基于分布式无线传感器网络的灌溉系统遥感与控制

王泽民 王 盼 王 超

(扬州市勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225000)

1 概 述

对于大型灌区而言，水的有效使用方式和用水管理是一个主要问题[1]。现行的中心支点灌溉系统和直线移动灌溉系统能使灌溉比较均匀，但是大多数农田的土壤性质存在着巨大的差异[2]。在这种情况下，本文提出一种基于传感器的分布式现场专用灌溉系统，该系统能在节约用水的同时提高产量和质量，但是在传感器融合、灌溉控制、数据接口、软件设计和通信等方面存在一些难题。一些学者对无线现场传感系统反馈控制进行了研究，但很少能够完全整合这些系统。

使用数据网络和低成本微控制器可以最有效地协调控制和仪表数据[3]。从现场感应站到基站连线系统的安装和维护需要大量的时间和成本[4]。长距离连线系统由于会干扰正常的耕作操作也是不可行的[5]。本文介绍了一种基于蓝牙技术的分布式集成无线传感器网络(WSN)。无线传感器网络无须在整个现场使用连线传感器站，降低了安装和维护成本。WSN使用移动无线网络，与无线局域网(WLAN)相比，移动无线网络在农业应用中具有优势。

2 材料和方法

WSN系统由分布在农田的5个田间传感站、一个灌溉控制站和一个基站组成。站内气象站监测土壤湿度、土壤温度和气温。所有现场传感数据都以无线方式传输到基站。基站通过决策程序处理现场传感数据，并向灌溉控制站发送控制命令。灌溉控制站根据安装在机器上的全球定位系统发送机器的地理位置到基站，实现实时监控和控制灌溉系统。根据安装在洒水喷头上的全球定位系统，基站将信号反馈给灌溉控制站，控制洒水喷头进行灌溉。

2.1 现场特定配置

通过研究地点的空间变化，根据土壤空间变异性确定了现场遥感站点的最优分布，并配置最少数量的现场传感器系统，以达到最佳效果。

2.2 现场传感站

现场遥感站和气象站的系统组件主要包括数据记录、无线数据通信和电源管理三个部分。传感数据通过蓝牙无线电发射机传送到数据记录器上，由一块太阳能电池板自行供电，该电池板通过一个电压调节器充电。

数据记录：使用数据记录器对5个现场遥感站和1个气象站的现场数据进行记录。外围接口通过一个d型连接器实现。本研究所使用的6台数据记录器均同时读取数据，扫描时间为10s，数据存储和下载时间为15min。

无线数据通信：蓝牙是一种国际标准的短距离无线通信技术。蓝牙的主要特点是鲁棒性、低功耗和低成本。蓝牙2.4GHz的跳频系统最大限度地减少了来自WLAN等其他来源的射频干扰，并最大化了用户体验。设备之间的通信遵循严格的主从方案，一个主设备可以同时在一个小微网内与多达七个从设备通信。

电源管理：无线传感器大多由电池供电，需要高效的电源管理来进行传感器的数据扫描和无线数据通信。本研究采用的电源系统由一块使用电压调节器调节的太阳能电池板自行供电。

2.3 灌溉控制站

地块设计：在3.6hm2的试验地块上实施无线可变速率灌溉控制和监控，试验地块沿行进方向分为14组。共分成56个地块，每个地块宽15m，长24m。每个地块被分成四块试验田，其中两块试验田采用喷雾灌溉，另外两块试验田采用精准灌溉(LEPA)。

线性移动灌溉系统：田间可变灌溉采用一个295m长的自行式线性移动灌溉系统。该自行式线性移动灌溉系统能够采用两种不同的灌溉技术进行灌溉。LEPA喷头每隔3m通过一个旋转洒水器和103kPa调节器交替灌溉。另一种技术是使用MESA喷头，该喷头配有69kPa调节器。

定位系统：全球定位系统用于获得喷头的地理位置，用于对其进行实时喷嘴控制和灌溉监控。系统安装在主推车的顶部，随着灌溉推车在田地上移动，不断更新洒水装置的地理信息，以便对不同的作物或地块进行不同的供水。

可变速率洒水喷头控制：线性灌溉系统采用了由现成组件组成的基本控制和阀门系统。由可编程的逻辑控制器控制30组洒水喷头。在使用MESA喷头的情况下，每五个(15m宽)为一组。气动阀门位于三个鹅颈管上，为每个间隔15m的LEPA喷头供水。控制电动阀分为两组，每组六个阀门(三个MESA和三个LEPA)放置在每辆车上的防风雨塑料外壳中。

可编程控制器的软件设计：可编程控制器是一种微型可编程控制器，配备有一个微处理器和两个RS-485通信端口，用于通过接口电缆进行外部通信。一个用于GPS读数，另一个用于通过蓝牙适配器向基础计算机进行无线数据传输。

2.4 基站

基站距耕地约700m。蓝牙无线天线安装在基站建筑的东侧屋顶上，并通过1m长的延长线连接到屋顶下的接收器(见图1)。接收器是一个适配多种蓝牙的服务器，通过一根15m长的交叉电缆连接到计算机。

图1 基站工作原理

蓝牙接收器从所有传感站以无线的方式接收数据，并及时将数据发送到基础计算机。基站与现场的传感站和控制站进行通信。

WISC软件使用户能够从控制站读取全球定位系统数据，从现场传感站读取传感器数据，并向灌溉控制站发送控制信号，以实现单独的喷洒器操作。WISC程序的算法流程见图2。该程序首先通过读取配置文件和初始化参数来初始化系统。控制面板对话由功能控制子例程处理，该子例程读取输入参数并检查通信端口。全球定位系统绘图对话框显示灌溉图，接收从可编程逻辑控制器读取的全球定位系统数据，处理全球定位系统和现场传感器数据，以对单个洒水喷头作出决策，将控制信号写回可编程逻辑控制器，并更新绘图显示。

图2 WISC软件算法流程简图

3 试验和结果

3.1 站点的现场配置

在土壤剖面仪上安装全球定位系统，用获得的数据绘制了表观土壤电子能谱图，见图3(a)。并通过分位数方法创建具有五个分类的空间地图。图3(b)显示了每个现场感应站所在五个不同区域的土壤电导率从38.2到128毫秒/m的变化。

图3 土壤剖面仪与基于土壤电子地图的现场无线传感器网络

3.2 动力管理

将无线数据通信电源的待机模式更改为睡眠模式，每天可以节约19W·h的电量。为了更方便地打开和关闭电源，蓝牙电源线被切换到数据记录器的控制端口。控制端口的信号是高阻抗的数字晶体管逻辑信号，该信号必须被放大才能触发作用。采用NZT5073晶体管触发蓝牙电源，并设计了一个倒相开关(见图4)。

图4 通过控制端口触发的蓝牙电源开关设计

控制端口触发后将提供2min的电源给蓝牙。第一分钟是用来稳定连接的唤醒信号，第二分钟是用来传输数据的。在非睡眠模式时观察到的电源故障见图5，可以通过部署用于睡眠模式的开关电路来解决，这造成了电源再充电周期现象(图5中虚线右侧所示)。

图5 非睡眠模式(虚线左侧)的电源故障和睡眠模式(虚线右侧)的稳定电源充电周期

3.3 实时现场监控

根据土壤特性图[图3(b)]和监测得到的土壤湿度和土壤温度，安装了5个现场传感站。在灌溉车上还安装了一个现场气象站，用于监测微气象信息：空气温度、相对湿度、降雨量、风速、风向和太阳辐射。蓝牙无线电天线的高度从50cm改为150cm，从而避免生长季节作物冠造成的无线电信号干扰。所有现场传感数据每10s扫描一次，每15min无线传输到基站。基站接收数据并使用软件显示现场条件。

3.4 灌溉实时远程监控

利用WISC软件实现了对变量灌溉系统的实时远程监控。WISC软件显示了两个对话框：“控制面板”和“实时全球定位系统灌溉控制和监测”。“控制面板”屏幕根据时区与全球定位系统的标准时间进行本地时间转换，并向编程逻辑控制器显示通信端口的状态和编号。它还能使基础计算机时间与全球定位系统同步，并实现了基于全球定位系统行驶距离或时间的自动数据保存。

根据作物类型对地块进行缩放以显示边界网格，并根据灌溉喷头类型(MESA为淡蓝色，LEPA为淡绿色)对每个地块进行着色。线性灌溉车的当前位置显示在田地顶部边缘的红色方块中。通过蓝牙无线通信，逻辑控制器的响应有大约1s的时间延迟，由于液压功率转换，喷嘴激活还有3s的额外延迟，线性灌溉车以3cm/s的速度移动，由于延时时间很短可以忽略不计。

4 结 论

用于灌溉喷头单独控制的电子可控系统，由全球定位系统连续监控，并将数据无线传输到基站，实现特定地点的灌溉控制。使用的蓝牙无线技术提供了即插即用的通信手段，并通过使用配备串行通信端口的传感器和控制器节省了大量时间和费用，可提供传输稳定的无线信号。WISC软件提供了可变速率灌溉的实时远程监控和控制。实践证明：蓝牙无线技术在农业系统中的应用可扩展到实时田间监控、自动灌溉控制和田间机械的远程操作中。