基于無線傳感器網(wǎng)絡的贛南臍橙土壤濕度監(jiān)控系統(tǒng)

袁新娣，謝曉春

贛南地區(qū)具有得天獨厚的自然資源，是我國臍橙生產(chǎn)的優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)帶.目前贛南已成為臍橙種植面積世界第一、年產(chǎn)量世界第三、全國最大的臍橙主產(chǎn)區(qū)［1］.臍橙種植過程中有很多技術要領，其中給水灌溉管理是重點之一，土壤含水率對臍橙品質與產(chǎn)量起著非常重要的作用［2－3］.贛南雨量充沛，但因季節(jié)分配不均，春夏季多洪澇、伏秋期干旱，所以人為灌溉是非常重要的.贛南是典型的丘陵地貌，90%以上的臍橙種植在25°以下的緩坡山地，山地土壤濕度分布比較復雜，如山頂與山腳、朝陽與背陽山地的土壤濕度都會有比較大的差別.目前贛南臍橙種植過程基本上依靠人工查看土壤狀況，憑感覺、憑經(jīng)驗判斷是否進行灌溉.這種方式勞動量大、勞動效率低，并且容易造成漏澆、少澆、過澆，影響臍橙果實質量，又浪費水資源.為了按照臍橙生產(chǎn)過程的需水規(guī)律，做到既適時適量灌溉，又提高灌溉效率和種植勞動生產(chǎn)率，利用現(xiàn)代信息技術手段進行科學灌溉管理是很有必要的.

無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）由分布在監(jiān)測區(qū)內(nèi)的大量微型、低價的傳感器節(jié)點組成，節(jié)點通過無線通信方式形成一個多跳、自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中感知對象的信息，并把信息發(fā)送給觀測者［4］.近年來，通過廣大科技人員的努力，基于無線傳感器網(wǎng)絡的現(xiàn)代信息手段已不斷地被應用到農(nóng)業(yè)土壤溫濕度測量、精準灌溉等方面［5］.從最早的將無線傳感器網(wǎng)絡應用于溫室大棚蔬菜種植，對大棚環(huán)境參數(shù)進行檢測［6］，到后來對農(nóng)田土壤水分進行監(jiān)測與控制方面的研究［7－10］.近期也有一些對果園環(huán)境土壤水分檢測的成果［11－13］，如，張觀山等［11］針對山東大規(guī)模蘋果園，應用Zig Bee和通用無線分組業(yè)務（general packet radio ser vice，簡稱GPRS）技術設計了智能灌溉系統(tǒng)；李光林等［12］利用控制器局域網(wǎng)絡（contr oller area net wor k，簡稱CAN）總線與全球移動通信系統(tǒng)（global system f or mobile co mmunications，簡稱GSM）網(wǎng)絡，通過太陽能供電，實現(xiàn)了針對重慶柑橘園自動灌溉與土壤含水率監(jiān)測；徐興等［13］針對山地柑橘生長環(huán)境，設計了檢測山地橘園的溫濕度、光照度、土壤含水率等的無線傳感器網(wǎng)絡，并引入了適合山地橘園環(huán)境工作的無線傳輸機制，增強了山地環(huán)境下橘園信息采集的魯棒性和可控性.但是，目前還未見無線傳感器網(wǎng)絡應用于贛南臍橙種植管理的報道.贛南以紅土壤和紫土壤土為主，土質肥沃，富含臍橙生長需要的各種微量元素，但這種環(huán)境時空變異性大，無線信號很容易受到天氣、地形地貌、植被等因素影響，所以在傳輸距離、傳輸質量上受到很大挑戰(zhàn)，同時，土壤濕度信息的有效采集方面也面臨著很大的挑戰(zhàn).為此，作者以贛南丘陵地帶的臍橙種植土壤為研究對象，展開對土壤濕度的無線監(jiān)測與控制工作，設計監(jiān)控土壤濕度的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng).

1 無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)結構

丘陵地帶種植臍橙時，通過挖等高梯田將坡地變成帶狀平地，梯田間距一般4 m左右，等高梯田水平方向臍橙株距3～4 m，每個種植小區(qū)（1 000～3 000 m2）均有1～2 m寬的操作道，操作道是垂直于坡面的縱向便道，與每塊梯田相連.根據(jù)實際地貌情況，作者設計的無線傳感控制網(wǎng)系統(tǒng)結構如圖1所示.

從圖1可知，系統(tǒng)以Zig Bee結合Inter net為核心技術，整個系統(tǒng)由Zig Bee網(wǎng)絡、網(wǎng)關、遠程監(jiān)控平臺構成.為了在山區(qū)復雜環(huán)境里增強網(wǎng)絡可靠性，同時擴大網(wǎng)絡范圍，Zig Bee網(wǎng)絡采用網(wǎng)狀拓撲結構.分布在檢測區(qū)域的各個終端節(jié)點是簡約功能器件，通過I／O口連接土壤濕度傳感器，每行水平的梯田安放1～2個終端節(jié)點.路由節(jié)點是全功能器件，連接土壤濕度傳感器或繼電器開關，繼電器開關用于控制零壓啟動電磁閥得失電，當電磁閥得電時，灌溉閥門打開對果樹進行滴灌，失電時，閥門關閉停止滴灌.協(xié)調(diào)器節(jié)點是整個Zig Bee網(wǎng)絡的核心部分，既負責啟動整個ZigBee網(wǎng)絡，同時又選擇Zig Bee網(wǎng)絡通信信道和建立一個網(wǎng)絡身份地址（ID）.當ZigBee網(wǎng)絡建立后，協(xié)調(diào)器負責接收終端節(jié)點或路由節(jié)點發(fā)送的信息，然后通過串口把信息傳遞到網(wǎng)關.網(wǎng)關是整個無線網(wǎng)絡的中心，將Zig Bee網(wǎng)絡與Inter net網(wǎng)絡連接在一起形成了無線傳感器網(wǎng)絡，負責處理、解析協(xié)調(diào)器節(jié)點或遠程監(jiān)控平臺傳輸來的數(shù)據(jù).遠程監(jiān)控平臺實現(xiàn)土壤濕度的存儲、顯示、報警等，當需要時，用戶可以在遠程監(jiān)控平臺界面下達指令，打開或關閉Zig Bee路由節(jié)點上的繼電器開關，從而控制灌溉.

2 無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)硬件設計

2.1 ZigBee節(jié)點硬件

系統(tǒng)Zig Bee節(jié)點包括終端節(jié)點、路由節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點，這些硬件上均采用TI公司的CC2530作為其核心元件.CC2530是新一代片上系統(tǒng)芯片，支持IEEE 802.15.4標準及應用.系統(tǒng)采用CC2530的原因主要有：（1）臍橙土壤濕度采集與控制所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，而CC2530擁有256 k B的快閃記憶體，8 k B的RA M，32／64／128／256 k B閃存，支持這種應用.（2）臍橙園地域廣袤，系統(tǒng)工作于室外，需要盡量減少節(jié)點能量消耗，而CC2530掉電模式下，只有睡眠定時器運行，僅有不到1μA的電流損耗，支持低功耗無線通信.（3）臍橙園植被對無線信號的阻擋影響信號傳輸?shù)馁|量、距離等，CC2530提供了101 d B的鏈路質量、精準的接收靈敏度和較強的抗干擾性，很適合應用于多植被環(huán)境.（4）CC2530集成了一個增強型8051微處理器和一個高性能的無線收發(fā)器（RF），提高了單片機與無線通信模塊組合時的可靠性，同時也減小了節(jié)點的體積與重量.

2.2 網(wǎng) 關

網(wǎng)關是整個無線網(wǎng)絡的核心部分，通過串口與Zig Bee協(xié)調(diào)器連接，分析處理Zig Bee上傳的全部數(shù)據(jù)；另一方面通過以太網(wǎng)接口與Inter net連接，把ZigBee節(jié)點采集的數(shù)據(jù)上傳到遠程監(jiān)控平臺，也把遠程監(jiān)控平臺的控制指令下達到Zig Bee節(jié)點.該系統(tǒng)網(wǎng)關主控CPU采用基于ARM CortexTM－A8內(nèi)核運行速率達1 GHz的飛思卡爾i.MX53處理器，該處理器包含了10／100 MB以太網(wǎng)接口、SD卡接口、RS232接口、USB接口、JTAG接口等.為了方便網(wǎng)關與Inter net連接，主控CPU還外接了WIFI無線網(wǎng)卡模塊.

2.3 土壤濕度傳感器

傳感器工作于山區(qū)臍橙園這種復雜的室外環(huán)境，所以需要選用抗干擾能力強、高可靠性、低能耗的傳感器.張觀山等［11］、李光林等［12］均采用了探針式土壤水分傳感器.這類土壤水分傳感器精度高，但是工作過程無休眠模式，不能滿足節(jié)能需要，而且輸出模擬信號、編程復雜.綜合考慮，作者設計的系統(tǒng)選用瑞士進口的數(shù)字式溫濕度傳感器SHTl0.該傳感器應用COMS微加工技術，將傳感元件和信號處理電路集成在一塊微型電路板上，確保了產(chǎn)品具有品質卓越、響應迅速、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點.另外SHTl0在采集結束后能自動進入休眠模式，能夠達到低功耗目的，同時SHTl0輸出完全標定的數(shù)字信號，與Zig Bee節(jié)點的連接變得非常簡單.

3 無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)軟件設計

3.1 ZigBee網(wǎng)絡協(xié)議棧開發(fā)

TI公司在提供無線芯片的同時，也配備了Zig Bee專用網(wǎng)絡協(xié)議棧Z－Stack.開發(fā)人員應用該協(xié)議棧，可方便地組建自己的無線通信網(wǎng)絡.而CC2530支持最新的ZigBee 2007／PRO協(xié)議.相對于以前的協(xié)議，ZigBee 2007／PRO在節(jié)點密度管理、互操作性、頻率捷變、數(shù)據(jù)負荷管理等方面有重大進步，且具有支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡和低功耗特點.這就使系統(tǒng)具有通信距離更遠、組網(wǎng)性能更穩(wěn)定、功耗更低、可在廣袤山區(qū)運用的功能.

系統(tǒng)以Zig Bee 2007／PRO協(xié)議版本提供的Sample App.eww工程文件作為模板，在IAR8.1環(huán)境下開發(fā)而成.協(xié)議棧通過編程接口函數(shù)API自動實現(xiàn)初始化網(wǎng)絡管理層設備、配置網(wǎng)絡、啟動加入網(wǎng)絡、傳播消息和發(fā)現(xiàn)路由，用戶無須干預.用戶根據(jù)設計目的，在應用層開發(fā)應用文件，該系統(tǒng)的應用文件能夠采集土壤濕度傳感器數(shù)據(jù)和產(chǎn)生繼電器開關控制信號.

數(shù)字式土壤溫濕度傳感器SHT10的采集過程有嚴格的時序對應，首先SHT10的主控制器（該系統(tǒng)中的CC2530）發(fā)送一組“啟動傳輸”時序，初始化ST H10；然后主控制器發(fā)送測量命令，命令發(fā)出后主控制器等待測量完成，測量過程需要20～320 ms，測量進行時ST H10的DATA引腳線一直處于高電平，測量結束后DATA出現(xiàn)低電平，數(shù)據(jù)可以先保存在寄存器中，所以在等待期間控制器可以執(zhí)行其他任務，需要時再從寄存器中讀出數(shù)據(jù)；讀出的數(shù)據(jù)由STH10的DATA引腳線串行傳輸?shù)? Byte測量數(shù)據(jù)和1 Byte的CRC奇偶校驗碼所組成.

把土壤數(shù)據(jù)采集程序以子程序形式保存到協(xié)議棧工程的應用層文件夾APP下，供事件處理程序調(diào)用.繼電器開關控制信號產(chǎn)生的子程序相對比較簡單，當Zig Bee網(wǎng)絡收到遠程控制平臺開關命令時，在對應路由節(jié)點的CC2530的P1.0引腳上產(chǎn)生TTL電平輸出.

3.2 網(wǎng)關軟件設計

網(wǎng)關軟件需要對經(jīng)過網(wǎng)關的數(shù)據(jù)進行分析、處理，還需要完成各種接口的調(diào)用.該系統(tǒng)網(wǎng)關搭載了一個Andr oid2.3操作系統(tǒng)，通過Andr oid操作系統(tǒng)，簡單調(diào)用接口即可完成對資源的調(diào)用.Andr oid系統(tǒng)的整個架構從下到上分為Linux內(nèi)核層、系統(tǒng)運行庫層、應用程序框架層、應用程序層［14］.該系統(tǒng)網(wǎng)關應用層程序流程如圖2所示，由圖2可知，網(wǎng)關應用層主要完成了數(shù)據(jù)的判斷、處理與發(fā)送.

3.3 遠程監(jiān)控平臺

系統(tǒng)遠程監(jiān)控平臺采用Inter net技術，基于B／S（瀏覽器／服務器）體系構建，數(shù)據(jù)傳輸遵循TCP／IP協(xié)議.遠程監(jiān)控服務器如果獲得了互聯(lián)網(wǎng)的固定IP地址，那么任意接入互聯(lián)網(wǎng)的電腦或其他智能設備都能通過瀏覽器登錄網(wǎng)關的IP地址，進入該土壤濕度監(jiān)控系統(tǒng)，進行遠程實時監(jiān)控.

遠程監(jiān)控服務器通過以太網(wǎng)接口與系統(tǒng)網(wǎng)關連接，接收網(wǎng)關上傳的數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行存儲、分析、顯示等，同時它又接收并響應遠程監(jiān)控瀏覽器（客戶端）的請求，整個監(jiān)控平臺軟件的工作流程如圖3所示.由圖3可知，Zig Bee節(jié)點信息通過網(wǎng)關傳遞給接口處理軟件——進程間通信（inter－process communication，簡稱IPC），IPC再將節(jié)點信息傳遞給業(yè)務處理軟件——統(tǒng)計過程控制（statistical process control，簡稱SPC），將SPC插入數(shù)據(jù)庫以供瀏覽器網(wǎng)頁顯示，或者將瀏覽器網(wǎng)頁數(shù)據(jù)下發(fā)給SPC，再由IPC解析后傳遞給Zig Bee節(jié)點.

服務器軟件由SQL Ser ver2000數(shù)據(jù)庫、Apache Web服務器、瀏覽器三大部分構成，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)里包括了數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)庫、參數(shù)設定數(shù)據(jù)庫、設備管理數(shù)據(jù)庫.Apache Web服務器軟件用于操作數(shù)據(jù)庫、設計顯示界面、響應用戶的請求等.瀏覽器用于網(wǎng)頁的顯示，是系統(tǒng)的人機對話部分，平臺主頁如圖4所示.通過圖4主頁左側的目錄，可以實時監(jiān)測各個傳感器采集的數(shù)據(jù)、查看節(jié)點是否在線、設置節(jié)點報警閥值、管理歷史數(shù)據(jù)、下達灌溉控制指令等.

4 系統(tǒng)測試實驗

該系統(tǒng)在贛南師范學院國家臍橙重點實驗室的臍橙實驗園區(qū)進行了土壤濕度測試實驗.實驗園區(qū)如圖5所示，梯田行間距5 m，株距3 m，操作道位于園區(qū)中部.實驗之前首先對各個傳感器進行校準，方法是測量當時室外空氣的相對濕度，該濕度應當與當天氣象部門發(fā)布的空氣相對濕度一致.

實驗時，使用了1個路由節(jié)點、4個終端節(jié)點.路由節(jié)點外接繼電器開關，安放在操作道上；終端節(jié)點均連接土壤濕度傳感器，分布在連續(xù)的兩行水平梯田上；每行2個，并以路由節(jié)點為中心，形成對路由節(jié)點的包圍狀態(tài)，距離路由節(jié)點20 m.網(wǎng)關也安放于操作道上，距離路由節(jié)點50 m，遠程監(jiān)控服務器通過WIFI與網(wǎng)關連接.土壤濕度傳感器埋在距離果樹1 m處，節(jié)點1至4的傳感器所埋深度分別為10、20、30、40 c m，節(jié)點天線高15 c m，傳感器埋入土壤環(huán)境，適應半小時后打開電源開始測量.表1是2014年10月29日通過遠程控制平臺讀取的4個終端節(jié)點采集的土壤濕度，傳感器每隔10 min發(fā)送一次數(shù)據(jù).通過平臺網(wǎng)頁上的“遠程控制”，對連接在路由節(jié)點的繼電器開關發(fā)送“開啟”或“關閉”信號時，繼電器能順利閉合或斷開.

表1 2014年10月29號讀取的4個終端節(jié)點采集的土壤濕度Tab.1 The soil humidity data collected by 4 ter minal nodes in October 29th 2014 %

另外，還對系統(tǒng)的有效通信距離進行了實驗，系統(tǒng)點對點無線傳輸距離在空曠無遮擋場所可以達到100 m，但在果園環(huán)境，因為受到植被的遮擋，還有梯田形狀的山體阻擋，當節(jié)點直線距離大于50 m時，系統(tǒng)傳輸很不穩(wěn)定，距離在50 m以下，系統(tǒng)運行比較穩(wěn)定.所以布置節(jié)點時，終端節(jié)點距離路由節(jié)點最好控制在50 m以內(nèi)，并且節(jié)點天線盡量靠近梯田外沿，以減小近垂直的梯田壁對信號的阻擋，而路由節(jié)點和網(wǎng)關盡量安放在無遮擋無梯田的操作道上，以擴大系統(tǒng)的測量覆蓋面積.經(jīng)過反復測試，結果發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好，數(shù)據(jù)能夠可靠傳輸.

5 結束語

作者針對贛南丘陵地貌的臍橙種植環(huán)境，運用ZigBee與Inter net技術，設計了贛南臍橙土壤濕度監(jiān)控系統(tǒng).通過該系統(tǒng)，可以遠程實時查看土壤濕度信息，同時根據(jù)實際需要，種植人員也可以遠程監(jiān)控灌溉閥門的打開與關閉.系統(tǒng)從硬件與軟件設計方面保證了低功耗、低成本、高安全性，經(jīng)過實地測試，證明了該系統(tǒng)能夠達到預定的功能要求.系統(tǒng)對于提高種植勞動生產(chǎn)率、節(jié)約用水、降低臍橙生產(chǎn)成本、促進贛南臍橙的可持續(xù)發(fā)展有重要意義.基于此系統(tǒng)，今后作進一步研究的主要內(nèi)容有：（1）進一步增強系統(tǒng)的抗干擾性，擴大系統(tǒng)覆蓋面.（2）進一步減小系統(tǒng)能耗，同時系統(tǒng)供應電源方面，需因地制宜，尋找即方便布線，又安全環(huán)保的供電方式，如太陽能供電.（3）根據(jù)土壤濕度傳感器采集的信息，系統(tǒng)能完全自動決策，自動打開或關閉灌溉閥門，做到智能化精準灌溉.

致謝：系統(tǒng)的設計及論文的寫作均得到了第一作者在華南理工大學做國內(nèi)訪問學者時的導師胥布工教授的精心指導，在此對胥教授表示深切的謝意！

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