盖的灌溉现状，介绍了自主开发的基于无线传感器网络与全球移动通信系统的自动灌溉控制系统(以下简称系统)。该系统可根据采集到的农田信息实现自动化灌溉,也可通过手机下发命令需求进行定时、定量灌溉，有效地降低了水资源的浪费，解决了经济不发达地区远程灌溉的难题。

1 系统总体设计

1.1 系统结构设计

本系统由信息采集平台、下位机控制平台、无线通讯平台及上位机控制平台构成，如图1所示。

本系统将地块划分5个区域，每个灌溉区均布置有一个小型气象站，12个土壤温度、湿度传感器，24个电磁阀。

下位机通过建立的小型局域网来采集所需灌溉信息，并通过节能型路由协议将数据发送至协调器；协调器将融合的数据打包后通过170MHz的无线数据传输模块上传至服务器控制平台；控制平台将此数据进行分解、处理、分析后通过智能灌溉模块将测得的空气温湿度，光照强度、土壤温湿度及空气风速信息，预测出何时需要灌溉；并对泵房内的设备进行自动控制，同时对布置在农田中的电磁阀进行关闭/打开；控制平台推理计算得到的控制决议，通过TC35i模块以短信的形式发送到固定的用户手机上，用户可发送中英文短信下发控制命令对现场的设备实现远程控制。

1.2 系统技术方案

系统在每块区域中放置一个小型气象站(见图2)，土壤温湿度传感器，能够实时采集该地块的空气温湿度、空气风速、降雨量及土壤温湿度。每块区域中均安装具有独立编号的电磁阀，用来开启或关闭各控制区域的水路。各传感器均与下位机MSP430F5222单片机连接，并通过ZigBee通讯模块建立的节能型路由网络与协调器MSP430F5222单片机进行通信，协调器同时监测服务器控制平台的命令，控制各灌区水路的开启与关闭。服务器控制平台上安装有通过Delphi开发的上位机客户端控制软件及数据库；自行开发的装有SIM卡的首部运行控制器通过RS232接口与PC机相连接，该控制器中的TC35i无线数传模块可实现用户与现场设备的远程人机交互。

用户可通过GSM网络向控制器下发SMS格式的控制命令，控制泵房内的设备(水泵，施肥器等)；用户可通过整个无线网路对现场泵房内的设备状态信息进行查询，发布自动轮流灌溉命令，查询各地块电磁阀的状态信息，了解农田的气象、墒情信息。

图1 智能灌溉控制系统结构框图

图2 农田小型气象站安置图

2 农田信息采集、监控平台

对农田信息进行实时、准确、长时间的数据采集是灌溉系统实现智能决策、稳定控制的最重要的环节[5]。原有的信息采集系统受无线通讯模块工作过程中需足够电源及通信距离的限制，在一定程度上制约了检测的面积。笔者在此基础上研发了基于ZigBee模块、170MHz模块、GSM模块的节能型路由协议混合通讯系统。该通信方式解决了仅用GSM模块供电不足而不能正常工作，仅用433MHz/2.4GHz通信距离有限的问题。

2.1 农田信息采集系统设计

由于西北地区农作物多种植于乡村外围，大部分时间均无人值守，为了延长整个采集系统的生命周期，需采用低功耗、高处理能力的芯片。本系统采用德州仪器公司的MSP430F5222型混合信号处理器单片机，供电范围为1.8～3.6V，待机电流为1.4μA，休眠唤醒时间3.5μs，两个通用串行通信接口。

下位机信息采集平台定时采集空气温湿度、光照强度、土壤温湿度及空气风速信息，将田间的物理信号转换为模拟信号，利用ZigBee无线模块将各区域的下位机通过节能型路由协议发送采集信息至协调器。下位机农田信息采集系统如图3所示。

图3 系统下位机农田信息采集系统框图

2.2 节能型无线路由协议

农田信息无线网络多采用433MHz模块实现无线信息传输与控制，受信号绕射能力的限制，传输距离大约在1 200m左右。而基于GSM的数传模块在通信距离上解决了上述问题，但在发送信息和接收信息时会消耗很高的能量，高频率的与上位机进行通讯需要配充足的电源。具有较高绕射能力的170MHz模块传输距离可达3 500m左右，并且带有自休眠功能，相比于以上两种通信方式，在传输距离和功率消耗方面都有着很大的优势。

综合分析上述问题，本系统的信息采集平台采用ZigBee模块将信息上传至协调器；协调器通过170MHz模块与服务器控制平台实现远距离通讯；远程用户借助GSM可与无线控制网络建立通信。对于自动化灌溉系统，信息采集平台的网络生命周期越长，系统得到农田信息的采集量也就越多，灌溉决策也就越准确。

通过分析LEACH(Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy)(见图4)与PEGASIS(Power-Efficient Gathering in Sensor Information Systems)(见图5)路由协议的特点(本文在此不赘述)，将改进后的路由协议LEACH-PEGASIS(见图6)运用到信息采集平台中[6-7]。运用结果表明：改进后的路由协议延长了WSN的网络寿命。试验结果表明：信息采集平台在太阳能供电和充电电池供电的条件下，可在恶劣环境下正常工作3年以上。

图4 LEACH模型

图5 PEGASIS模型

原始LEACH中阈值T(n)计算过程：各节点到协调器距离是不定的，各节点的能量是不同的，需对T(n)的选取公式进行改进，簇头选举算法应当优先选取能量较高的点。改进后的计算方法为

(1)

其中，En_max为节点的初始能量，En_current为节点的当前能量；CH_Times为节点在以前回合中充当簇首节点的次数，Neighbor_num为节点的邻近节点数目。

WSN各模块能量在发送、接收数据，融合数据的过程中能量满足等式(2)～ 式(4)。数据发送消耗能量为

(2)

数据接收消耗能量为

ERx(k)=Eelec·k

(3)

数据融合消耗能量

EGx(k)=Egather·k

(4)

其中，d为传输距离；ETx(l,d)表示传感器节点发送k位数据通过距离d时的能耗，由发射电路耗损和功率放大耗损两部分；Eelec为发射电路的耗损能量；εfs和εmp分别表示两种信道模型下功率放大所需能量。

改进后的路由协议中每个节点自动根据所设定的限制规则修改通信路径,形成通信距离最短、通信延时最短、通信功率消耗最小的最佳通信链路。将测得的数据通过此协议上传至协调器，协调器将数据进行分解处理后与各区域所的土壤湿度阈值进行对比。当测得的土壤湿度低于阈值时，协调器向本区域的阀门控制器所管辖的干旱区发送开启命令；指令下发后，将信息采集系统及控制命令发送至服务器控制平台上供系统分析、推理。试验表明：改进后的路由协议LEACH-PEGASIS相比于点对点通信模式(P2P)、LEACH路由协议及PEGASIS路由协议具有更长的网络生命周期，对比结果如图7所示。

3 服务器控制平台设计

系统的服务器控制平台主要由工业控制机、指令执行器、无线数传模块、远程灌溉控制客户端、模糊灌溉推理机、数据库及施肥器组成。系统借助WSN将农田中采集到的数据上传至服务器控制平台，通过模糊灌溉系统对数据进行实时处理，分析并将处理后的数据保存在数据库中；处理得到的结果以指令的形式发送到指令执行器中，可实现对现场的设备进行控制；同时，通过无线数传模块以短信的形式发送至用户的手机上，供用户参考；用户也可发送短信息确定或取消本次灌溉。

图7 无线路由协议对比实验结果

3.1 短消息命令执行原理

GSM即全球移动通信系统，是当前应用最为广泛的移动电话标准。基于GSM的短信息发送与接收主要有3种模式：Text模式、Block模式及PDU模式。目前，常用Text和PDU模式进行短信息的发送与接收。Text模式收发短信息原理简单，程序实现起来比较容易，但显著的缺点是只能收发英文信息而不能收发中文信息，而PDU(Protocol Data Unit)支持中英文信息的发送。本系统即采用PDU模式，此模式使用7-bit编码来发送ASCII字符，8-bit编码来发送数据消息，UCS2编码来发送Unicode字符。PDU串主要由短信息正文，由SMSC(Short Message Service Center)服务中心、目标地址、时间标志、编码方式、目标地址等组成。

本系统采用西门子公司的TC35i数传模块以RS232接口与工业控制机实现通信。通信前需设置端口号、波特率、奇偶校验、数据位及停止位。该模块采用AT指令编程，通过AT指令可对模块进行初始化设置。具体指令如下：

1)AT.收到“OK”即表示模块正常通讯。

2)AT+CMGF=0.设置模块发送的短信为PDU模式。

3)AT+CSCA=+8613800998500.设置新疆喀什市为短信息服务中心。

4)AT+CMGS.向固定号码发送短信。

5)AT+CMGR=4.提取发送端的手机号、短信息状态，接收时间等。

3.1.1 短信息接收原理

当用户通过短消息控制现场水泵时，可编辑信息为“打开泵房水泵”，则数传模块接收到的PDU串为：

"0891683108908905F0240D916881478231597F00085

160309015341662535F0006CF56CF5623F6C346CF5"。

远程灌溉控制客户端中的程序需对PDU串进行分解处理，分解采用的原理描述如下：

08：SMSC的服务中心号码长度

91：SMSC的地址格式(选用国际号码格式号码前加“+”)

683108908925F0：SMSC的中心地址，奇偶交换，后补F(+8613800998500F)

24：SMS_DELIVER的第一个8位

0D：发送目标地址字符数

91：使用国际号码格式

6881478231597F：目标地址，号码为18742813957

00：TP-PID，协议标识

08：TP-DCS，用户数据编码方式

5160309015：TP-SCTS，短信时间信息

16：TP-UDL短信数据长度

62535F006CF5623F6C346CF5：短信内容，表示“打开泵房水泵”

3.1.2 短信息发送原理

当用户下发“打开泵房水泵”命令执行完成后，服务器控制平台需向用户反馈“泵房内水泵已打开”，发送的PDU串为：“0011000D91685137193403F5106CF5

623F51856C346CF55DF262535F00”。PDU串各数据位所代表的含义如下：

001100：中国通用短信头代码

0D：发送目标地址字符数

685137193403F5：目标地址，号码为15739143015

10：短信长度为16个字节

6CF5623F51856C346CF55DF262535F00：短信内容,表示“泵房内水泵已打开”

通过上述的分析，远程灌溉客户端将现场设备动作后的信息转换成PDU串发送至用户的手机上，用户接查看收到信息便可获悉农作物信息和各设备的状况。

3.1.3 命令执行协议

用户通过手机下达控制指令后，TC35i模块将接受到的短信息通过RS232传输至工业控制器的远程灌溉客户端，客户端通过AT指令将PDU串解析成短信正文部分和辅助信息部分[8]。短信的正文部分经过提取和判别，转变成具体的数据指令下发至泵房、施肥器、各协调器，可现实对现场设备的控制，短信指令的执行过程如图8所示。泵房内设备的执行器如图9所示。农田中WSN协调器如图10所示，

图8 短信指令的执行流程简图

图9 泵房命令执行器

图10 WSN协调器

3.2 智能灌溉控制系统设计

土壤水分的盈缺对作物生长有着直接的影响，对灌溉效果最直接的反映就是土壤湿度。对土壤湿度的调节不仅需考虑作物生长发育期，同时也受到温度、湿度、降雨量、蒸腾等多种环境条件的影响。因此，在研究大气连续体(SPAC)-植物-土壤的复杂关系的基础上，通过农田水量平衡原理预测作物的需水量及灌溉时间来进行科学灌溉。

本示范田共计91.8hm2，结合土壤墒情传感器布点算法在每个灌溉渠科学配置小型气象站及土壤温湿度测点，可实时监测空气温湿度、空气风速、光照辐射、雨量及土壤温湿度，可为系统提供科学有效的现场环境数据。由于本试验田属于西北干旱区，故采用联合国粮农组织(FAO)推荐的Penman-Monteith公式来计算作物蒸发量ET0值，并结合农田水量平衡方程预测农田的灌水量[9]。对农田进行科学有效的灌溉不仅能提高农作物的产量，也有效地避免水资源的浪费。对该地区的环境进行实时监测并保存至数据库，大量的环境数据与农业专家经验相结合可使智能灌溉系统在设定各灌区阈值时更加的精确，为农田精良灌溉提供数据依据。

系统在工作前需对相关参数进行设置，并加载相关参数。远程灌溉控制客户端每隔5min向各协调器下发环境数据监测命令，同时监测各电磁阀状态。当下发的监测命令反馈至客户端时，系统将上传各地块的数据进行分解、运算、处理，如有灌溉的需求，将以短信的形式发送给用户，告知用户农田的灌溉计划。同时，协调器及各终端具有自检功能，发送的信息中也包括各设备的健康状况，便于用户对协调器和终端的维护。用户也可将设定的灌溉计划发送至服务器控制平台，可进行定时、定量型的灌溉。智能灌溉控制系统的工作原理简图如图11所示。

4 结论

本系统将无线通信技术、微机控制、智能算法及数据库技术相结合，使得现场设备可实现自动监测、自动控制、自学习及再学习、智能灌溉等目标；同时，也可使用手机、PDA或PC机远程控制农田灌溉设备。智能化灌溉可根据作物需求进行科学灌溉，提高了作物出苗率，提高了作物产量。通过2015年使用本智能化灌溉系统的结果可知：本示范田种植棉花比传统灌溉单产提高10%，以0.8元/kg计算，水利分摊系统0.4，则智能化灌溉工程增效2 400元/hm2。同时,提高了农业用水的利用率，平均田间净灌溉定额69 000m3/hm2降低到4 500m3/hm2，节水2 400m3/hm2，泵房灌溉节电67.5元/hm2。智能化灌溉仅节水、节电、提高单产3项可增收2 620.5元/hm2。

图11 智能灌溉控制系统的工作原理简图

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Intelligent Irrigate Control System Design and Implementate Based on WSN and GSM

Chen Lei1, Xu Yan1,2, Li Jianjun1, Wei Zhengying1,2, Zhou Jianping1,2

For the requirements of intelligence irrigation and remote automation in the drip irrigation system of arid area,based on wireless sensor network (WSN) and global system for mobile communication (GSM), we have designed and developed a set of intelligence irrigation control system which can automatically control the equipments on the site.The WSN in the system combined the low-powered field control unit and data acquisition unit with energy-efficient routing protocol,which extend the life cycle of WSN farmland information collection;on the basis of SMS technology (short messaging service) in GSM, we have issued the requirement order on PC control platform;through dealing with the related environment data of irrigated areas and analyzing,the system conducts certain self-study and re-learn,which can realize the automatic control of field equipments.According to the experimental application result of the demonstration bases of scale water-saving irrigation efficiency in kashgar makit county of Xinjiang,this system can adapt to severe natural environment and it is simple to use with strong robustness,all of which can result in extensive popularization and application.

wireless sensor； intelligence irrigation; self-study; automatic control

2016-02-25

新疆维吾尔自治区高新技术研究发展项目(201413102)

陈 磊(1990-)，男，新疆库尔勒人，硕士研究生，(E-mail)leichenxj@sina.com。

许 燕(1974-)，女，乌鲁木齐人，副教授，(E-mail)liuliuxu_z@163.com。

S625.5+1

A

1003-188X(2017)03-0175-06