宋 艷，黃留鎖

(河南教育學(xué)院 信息技術(shù)系，鄭州 450046)

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農(nóng)業(yè)土壤含水率監(jiān)測及灌溉系統(tǒng)研究—基于物聯(lián)網(wǎng)模式

宋 艷，黃留鎖

(河南教育學(xué)院 信息技術(shù)系，鄭州 450046)

為提高農(nóng)業(yè)灌溉效率，保障農(nóng)作物正常生長，設(shè)計了穩(wěn)定可行、易于安裝的、以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的農(nóng)田灌溉系統(tǒng)。系統(tǒng)以MSP430 F149低功耗單片機(jī)與射頻模塊為基礎(chǔ)，使用基于無線技術(shù)ZigBee的CC2530芯片作為網(wǎng)絡(luò)連接點(diǎn)，采用RHD-100土壤水分傳感器采集農(nóng)業(yè)土壤含水率信息；通過無線技術(shù)ZigBee與無線通信GPRS無縫連接，將土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)通過JN5121通信模塊傳輸?shù)綗o線網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)了土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)信息傳輸和智能灌溉。將系統(tǒng)運(yùn)用于不同農(nóng)田環(huán)境進(jìn)行測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，運(yùn)行平穩(wěn)，可進(jìn)行推廣運(yùn)用。

物聯(lián)網(wǎng)；土壤墑情；ZigBee；傳感器

0 引言

隨著現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)(如藍(lán)牙、紅外線、WiFi、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(如ZigBee、GPRS)、信息處理技術(shù)(如云計算技術(shù)等)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在機(jī)械化的基礎(chǔ)上正在朝著自動化、智能化的方向推進(jìn)。

土壤水分反映了農(nóng)業(yè)干旱程度，以土壤水分為指標(biāo)，可以指導(dǎo)農(nóng)業(yè)灌溉。土壤的含水狀況俗稱土壤墑情，還包括土壤性質(zhì)、深度等狀態(tài)，其關(guān)系到農(nóng)作物的優(yōu)質(zhì)生長。不能及時、足量灌溉，或過量灌溉，都可能導(dǎo)致農(nóng)作物根莖不能從土壤及時吸收水分，影響農(nóng)作物的正常生長。另一方面，從農(nóng)業(yè)節(jié)水、節(jié)能及可持續(xù)性發(fā)展角度考慮，在灌溉作業(yè)中，要實現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉水資源高效利用，必須實時、精確地掌握農(nóng)田土壤水分信息，準(zhǔn)確地控制灌溉開始時機(jī)、結(jié)束時機(jī)及水量，從而實現(xiàn)節(jié)水、節(jié)能和作物的良好生長雙重目標(biāo)。

作為農(nóng)業(yè)大國，我國的農(nóng)業(yè)用水量消耗了80%的水資源總量[1]，研究開發(fā)土壤含水率自動監(jiān)測和智能控制的灌溉系統(tǒng)，有助于作物良好生長條件的建立和水資源的節(jié)約。近年來，國內(nèi)外研發(fā)出土壤水分檢測器，利用無線傳感器采集農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)信息，實時監(jiān)測土壤含水率的數(shù)據(jù)。當(dāng)土壤含水率數(shù)值低于閾值下限時，開啟水泵進(jìn)行灌溉；當(dāng)土壤含水率數(shù)值高于閾值上限時，關(guān)閉水泵以停止灌溉，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)模式下的農(nóng)業(yè)土壤水分智能控制。

然而，受制于傳感器等硬件及通信模塊等軟件系統(tǒng)的發(fā)展，現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用范圍還很小，普及率較低。目前，物聯(lián)網(wǎng)傳感器一般體積較大、不便于攜帶與安裝、能耗高、價格貴、響應(yīng)速度慢、精度低及數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定。同時，作為土壤水分傳感器，還需要具備受土質(zhì)影響小及不易受到土壤中各種成分腐蝕等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)的組成及原理

系統(tǒng)主要包括硬件部分，如RHD-100土壤水分傳感器、射頻識別芯片CC2530、MSP430 F149單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)，以及上位機(jī)系統(tǒng)軟件等部分。

系統(tǒng)可以實時檢測土壤水分，檢測數(shù)據(jù)由傳感器采集并通過GPRS作為通信渠道發(fā)送，采用SPS控制傳感器的采樣時間，每1.7s發(fā)送1次傳感器數(shù)據(jù)信息。在一個設(shè)定的時間斷內(nèi)，傳感器可自動繪制土壤水分曲線，土壤水分低于閾值下限時，控制終端發(fā)送指令，單片機(jī)接到指令，通過I/O口控制電磁閥開關(guān)開啟步進(jìn)電機(jī)；高于閾值上限時，及時關(guān)閉電機(jī)，所用數(shù)據(jù)信息和指令通過無線技術(shù)ZigBee進(jìn)行傳輸。

2 硬件實現(xiàn)方案

2.1 處理器的選擇

單片機(jī)具有高集成度、高可靠性、低功耗、控制能力強(qiáng)、擴(kuò)展能力好、體積小巧、高性價比和使用便利等優(yōu)點(diǎn)，在儀器儀表、專用設(shè)備智能化管理及過程控制等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，有效地控制了產(chǎn)品質(zhì)量，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

農(nóng)民群眾普遍學(xué)歷不高，對農(nóng)業(yè)機(jī)械化的認(rèn)識不足，對培訓(xùn)工作缺乏重視，對農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)的學(xué)習(xí)積極性、主動性較低。部分農(nóng)民輕視農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)培訓(xùn)，在接受培訓(xùn)時應(yīng)付了事，甚至在培訓(xùn)過程中損壞機(jī)械設(shè)備，引發(fā)安全事故。這些情況的發(fā)生，使農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)的推廣受到影響。

TI公司設(shè)計的MSP430F149 因其極低的空閑功耗而聞名，是一個16位的、結(jié)合了指令和數(shù)據(jù)總線的馮諾依曼系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。MSP430F149具有60kB的非易失性存儲器，系統(tǒng)內(nèi)可編程，還具備一個2 kB的內(nèi)部SRAM。該處理器可以在1.8～3.6V之間進(jìn)行操作，并且可以被鎖定在1.8V、8MHz兆赫和3.6V、高達(dá)4.15MHz的范圍之間。本系統(tǒng)中，處理器電壓為1.8V，于32.76kHz時鎖定，每個樣品的平均周期數(shù)為988，意味著處理器每秒197.600次活躍；功率測量顯示共耗電204μW，功率測量值只有32.768kHz。MSP430F149具有通信高速、開發(fā)環(huán)境方便高效、較寬的運(yùn)行溫度范圍及較強(qiáng)的抗干擾力，工作穩(wěn)定，時鐘系統(tǒng)靈活，具有可串行在線編程、喚醒時間較短及中斷功能強(qiáng)大等優(yōu)勢。本設(shè)計以TI公司的MSP430F149作為微處理器。

2.2 傳感器的選擇

在選擇傳感器時，需要考慮使用環(huán)境對傳感器的影響，所選用傳感器不應(yīng)受到土壤的腐蝕，且受土質(zhì)影響應(yīng)較小，對土壤土壤含水率的應(yīng)具有較高的分辨率，確保傳感器能在一個較長的時間段內(nèi)穩(wěn)定、準(zhǔn)確地感知土壤的含水率。

綜合考慮多方面因素，如傳感器的性價比、穩(wěn)定性、可靠性、能耗及使用維修的便利性等指標(biāo)，選用邯鄲市邯山瑞華電子有限公司生產(chǎn)的RHD-100土壤水分傳感器為本智能控制系統(tǒng)的終端檢測端。該檢測終端以CMOS芯片為核心，可以監(jiān)測并傳輸數(shù)據(jù)信息，且具有簡潔合理的結(jié)構(gòu)，小巧的體積，運(yùn)輸、安裝、操作及后期維護(hù)的便利等優(yōu)勢。其檢測頭以不繡鋼材料制成，使用壽命較長，并進(jìn)行了環(huán)氧樹脂封裝，可以有效隔絕外部異物侵襲，防止干擾破壞，埋入土壤中使用時不易受收到土壤中各種成分的侵蝕；受土質(zhì)得影響較小，可以在較廣范圍的地區(qū)運(yùn)用。

2.3 太陽能供電模塊設(shè)計

因為系統(tǒng)的監(jiān)測區(qū)域為農(nóng)田，一般沒有設(shè)置電線電纜，無法使用外接電源實現(xiàn)能源供給，需要自備電源。為避免頻繁更換電池帶來的系列問題，特選用太陽能電池為供能單元，為每個傳感器配備一個獨(dú)立的太陽能供電模塊，主要包括：1個12 V、12 Ah充電電池； 1塊太陽能電池板，輸出功率為15W；1個調(diào)壓器，壓力范圍為3.3～12 V。

運(yùn)行試驗表明：太陽能電池模塊可以滿足田間傳感器的供能要求。

CC2530為內(nèi)部集成的無線通信模塊，其內(nèi)核符合RF4CE/Zigbee 1.8V協(xié)議，可進(jìn)行CRC硬件校驗；結(jié)合了具有優(yōu)良收發(fā)性能的RF收發(fā)器和增強(qiáng)型8051MCU，可編程4種不同的閃存版本，包括CC2530 F32/128/64/256，分別具有32/128/64/256KB 的閃存。其壓控振蕩器完全集成，也集成了其它很多功能模塊，靈敏度極高、抗干擾性能佳，提供了完整而強(qiáng)大的ZigBee方案、ZigBee RF4CE 遠(yuǎn)程控制方案。使用該收發(fā)模塊，只需極少的外接元件(如天線)、晶振等少量的外圍電路元件，就能在2.4GHZ的頻段上工作。CC2530內(nèi)部使用1.8V工作電壓，并且能夠把外界提供的電壓(3.3V)轉(zhuǎn)化為內(nèi)部使用電壓。本設(shè)計以產(chǎn)自TI公司的 CC2530射頻收發(fā)模塊作為射頻收發(fā)模塊的主芯片。

2.5 GPRS通信模塊設(shè)計

與GSM相比較， GPRS的用戶接入時間更短、可靠性更高、通信速度更快，能夠支持TCP /IP協(xié)議[2]。GPRS模塊通過串口與ZigBee灌溉系統(tǒng)主控制網(wǎng)關(guān)連接，ZigBee節(jié)點(diǎn)在反饋土壤水分信息時，首先將信號通過ZigBeb網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給主控制網(wǎng)關(guān)，然后由控制器網(wǎng)關(guān)通過GPRS模塊，將信號發(fā)送到用戶端;用戶端可以根據(jù)具體的作物品種設(shè)定終端節(jié)點(diǎn)水位閾值上、下限，控制終端節(jié)點(diǎn)步進(jìn)電機(jī)的開啟與關(guān)閉，實現(xiàn)自動灌溉。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

IEEE802.15.4，俗稱ZigBee，是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率及低成本的雙向無線通訊技術(shù)[3]。ZigBee協(xié)議棧是基于IEEE 802.15.4之上的協(xié)議棧，其網(wǎng)絡(luò)層功能包括多跳路由，以及路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)、安全和連接/離開網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)向新加入的設(shè)備分配16位地址。

ZigBee技術(shù)是一個特別為短距離無線通信及低功耗設(shè)計的媒體訪問控制(MAC)和物理層的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，因此當(dāng)遇到傳感器網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)監(jiān)測、指令傳輸觸發(fā)此類工作時，ZigBee成為不二之選。

本設(shè)計選用了CC2530支持的免費(fèi)ZigBee協(xié)議棧，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立之后，用戶通過ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)、GPRS通信網(wǎng)絡(luò)，管理ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，設(shè)定不同作物土壤含水量的閾值上下限范圍。當(dāng)傳感器檢測到土壤水分值低于閾值下限值時，通過單片機(jī)I/O口開啟步進(jìn)電機(jī)，自動啟動灌溉動作；當(dāng)傳感器監(jiān)測并發(fā)送的土壤水分值高于閾值上限時，系統(tǒng)自動啟動，傳輸指令，通過單片機(jī)關(guān)閉步進(jìn)電機(jī)，中止灌溉動作。由此，實現(xiàn)土壤水分的自動監(jiān)測和智能灌溉控制。

計算機(jī)端程序采用Java語言編寫，可實現(xiàn)軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)的處理，包括傳輸、存儲、顯示及指令的執(zhí)行等功能。

4 系統(tǒng)測試試驗及結(jié)果分析

為驗證系統(tǒng)設(shè)計的合理性，檢測制作的實驗樣機(jī)是否符合設(shè)計要求，工作能否穩(wěn)定、連續(xù)和可靠，對制作完成的自動灌溉控制系統(tǒng)試驗設(shè)備進(jìn)行了測試。

4.1 水稻田土壤含水量檢測控制試驗

將本系統(tǒng)試樣樣機(jī)運(yùn)用于水稻田，設(shè)置土壤含水量閾值為30%～60%，監(jiān)測并控制土壤水分，得到的土壤水分變化圖如圖1所示。

圖1 水稻田土壤水分變化圖

由于濕度傳感器具有延遲特性，濕度的變化并不是呈線性地增長或降低，具有一定的滯后性。

4.2 棉花地土壤含水量檢測控制試驗

將本系統(tǒng)運(yùn)用于棉花田，設(shè)置土壤含水量閾值為20%～35%，監(jiān)測并控制土壤水分，土壤水分變化圖如圖2所示。

試驗表明：系統(tǒng)工作狀態(tài)良好、運(yùn)行穩(wěn)定，可適應(yīng)不同土壤環(huán)境的水分控制，能隨著土壤濕度的變化而動作，達(dá)到了將土壤濕度自動控制在設(shè)定范圍內(nèi)的目的。

圖2 棉花地土壤水分變化圖

5 結(jié)論

在我國當(dāng)前的農(nóng)業(yè)大環(huán)境下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在土壤水分監(jiān)測和控制中的應(yīng)用還處于初級階段，實際推廣運(yùn)用范圍偏小，與國外發(fā)達(dá)國家相比，技術(shù)相對落后[4]。因此，在物聯(lián)網(wǎng)實際運(yùn)用的設(shè)計中，需要根據(jù)國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的實際情況，充分考慮實用性和可推廣性。

本文設(shè)計了基于RHD-100土壤水分傳感器、射頻芯片CC2530、MSP430 F149單片機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、及上位機(jī)軟件系統(tǒng)的土壤含水率監(jiān)測及灌溉控制系統(tǒng)。試驗表明：系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，可有效地檢測土壤水分并通過控制步進(jìn)電機(jī)動作實現(xiàn)自動灌溉，將土壤水分控制端設(shè)定范圍內(nèi)，具備一定的準(zhǔn)確性和廣泛的適應(yīng)性。

[1] 邢志卿,付興,房駿,等.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用研究[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備,2010(8):16-17,20.

[2] 趙養(yǎng)社.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS網(wǎng)的灌溉系統(tǒng)研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2011(7):4203-4206.

[3] 趙榮陽,王斌,姜重然. 基于ZigBee的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究,2016,38(6):244-248.

[4] 許世衛(wèi). 我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及對策[J].中國科學(xué)院院刊,2013，38(6):686-692.

Monitoring and Controlling System of Agricultural Soil Moisture —Based on Internet of Things

Song Yan, Huang Liusuo

(Department of Information Technology,Henan Institute of Eduaction,Zhengzhou 450046,China)

In order to improve the efficiency of agricultural irrigation, ensure g good rop growth, A stable and feasible irrigation system is designed based on the Internet Of Things technology. With low power MSP430 F149 MCU and RF module as CPU, CC2530 chip based on ZigBee wireless network technology as node, the RHD-100 soil moisture sensor to collect agricultural soil moisture information, using the ZigBee wireless technology and GPRS wireless communication seamlessly, the rate of soil moisture is transmitted through the GPRS communication modules JN5121 to the wireless network, A terminal node data information feedback and user control of intelligent agriculture irrigation systems is realized. Test results showed that the data transmission is stable, and the system is stable and feasible.

the Internet of Things; soil moisture; ZigBee; sensor

2016-05-07

河南省社科規(guī)劃決策咨詢委托項目(2015JCWT06)

宋 艷(1979-)，女，河南周口人，實驗師，碩士研究生，(E-mail)34538543@qq.com。

黃留鎖(1976-)，男，鄭州人，講師，(E-mail)ls.huang@139.com。

S126

A

1003-188X(2017)04-0237-04