基于分布式無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)遙感與控制

王澤民 王 盼 王 超

(揚(yáng)州市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000)

1 概 述

對(duì)于大型灌區(qū)而言，水的有效使用方式和用水管理是一個(gè)主要問(wèn)題[1]?，F(xiàn)行的中心支點(diǎn)灌溉系統(tǒng)和直線移動(dòng)灌溉系統(tǒng)能使灌溉比較均勻，但是大多數(shù)農(nóng)田的土壤性質(zhì)存在著巨大的差異[2]。在這種情況下，本文提出一種基于傳感器的分布式現(xiàn)場(chǎng)專用灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)能在節(jié)約用水的同時(shí)提高產(chǎn)量和質(zhì)量，但是在傳感器融合、灌溉控制、數(shù)據(jù)接口、軟件設(shè)計(jì)和通信等方面存在一些難題。一些學(xué)者對(duì)無(wú)線現(xiàn)場(chǎng)傳感系統(tǒng)反饋控制進(jìn)行了研究，但很少能夠完全整合這些系統(tǒng)。

使用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和低成本微控制器可以最有效地協(xié)調(diào)控制和儀表數(shù)據(jù)[3]。從現(xiàn)場(chǎng)感應(yīng)站到基站連線系統(tǒng)的安裝和維護(hù)需要大量的時(shí)間和成本[4]。長(zhǎng)距離連線系統(tǒng)由于會(huì)干擾正常的耕作操作也是不可行的[5]。本文介紹了一種基于藍(lán)牙技術(shù)的分布式集成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)無(wú)須在整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)使用連線傳感器站，降低了安裝和維護(hù)成本。WSN使用移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，與無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN)相比，移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中具有優(yōu)勢(shì)。

2 材料和方法

WSN系統(tǒng)由分布在農(nóng)田的5個(gè)田間傳感站、一個(gè)灌溉控制站和一個(gè)基站組成。站內(nèi)氣象站監(jiān)測(cè)土壤濕度、土壤溫度和氣溫。所有現(xiàn)場(chǎng)傳感數(shù)據(jù)都以無(wú)線方式傳輸?shù)交??；就ㄟ^(guò)決策程序處理現(xiàn)場(chǎng)傳感數(shù)據(jù)，并向灌溉控制站發(fā)送控制命令。灌溉控制站根據(jù)安裝在機(jī)器上的全球定位系統(tǒng)發(fā)送機(jī)器的地理位置到基站，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制灌溉系統(tǒng)。根據(jù)安裝在灑水噴頭上的全球定位系統(tǒng)，基站將信號(hào)反饋給灌溉控制站，控制灑水噴頭進(jìn)行灌溉。

2.1 現(xiàn)場(chǎng)特定配置

通過(guò)研究地點(diǎn)的空間變化，根據(jù)土壤空間變異性確定了現(xiàn)場(chǎng)遙感站點(diǎn)的最優(yōu)分布，并配置最少數(shù)量的現(xiàn)場(chǎng)傳感器系統(tǒng)，以達(dá)到最佳效果。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)傳感站

現(xiàn)場(chǎng)遙感站和氣象站的系統(tǒng)組件主要包括數(shù)據(jù)記錄、無(wú)線數(shù)據(jù)通信和電源管理三個(gè)部分。傳感數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線電發(fā)射機(jī)傳送到數(shù)據(jù)記錄器上，由一塊太陽(yáng)能電池板自行供電，該電池板通過(guò)一個(gè)電壓調(diào)節(jié)器充電。

數(shù)據(jù)記錄：使用數(shù)據(jù)記錄器對(duì)5個(gè)現(xiàn)場(chǎng)遙感站和1個(gè)氣象站的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。外圍接口通過(guò)一個(gè)d型連接器實(shí)現(xiàn)。本研究所使用的6臺(tái)數(shù)據(jù)記錄器均同時(shí)讀取數(shù)據(jù)，掃描時(shí)間為10s，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和下載時(shí)間為15min。

無(wú)線數(shù)據(jù)通信：藍(lán)牙是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的短距離無(wú)線通信技術(shù)。藍(lán)牙的主要特點(diǎn)是魯棒性、低功耗和低成本。藍(lán)牙2.4GHz的跳頻系統(tǒng)最大限度地減少了來(lái)自WLAN等其他來(lái)源的射頻干擾，并最大化了用戶體驗(yàn)。設(shè)備之間的通信遵循嚴(yán)格的主從方案，一個(gè)主設(shè)備可以同時(shí)在一個(gè)小微網(wǎng)內(nèi)與多達(dá)七個(gè)從設(shè)備通信。

電源管理：無(wú)線傳感器大多由電池供電，需要高效的電源管理來(lái)進(jìn)行傳感器的數(shù)據(jù)掃描和無(wú)線數(shù)據(jù)通信。本研究采用的電源系統(tǒng)由一塊使用電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)的太陽(yáng)能電池板自行供電。

2.3 灌溉控制站

地塊設(shè)計(jì)：在3.6hm2的試驗(yàn)地塊上實(shí)施無(wú)線可變速率灌溉控制和監(jiān)控，試驗(yàn)地塊沿行進(jìn)方向分為14組。共分成56個(gè)地塊，每個(gè)地塊寬15m，長(zhǎng)24m。每個(gè)地塊被分成四塊試驗(yàn)田，其中兩塊試驗(yàn)田采用噴霧灌溉，另外兩塊試驗(yàn)田采用精準(zhǔn)灌溉(LEPA)。

線性移動(dòng)灌溉系統(tǒng)：田間可變灌溉采用一個(gè)295m長(zhǎng)的自行式線性移動(dòng)灌溉系統(tǒng)。該自行式線性移動(dòng)灌溉系統(tǒng)能夠采用兩種不同的灌溉技術(shù)進(jìn)行灌溉。LEPA噴頭每隔3m通過(guò)一個(gè)旋轉(zhuǎn)灑水器和103kPa調(diào)節(jié)器交替灌溉。另一種技術(shù)是使用MESA噴頭，該噴頭配有69kPa調(diào)節(jié)器。

定位系統(tǒng)：全球定位系統(tǒng)用于獲得噴頭的地理位置，用于對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)噴嘴控制和灌溉監(jiān)控。系統(tǒng)安裝在主推車的頂部，隨著灌溉推車在田地上移動(dòng)，不斷更新灑水裝置的地理信息，以便對(duì)不同的作物或地塊進(jìn)行不同的供水。

可變速率灑水噴頭控制：線性灌溉系統(tǒng)采用了由現(xiàn)成組件組成的基本控制和閥門系統(tǒng)。由可編程的邏輯控制器控制30組灑水噴頭。在使用MESA噴頭的情況下，每五個(gè)(15m寬)為一組。氣動(dòng)閥門位于三個(gè)鵝頸管上，為每個(gè)間隔15m的LEPA噴頭供水?？刂齐妱?dòng)閥分為兩組，每組六個(gè)閥門(三個(gè)MESA和三個(gè)LEPA)放置在每輛車上的防風(fēng)雨塑料外殼中。

可編程控制器的軟件設(shè)計(jì)：可編程控制器是一種微型可編程控制器，配備有一個(gè)微處理器和兩個(gè)RS-485通信端口，用于通過(guò)接口電纜進(jìn)行外部通信。一個(gè)用于GPS讀數(shù)，另一個(gè)用于通過(guò)藍(lán)牙適配器向基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。

2.4 基站

基站距耕地約700m。藍(lán)牙無(wú)線天線安裝在基站建筑的東側(cè)屋頂上，并通過(guò)1m長(zhǎng)的延長(zhǎng)線連接到屋頂下的接收器(見圖1)。接收器是一個(gè)適配多種藍(lán)牙的服務(wù)器，通過(guò)一根15m長(zhǎng)的交叉電纜連接到計(jì)算機(jī)。

圖1 基站工作原理

藍(lán)牙接收器從所有傳感站以無(wú)線的方式接收數(shù)據(jù)，并及時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)送到基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)?；九c現(xiàn)場(chǎng)的傳感站和控制站進(jìn)行通信。

WISC軟件使用戶能夠從控制站讀取全球定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，從現(xiàn)場(chǎng)傳感站讀取傳感器數(shù)據(jù)，并向灌溉控制站發(fā)送控制信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的噴灑器操作。WISC程序的算法流程見圖2。該程序首先通過(guò)讀取配置文件和初始化參數(shù)來(lái)初始化系統(tǒng)?？刂泼姘鍖?duì)話由功能控制子例程處理，該子例程讀取輸入?yún)?shù)并檢查通信端口。全球定位系統(tǒng)繪圖對(duì)話框顯示灌溉圖，接收從可編程邏輯控制器讀取的全球定位系統(tǒng)數(shù)據(jù)，處理全球定位系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)傳感器數(shù)據(jù)，以對(duì)單個(gè)灑水噴頭作出決策，將控制信號(hào)寫回可編程邏輯控制器，并更新繪圖顯示。

圖2 WISC軟件算法流程簡(jiǎn)圖

3 試驗(yàn)和結(jié)果

3.1 站點(diǎn)的現(xiàn)場(chǎng)配置

在土壤剖面儀上安裝全球定位系統(tǒng)，用獲得的數(shù)據(jù)繪制了表觀土壤電子能譜圖，見圖3(a)。并通過(guò)分位數(shù)方法創(chuàng)建具有五個(gè)分類的空間地圖。圖3(b)顯示了每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)感應(yīng)站所在五個(gè)不同區(qū)域的土壤電導(dǎo)率從38.2到128毫秒/m的變化。

圖3 土壤剖面儀與基于土壤電子地圖的現(xiàn)場(chǎng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)

3.2 動(dòng)力管理

將無(wú)線數(shù)據(jù)通信電源的待機(jī)模式更改為睡眠模式，每天可以節(jié)約19W·h的電量。為了更方便地打開和關(guān)閉電源，藍(lán)牙電源線被切換到數(shù)據(jù)記錄器的控制端口。控制端口的信號(hào)是高阻抗的數(shù)字晶體管邏輯信號(hào)，該信號(hào)必須被放大才能觸發(fā)作用。采用NZT5073晶體管觸發(fā)藍(lán)牙電源，并設(shè)計(jì)了一個(gè)倒相開關(guān)(見圖4)。

圖4 通過(guò)控制端口觸發(fā)的藍(lán)牙電源開關(guān)設(shè)計(jì)

控制端口觸發(fā)后將提供2min的電源給藍(lán)牙。第一分鐘是用來(lái)穩(wěn)定連接的喚醒信號(hào)，第二分鐘是用來(lái)傳輸數(shù)據(jù)的。在非睡眠模式時(shí)觀察到的電源故障見圖5，可以通過(guò)部署用于睡眠模式的開關(guān)電路來(lái)解決，這造成了電源再充電周期現(xiàn)象(圖5中虛線右側(cè)所示)。

圖5 非睡眠模式(虛線左側(cè))的電源故障和睡眠模式(虛線右側(cè))的穩(wěn)定電源充電周期

3.3 實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控

根據(jù)土壤特性圖[圖3(b)]和監(jiān)測(cè)得到的土壤濕度和土壤溫度，安裝了5個(gè)現(xiàn)場(chǎng)傳感站。在灌溉車上還安裝了一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)氣象站，用于監(jiān)測(cè)微氣象信息：空氣溫度、相對(duì)濕度、降雨量、風(fēng)速、風(fēng)向和太陽(yáng)輻射。藍(lán)牙無(wú)線電天線的高度從50cm改為150cm，從而避免生長(zhǎng)季節(jié)作物冠造成的無(wú)線電信號(hào)干擾。所有現(xiàn)場(chǎng)傳感數(shù)據(jù)每10s掃描一次，每15min無(wú)線傳輸?shù)交尽；窘邮諗?shù)據(jù)并使用軟件顯示現(xiàn)場(chǎng)條件。

3.4 灌溉實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控

利用WISC軟件實(shí)現(xiàn)了對(duì)變量灌溉系統(tǒng)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。WISC軟件顯示了兩個(gè)對(duì)話框：“控制面板”和“實(shí)時(shí)全球定位系統(tǒng)灌溉控制和監(jiān)測(cè)”?！翱刂泼姘濉逼聊桓鶕?jù)時(shí)區(qū)與全球定位系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間進(jìn)行本地時(shí)間轉(zhuǎn)換，并向編程邏輯控制器顯示通信端口的狀態(tài)和編號(hào)。它還能使基礎(chǔ)計(jì)算機(jī)時(shí)間與全球定位系統(tǒng)同步，并實(shí)現(xiàn)了基于全球定位系統(tǒng)行駛距離或時(shí)間的自動(dòng)數(shù)據(jù)保存。

根據(jù)作物類型對(duì)地塊進(jìn)行縮放以顯示邊界網(wǎng)格，并根據(jù)灌溉噴頭類型(MESA為淡藍(lán)色，LEPA為淡綠色)對(duì)每個(gè)地塊進(jìn)行著色。線性灌溉車的當(dāng)前位置顯示在田地頂部邊緣的紅色方塊中。通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線通信，邏輯控制器的響應(yīng)有大約1s的時(shí)間延遲，由于液壓功率轉(zhuǎn)換，噴嘴激活還有3s的額外延遲，線性灌溉車以3cm/s的速度移動(dòng)，由于延時(shí)時(shí)間很短可以忽略不計(jì)。

4 結(jié) 論

用于灌溉噴頭單獨(dú)控制的電子可控系統(tǒng)，由全球定位系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)交?，?shí)現(xiàn)特定地點(diǎn)的灌溉控制。使用的藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)提供了即插即用的通信手段，并通過(guò)使用配備串行通信端口的傳感器和控制器節(jié)省了大量時(shí)間和費(fèi)用，可提供傳輸穩(wěn)定的無(wú)線信號(hào)。WISC軟件提供了可變速率灌溉的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。實(shí)踐證明：藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用可擴(kuò)展到實(shí)時(shí)田間監(jiān)控、自動(dòng)灌溉控制和田間機(jī)械的遠(yuǎn)程操作中。