基于无线网络的智能灌溉控制系统设计与实现

2019-05-05赵立新

佛山科学技术学院学报（自然科学版） 2019年2期

赵立新

（三门峡职业技术学院信息传媒学院，河南三门峡472000）

随着中国农业的快速发展，用水量不断增加。由于中国农业水资源的短缺和浪费，节水灌溉的实施越来越重要。土壤含水量是作物生长的先决条件，而过量的土壤水分会导致作物根部腐烂，带走大量肥料，造成水污染。随着计算机技术和传感器技术的发展，土壤含水量的监测和控制取得了很大进展，但仍然存在两个主要问题：第一，大多数灌溉控制系统采用有线方式工作，利用串行总线和现场总线技术，布线复杂，安装和维护成本高；其次，作物需水量是一个物理量，具有各种环境因素，耦合性和复杂性强，难以建立精确的数学模型。

当前，很多研究结合无线传感器网络设计了智能灌溉系统。文献［1］基于WSN和GSM设计并实现了智能灌溉控制系统；文献［2］基于ZigBee无线感测器网络设计并实现了智能灌溉系统。ZigBee无线网络技术具有低功耗、低成本、免费的无线通信频率特性，可以取代传统系统中的有线连接［3-4］。本文在此基础上，将太阳能收集并储存在锂电池中，为系统提供电力供应。同时，分析了影响灌溉量的环境因素，选择合理的作物需水量灌溉方法和土壤水分信息。

1 节水灌溉自动控制系统的设计

1.1 系统架构设计

整个监控系统分为两部分：无线传感器网络和监控中心。传感器节点、控制器节点、土壤湿度传感器、灌溉管道、喷灌和灌溉控制阀部署在作物种植区域，系统架构如图1所示。网状网络拓扑采用ZigBee网络［5-6］。为了满足网络覆盖范围，同时降低节点能耗和成本，我们选择少量传感器节点作为路由器，完成数据采集和路由数据从其他设备到协调器。大多数传感器节点充当终端设备，仅收集数据并发送到路由器或协调器附近。控制面板延伸到传感器节点以弥补控制器节点，平时可以进行数据采集和打开控制阀，实现灌水指令时的灌溉。

1.2 系统硬件设计

系统有三种无线传感器网络节点：传感器节点、路由节点和协调器节点。所有节点都以CC2530为核心，与不同的扩展模块相匹配。CC2530是真正的片上系统（SoC）解决方案，专为IEEE 802.15.4和ZigBee应用而量身定制，它使ZigBee节点能够以非常低的总物料成本构建。CC2530将领先的RF收发器的卓越性能与业界标准的增强型8051 MCU、32/64/128/256 KB闪存、32/64/128/256 KB RAM以及许多其他强大功能相结合。

1.3 系统软件设计

节点的开发基于ZigBee协议栈提供的MAC和物理层，主要涉及数据采集和网络帧问题。协调器节点负责配置网络参数，启动网络和网络维护工作，接收数据采集和温度、湿度的传输阈值。传感器节点的主要任务是数据采集和传输，完成初始化协议栈和硬件后，终端节点启动扫描通道，然后发送加入网络的信息，如果确认，它就开始通过传感器收集数据，然后通过无线传输发送到协调器节点。电磁阀的类型是100-DVF，它通常在闭合电磁阀中，功能是根据设备发送的控制信号打开和关闭管道水。该阀配有TBOS控制模块，阀门启停由正和负脉冲控制，非常适合没有交流电的场合。

2 节水灌溉自动控制系统的实现

2.1 无线传感器网络

无线传感器网络由传感器节点、路由节点和协调器节点组成，分布在监控区域的所有区域。所有节点都由太阳能供电。温湿度传感器采集温湿度信息，路由节点负责路由通信和转发数据，协调节点从路由节点接收数据，并通过RS232串行总线发送给主机监控中心。监测中心可以记录从所有节点上传的实时土壤含水量，根据不同生长期的植物生理特征计算作物灌溉用水需求，通过无线传感器网络输出结果到中继，控制阀门的开启和关闭时间，从而实现对灌溉的远程自动调节和控制。

此外，为了解决节点能量供应问题，我们提出了一种基于太阳能的供电系统，它由太阳能模块、能量管理控制器和锂电池组成。太阳能模块不仅可以为锂电池充电，还可以为传感器节点供电。类似地，锂电池可以为传感器节点供电。能量管理控制器的微处理器收集太阳能电池板和锂电池的电压，然后将反馈信息传送到控制电路。根据微处理器的信息控制电路执行电源和充电方案有效地解决了电池充电频繁的问题。在连续供电的情况下，电源的优先级是太阳能电池板、锂电池。如果锂电池没有饱和，则锂电池的太阳能电池充电，当阳光不足或没有阳光时加入锂电池供电。

2.2 传感器网络路由算法

由于无线传感器网络节点容量的限制，传统的IP网络路由协议一般不适合无线传感器网络，而集群路由协议应该是低功耗自适应集簇分层型协议［7-8］（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH），它是第一个基于多集群结构的路由协议集群，相比较传统的协议，LEACH可以更好地节省能源。由于中间无线传感器网络的设计首先考虑的是能量问题，如果接收节点和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，使用多个衰减模型。临界值d0定义如下

其中，α是路径损耗指数，λ是信号的波长，hr是接收机天线高度，ht是发射天线的高度。当发送节点k比特数据到接收节点的相关传输距离d时，通过下式（2）计算发射节点的能量消耗

其中，ETx-eles（k）是发射k位数据发射器电路的能量消耗，Eeles数据用于发送或接收电路所消耗的能量中的每个电路，ETx-amp（k，d）是发射k位数据传输距离d和功率放大器时的能量消耗。

所有节点LEACH自组织集群在集群中，由一个节点作为集群头，所有集群成员节点发送到集群头，集群头的数据融合处理后到基站。簇头比集群节点消耗更多的能量成员，因此，在LEACH路由协议中，使用簇头节点机制的随机旋转来避免能量耗尽。集群在第一个网络中建立时，选出当前轮次的簇头节点。具体来说，每个节点在0到1中选择一个随机数，如果随机数比预定阈值小，那么节点在当前轮中为簇头，否则在本轮集群成员中。土壤环境是一个大惯性、非线性和时间延迟系统，很难建立一个精确的数学模型，由于温室场条件的统一性、可变性和复杂性，很难实现精确控制，我们选择模糊控制理论的智能控制方法实现监控系统的控制。

3 实验测试

为了对提出的智能灌溉监控系统进行验证，笔者在105 m2左右的农田范围内设置编号为节点1～4共4个温湿度传感器实时采集数据，无线发送至主站计算机，从站单片机输出数码显示模块可以直接显示采集到的参数。监测数据见表l，从表中可以看出，在监测时段内农田的温度和湿度均维持在理想范围内，验证了提出方案的可行性。