胡 國 強(qiáng)
(西北農(nóng)林科技大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與教育技術(shù)中心,陜西 楊凌 712100)
眾所周知,中國農(nóng)業(yè)用水資源短缺及用水浪費現(xiàn)象非常嚴(yán)重,是目前中國在農(nóng)業(yè)灌溉方面所面臨的嚴(yán)峻問題。相關(guān)研究表明,當(dāng)前灌溉水利用系數(shù)低,農(nóng)業(yè)用水的有效利用率僅為43%左右,遠(yuǎn)低于歐洲等發(fā)達(dá)國家70%~80%的水平[1]。與此同時,化學(xué)肥料的利用率低,施用后沒有被作物吸收利用的肥料大量進(jìn)入環(huán)境,對環(huán)境造成污染,不僅破壞了土地資源,而且對人類健康也構(gòu)成了威脅[2,3]。水肥一體化技術(shù)是將灌溉與施肥融為一體的農(nóng)業(yè)新技術(shù)[4],不僅能有效提高水肥的利用效率,減少資源浪費,同時提高了農(nóng)作物產(chǎn)量,節(jié)約了勞動力。
目前,國內(nèi)已有專家和學(xué)者對精準(zhǔn)灌溉的課題開展研究,嚴(yán)寒和嚴(yán)華利用CAN和ZigBee技術(shù)實現(xiàn)了農(nóng)田自動化滴灌系統(tǒng)[5];楊婷和汪小旵基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了自動滴灌系統(tǒng)[6];賈艷玲和劉思遠(yuǎn)在葡萄園中利用ZigBee技術(shù)設(shè)計了智能灌溉系統(tǒng)[7];趙榮陽等對ZigBee的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)進(jìn)行了研究[8];安進(jìn)強(qiáng)等對基于物聯(lián)網(wǎng)的精確灌溉控制技術(shù)進(jìn)行了研究[9];袁志強(qiáng)等設(shè)計了應(yīng)用于農(nóng)業(yè)噴灌系統(tǒng)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)[10];李加念和倪慧娜實現(xiàn)了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的小粒種咖啡園滴灌自動控制系統(tǒng)[11];汪金營將溫室農(nóng)作物自動滴灌測控系統(tǒng)應(yīng)用在節(jié)水灌溉領(lǐng)域[12];Krishna N. M.和Marutheswar G. V.實現(xiàn)了基于GPRS和ZigBee的自動灌溉監(jiān)控系統(tǒng)[13];Yavuz D.等設(shè)計并實現(xiàn)了可提高馬鈴薯產(chǎn)量的滴灌管理系統(tǒng)[14];Mathew A. I.和Kumar R.利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)和云計算相結(jié)合的方法實現(xiàn)了滴灌管理系統(tǒng)[15]。以上研究都是利用各種技術(shù)實現(xiàn)精細(xì)化灌溉系統(tǒng),現(xiàn)在國內(nèi)已使用的遠(yuǎn)程灌溉系統(tǒng)普遍使用ZigBee協(xié)議來傳輸采集的數(shù)據(jù),導(dǎo)致現(xiàn)有的遠(yuǎn)程灌溉系統(tǒng)傳感節(jié)點能耗高,整個傳輸網(wǎng)絡(luò)延遲大。針對現(xiàn)有遠(yuǎn)程灌溉系統(tǒng)的不足,選用6LoWPAN技術(shù)構(gòu)建精細(xì)化灌溉系統(tǒng)。
隨著IPv4地址的耗盡,IPv6是大勢所趨。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,將進(jìn)一步推動IPv6的部署與應(yīng)用[16]。IETF 6LoWPAN技術(shù)具有無線低功耗、自組織網(wǎng)絡(luò)的特點,是物聯(lián)網(wǎng)感知層、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的重要技術(shù),ZigBee新一代智能電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)中SEP2.0已經(jīng)采用6LoWPAN技術(shù)[17],隨著美國智能電網(wǎng)的部署,6LoWPAN將成為事實標(biāo)準(zhǔn),全面替代ZigBee標(biāo)準(zhǔn)。6LoWPAN支持與其他802.15.4設(shè)備的互通,同時通過簡單的橋設(shè)備很容易與其他IP網(wǎng)絡(luò)的互通。ZigBee網(wǎng)絡(luò)和非ZigBee網(wǎng)絡(luò)之間的通信需要非常復(fù)雜的應(yīng)用層網(wǎng)關(guān)。
鑒于6LoWPAN無線傳感網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢,提出一種基于6LoWPAN的水肥一體化智能滴灌系統(tǒng)。該系統(tǒng)將6LoWPAN傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于土壤濕度與溫度的監(jiān)測和電磁閥的控制,用戶可以通過上位機(jī)軟件實時獲取土壤環(huán)境數(shù)據(jù),及時對農(nóng)作物進(jìn)行水或水肥灌溉,以保證農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。
(1)土壤濕度和溫度的采集和傳輸。終端用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)登錄上位機(jī)軟件查看采集的信息。
(2)點到點的數(shù)據(jù)訪問和控制。用戶不僅可以實時監(jiān)測土壤濕度和溫度信息,而且可以對傳感器節(jié)點的電磁閥進(jìn)行控制。
(3)土壤濕度異常時及時告警并打開電磁閥進(jìn)行水或水肥灌溉。
系統(tǒng)按照功能分2大部分:滴灌管網(wǎng)和基于6LoWPAN的WSN智能滴灌。
滴灌管網(wǎng)設(shè)計如圖1所示,水泵經(jīng)過主管將水或水肥輸送到各個毛管,毛管上安裝電磁閥,控制灌溉。電磁閥、土壤溫濕度傳感器集成在6LoWPAN傳感節(jié)點上。
圖1 滴灌管網(wǎng)Fig.1 Drip irrigation pipe network
基于6LoWPAN的WSN智能滴灌部分可劃分為3個模塊。
(1)6LoWPAN 網(wǎng)絡(luò)。由6LoWPAN傳感節(jié)點和邊緣路由器組成,用于采集環(huán)境數(shù)據(jù)或者根據(jù)后臺指令執(zhí)行具體的操作。
(2)傳輸網(wǎng)絡(luò)。用于感知數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸,將監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行傳輸。
(3)終端用戶。在PC或手機(jī)上安裝上位機(jī)軟件管理智能滴灌系統(tǒng)的人員。
具體設(shè)計如圖2所示。6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由6LoWPAN傳感器節(jié)點組成,每個節(jié)點均可配置IPv6地址,采用樹形組網(wǎng)方式。6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過6LoWPAN路由器將監(jiān)測的數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿踊ヂ?lián)網(wǎng),用戶可通過互聯(lián)網(wǎng)與傳感節(jié)點進(jìn)行點到點通信,實時監(jiān)測土壤濕度和溫度數(shù)據(jù)及遠(yuǎn)程控制灌溉。
主要設(shè)計6LoWPAN的WSN智能滴灌部分,分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。
圖2 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.2 Overall system architecture
傳感器節(jié)點由RF收發(fā)器、微控制單元(Microcontroller Unit,MCU)、電磁閥和傳感單元4部分組成,具體設(shè)計如圖3所示。
圖3 傳感節(jié)點硬件架構(gòu)Fig.3 Sensor node hardware frame
選用的處理器為ARM Cortex-M3,MCU高達(dá)48 MHz 的時鐘速度,512 KB閃存,32 KB緩存 。RF收發(fā)器采用CC2538芯片,它支持2.4 GHz射頻和IEEE 802.15.4協(xié)議。電磁閥選用脈沖電磁閥,其脈沖寬度30 ms,工作壓力0.02~1.00 MPa。傳感器采用土壤溫濕度傳感器,其輸出電壓為0~2 V,輸出電流為4~20 mA,支持RS485通信。
傳感單元感知土壤環(huán)境數(shù)據(jù)后發(fā)送到傳感節(jié)點的MCU處理,處理后經(jīng)過RF收發(fā)器發(fā)給6LoWPAN路由器。傳感器節(jié)點通過RF收發(fā)器接6LoWPAN路由器的數(shù)據(jù)包,MCU對數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理后發(fā)送命令給傳感單元或發(fā)送控制命令給電磁閥進(jìn)行灌溉。
6LoWPAN路由器設(shè)計的時候要考慮到6LoWPAN子網(wǎng)和IPv4/IPv6網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。6LoWPAN路由器采用支持IPv4/IPv6的雙USB接口的OpenWrt路由器,它通過2個串口與6LoWPAN協(xié)議的傳感節(jié)點和WIFI模塊連接。設(shè)計好的綜合網(wǎng)關(guān)應(yīng)有基本協(xié)議解析功能,包括6LoWPAN協(xié)議以及IPv6和IPv4 協(xié)議棧。本平臺中的網(wǎng)關(guān)的硬件框架包括3個組成部分:支持6LoWPAN協(xié)議的路由節(jié)點、WIFI模塊、OpenWrt路由器,如圖4所示。
圖4 6LoWPAN路由器硬件框架Fig.4 6LoWPAN Router hardware frame
OpenWrt路由器和WIFI模塊的硬件配置如下。
(1)OpenWrt路由器。 CPU MediaTek MT7620A MIPS 24 K 580 MHz,F(xiàn)LASH 128 MB,DRAM內(nèi)存為256 MB ,支持802.11 b/g/n。
(2)WIFI模塊。支持 802.11 b/g/n協(xié)議,工作頻率為2.4~2.5 GHz,工作電壓為3.0~3.6 V。
無線傳感器節(jié)點和邊界路由器6LoWPAN模塊移植Contiki操作系統(tǒng),Contiki是一套物聯(lián)網(wǎng)開源操作系統(tǒng)。其中基于Contiki的 SICSlowpan以其開源、可移植性好、超輕量級、長期維護(hù)等優(yōu)勢得到了廣泛關(guān)注,SICSlowpan符合RFC4944標(biāo)準(zhǔn),實現(xiàn)了頭部編碼壓縮片、地址分配等功能,具有較好的互操作性[18]。
傳感器節(jié)點加電后,Contiki系統(tǒng)開始初始化,處于監(jiān)聽邊緣路由器的狀態(tài)。邊緣路由器一旦通過6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送來數(shù)據(jù)包,傳感器節(jié)點就對該數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析。解析結(jié)果是采集土壤濕度指令,傳感器節(jié)點就采集土壤濕度,將當(dāng)前傳感器狀態(tài)信息和采集信息通過RF射頻模塊發(fā)送給邊緣路由器;解析結(jié)果如果是控制電磁閥的指令,傳感器節(jié)點將會控制所連接的電磁閥,將最終狀態(tài)信息通過RF射頻模塊發(fā)送給邊緣路由器[19]。傳感器節(jié)點軟件設(shè)計流程圖如圖5所示。
圖5 傳感節(jié)點軟件設(shè)計框架Fig.5 Sensor node software design flow diagram
邊緣路由器上電初始化之后,處于監(jiān)聽UDP端口信息狀態(tài),等待上位機(jī)軟件發(fā)來指令。一旦接收到上位機(jī)發(fā)送的指令,先解析數(shù)據(jù)包,解析后的數(shù)據(jù)包由邊緣路由器的RF射頻模塊向6LoWPAN無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)報文。在設(shè)置的時間段內(nèi),不管6LoWPAN無線傳感網(wǎng)絡(luò)有沒有響應(yīng)邊緣路由器[19],邊緣路由器都會將響應(yīng)狀態(tài)通過WLAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給上位機(jī)軟件。邊緣路由器軟件設(shè)計流程圖如圖6所示。
圖6 6LoWPAN路由器軟件設(shè)計流程圖Fig.6 6LoWPAN router design flow diagram
3.3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計的原則
(1)出于節(jié)能的考慮,采用UDP(User Datagram Protocol)協(xié)議來傳輸數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用IP地址+端口號的方式標(biāo)識不同的感知和控制服務(wù)。
(2)支持多終端訪問,用戶可以通過不同的終端來訪問,如PC、安卓手機(jī)、蘋果手機(jī)等。
(3)軟件運行穩(wěn)定,管理界面直觀。
3.3.2 上位機(jī)軟件實現(xiàn)
基于設(shè)計原則考慮,采用LabVIEW程序開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)。LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一種圖形化的編程語言的開發(fā)環(huán)境[20],它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實驗室所接受,被視為一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。研究利用LabVIEW創(chuàng)建Web Service 服務(wù),用戶可以通過在瀏覽器上輸入 URL來請求Web Service服務(wù)以獲取智能滴灌系統(tǒng)VI。
Web Service 服務(wù)創(chuàng)建流程:
(1)啟動LabVIEW網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器及Web service。
(2)在LabVIEW項目創(chuàng)建智能滴灌系統(tǒng)VI。
(3)設(shè)定URL請求對應(yīng)表,指定何種URL會執(zhí)行那些VI。
(4)生成調(diào)試好的Web Service后,將其部署于服務(wù)器。
用戶通過終端獲取智能滴灌系統(tǒng)VI可遠(yuǎn)程實時監(jiān)測土壤濕度和溫度數(shù)據(jù)或控制6LoWPAN傳感器節(jié)點集成的電磁閥進(jìn)行灌溉。
在實驗室隨機(jī)設(shè)置一個節(jié)點,節(jié)點IPv6地址為FC00::0212:4b00:053d:7789。該節(jié)點開啟了2個任務(wù),占用2個端口,其中5683是CoAP協(xié)議使用的端口,12346端口作UDP傳輸用。6LoWPAN路由器IPv6地址為FC00::0212:4b00:0612:8e25,從校園網(wǎng)獲取IPv4地址210.27.82.231。傳感節(jié)點加入6LoWPAN路由器創(chuàng)建的6LoWAPN網(wǎng),如圖7所示。
圖7 6LoWPAN路由器串口顯示圖Fig.7 6LoWPAN Router serial display
為了方便用戶通過IPv4網(wǎng)絡(luò)訪問,在網(wǎng)關(guān)上作了NAT64轉(zhuǎn)換。測試機(jī)從校園網(wǎng)獲取IPv4地址(210.27.82.130),通過CoAP協(xié)議訪問,如圖8所示。
圖8 CoAP訪問6LoWPAN路由器Fig.8 CoAP access 6LoWPAN router
該試驗說明,6LoWAPN網(wǎng)絡(luò)搭建成功,在IPv4環(huán)境下用戶可以通過CoAP協(xié)議訪問6LoWPAN路由器,即6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)與IPv4網(wǎng)絡(luò)可以相互通信。
在實驗室環(huán)境下,隨機(jī)設(shè)置2個6LoWAPN節(jié)點,將溫度傳感器和土壤濕度傳感器、脈沖電磁閥連接到傳感節(jié)點的引腳上,將3個傳感器對應(yīng)的驅(qū)動寫進(jìn)6LoWAPN節(jié)點的Contiki系統(tǒng),配置Contiki系統(tǒng)的IPv6地址。安裝上位機(jī)軟件的PC機(jī)直連6LoWAPN路由器,用戶通過上位機(jī)管理軟件每隔6 s發(fā)送請求來獲取土壤濕度和溫度數(shù)據(jù)。節(jié)點1的土壤溫濕度傳感器插進(jìn)花盆1,節(jié)點2的土壤溫濕度傳感器插進(jìn)花盆2,試驗結(jié)果如圖9所示。
實驗表明,該系統(tǒng)能實時監(jiān)測壞境溫度和土壤濕度,可以在上位機(jī)軟件設(shè)置監(jiān)測范圍,土壤濕度異常時,可以控制電磁閥灌溉。
圖9 系統(tǒng)試驗結(jié)果Fig.9 System test results
在溫室大棚環(huán)境下,隨機(jī)布置一個6LoWPAN傳感節(jié)點和一個ZigBee傳感節(jié)點,兩個節(jié)點都連接好土壤溫濕度傳感器和電磁閥。在其附近部署一個無線綜合網(wǎng)關(guān),上面集成6LoWPAN模塊和ZigBee模塊,安裝LabVIEW軟件的筆記本通過WIFI訪問無線綜合網(wǎng)關(guān),測試拓?fù)淙鐖D10所示。
圖10 測試拓?fù)銯ig.10 Test topology
打開安裝LabVIEW軟件的筆記本,可以從綜合網(wǎng)關(guān)獲取IPv6地址,然后通過ping命令獲取到6LoWPAN傳感節(jié)點的傳輸時間。ZigBee滴灌系統(tǒng)的傳輸時間由2部分組成,即筆記本和綜合網(wǎng)關(guān)之間的傳輸時間和ZigBee節(jié)點之間ZigBee協(xié)調(diào)器的傳輸時間。分別記錄4組不同距離且3個不同位置2套網(wǎng)絡(luò)之間的傳輸時間,ZigBee滴灌系統(tǒng)傳輸時間如表1所示,6LoWPAN滴灌系統(tǒng)傳輸時間如表2所示。
對比測試結(jié)果,6LoWPAN滴灌系統(tǒng)傳輸時間比ZigBee滴灌系統(tǒng)傳輸時間短,系統(tǒng)時延小。
表1 ZigBee滴灌系統(tǒng)傳輸時間Tab.1 Transmission time of ZigBee drip irrigation system
表2 6LoWPAN滴灌系統(tǒng)傳輸時間Tab.2 Transmission time of 6LoWPAN drip irrigation system
設(shè)計了一套基于6LoWPAN無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的水肥一體化智能滴灌系統(tǒng),該系統(tǒng)將WSN通過6LoWPAN路由器的WIFI模塊直接接入IPv4/IPv6網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)了6LoWPAN網(wǎng)絡(luò)跟IPV4/IPV6網(wǎng)絡(luò)的互相通信,用戶可以遠(yuǎn)程獲取農(nóng)作物土壤溫度和土壤濕度數(shù)據(jù)并通過控制電磁閥以保障土壤濕度數(shù)據(jù)在設(shè)定范圍內(nèi)。測試結(jié)果表明,基于6LoWPN的WSN與IPv4/IPv6網(wǎng)絡(luò)可以相互通信,系統(tǒng)能準(zhǔn)確獲取土壤溫度和濕度數(shù)據(jù),6LoWPAN滴灌系統(tǒng)時延小。
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