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在灌溉農(nóng)業(yè)中，采用先進(jìn)技術(shù)不僅可以提高水資源的利用率，緩解水資源增加的矛盾，還可以增加作物產(chǎn)量，降低農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。本論文設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)。系統(tǒng)噴滴灌共存，可適應(yīng)多種作物的灌溉要求，實(shí)現(xiàn)作物的倒茬輪作，起到保護(hù)土壤的作用；高效水肥藥一體化是將灌溉與施肥、灌溉與噴藥融為一體的農(nóng)業(yè)新技術(shù)，可以做到在農(nóng)作物灌溉的同時(shí)，定時(shí)定量的噴灑農(nóng)藥與化肥，有效節(jié)省時(shí)間與人力消耗，降低農(nóng)藥和化肥對(duì)土地的傷害。由于農(nóng)業(yè)覆蓋面大，地形復(fù)雜，操作環(huán)境惡劣，一般的農(nóng)業(yè)設(shè)備無(wú)法適應(yīng)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其高密度、大范圍和強(qiáng)動(dòng)態(tài)特性成為實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息收集和傳輸?shù)挠行Х椒ā１M管無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSNs的單傳感器節(jié)點(diǎn)通信能力有限，但是對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸量小、實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較低的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)，WSNs是實(shí)現(xiàn)信息遠(yuǎn)程傳輸較為經(jīng)濟(jì)的技術(shù)手段。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其工作原理

本系統(tǒng)依據(jù)土壤濕度等參數(shù)運(yùn)行狀況，通過(guò)上位機(jī)遠(yuǎn)程控制供水泵、注肥泵、注藥泵和電磁閥開關(guān)。系統(tǒng)將灌溉與施肥、灌溉與噴藥融為一體，定時(shí)定量的噴灑農(nóng)藥與化肥。工藝流程圖如圖1所示。系統(tǒng)由網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點(diǎn)組成，網(wǎng)關(guān)由電源模塊、處理器模塊、節(jié)點(diǎn)通信模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊以及外圍設(shè)備組成；傳感器節(jié)點(diǎn)由電源模塊、處理器模塊、無(wú)線通信模塊和傳感器模塊組成。網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。系統(tǒng)WSNs采用簡(jiǎn)單、實(shí)用的星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)用戶需要獲取某個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)時(shí)，他只需要向以太網(wǎng)發(fā)送相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)地址和測(cè)試指令。網(wǎng)關(guān)通過(guò)以太網(wǎng)接口從上位機(jī)獲得命令后，將通過(guò)無(wú)線射頻模塊向相應(yīng)的傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送測(cè)試指令。在傳感器節(jié)點(diǎn)接收到命令之后，傳感器節(jié)點(diǎn)將土壤信息（土壤溫度、濕度、含水量以及空氣中CO2濃度、光照強(qiáng)度）和農(nóng)田的營(yíng)養(yǎng)信息沿著與原始路徑相反的方向發(fā)送回上位機(jī)。上位機(jī)獲得土壤信息后，通過(guò)農(nóng)田專家系統(tǒng)制定供水、給肥、給藥的控制策略，通過(guò)上位機(jī)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送命令，網(wǎng)關(guān)根據(jù)約定的幀定義進(jìn)行命令類型判斷并進(jìn)行相應(yīng)的控制動(dòng)作。傳感器節(jié)點(diǎn)示意圖如圖3所示。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點(diǎn)組成，它們是無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本單元和平臺(tái)。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集農(nóng)田土壤信息，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)控制所有傳感器節(jié)點(diǎn)的操作、存儲(chǔ)以及處理相關(guān)數(shù)據(jù)，并控制各種外圍設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用一款基于ARMCortex－M內(nèi)核STM32系列的32位的微控制器（STM32F103C8T6），它提供了兩個(gè)12位ADC、三個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器。射頻模塊采用TI公司生產(chǎn)的CC2430芯片設(shè)計(jì)。CC2430符合2.4GHz的IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)。它還集成了8位微處理器、VCO、LNA、PA和內(nèi)部電源穩(wěn)壓器。為了形成完整的射頻模塊，外圍電路需要32MHZ晶體振蕩器XTAL1為內(nèi)部微處理器提供時(shí)鐘源。RF部分需要提供精確的電感、電容和PCB微波傳輸線，以匹配RF輸入和輸出的阻抗。CC2430的串行端口引腳連接到STM32的UART串行端口引腳。無(wú)線射頻模塊硬件原理圖如圖4所示。獲取影響作物生長(zhǎng)的作物生長(zhǎng)信息和環(huán)境信息是精確作物管理的基礎(chǔ)，在作物生長(zhǎng)、發(fā)育、質(zhì)量和產(chǎn)量方面發(fā)揮著非常重要的作用。因此，為了滿足農(nóng)田多參數(shù)監(jiān)測(cè)的需要，選擇了影響作物生長(zhǎng)的七個(gè)環(huán)境因素，如空氣溫度和濕度、CO2濃度、土壤溫度、濕度、pH值和養(yǎng)分值。由于農(nóng)田監(jiān)測(cè)的惡劣環(huán)境條件和不可控因素的存在，如高溫、高濕度和高太陽(yáng)輻射，所以采用具有抗干擾、防水和耐腐蝕的傳感器，另外還需要小尺寸、方便集成以及低功耗來(lái)延長(zhǎng)其使用壽命。各傳感器特性如表1所示。網(wǎng)關(guān)及外設(shè)電路硬件設(shè)計(jì)在農(nóng)田灌溉區(qū)、面積大、地形復(fù)雜，因此很難使用有線電源為系統(tǒng)供電，所以該系統(tǒng)選擇的電磁閥是脈沖型電磁閥，該電磁閥的主要特點(diǎn)是可以通過(guò)瞬時(shí)脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)電磁閥的切換控制，非常適合農(nóng)田灌溉。本系統(tǒng)采用ULN2003芯片進(jìn)行控制電磁閥的開關(guān)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)可以直接控制繼電器和脈沖式電磁閥，ULN2003芯片采用5V電壓進(jìn)行供電。控制電路部分硬件圖如圖5所示。系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)中的無(wú)線射頻模塊及其硬件原理圖與傳感器節(jié)點(diǎn)中的無(wú)線射頻模塊相同。以太網(wǎng)接口芯片使用美國(guó)Microchip公司的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器ENC28J60。它使用速度高達(dá)10Mb/s的SPI三線接口作為通道，取代了以前的并行接口，方便了與處理器的連接，大大降低了PCB布線的復(fù)雜性。電源硬件設(shè)計(jì)由于本系統(tǒng)高效率低能耗，因此在傳感器節(jié)點(diǎn)以及網(wǎng)關(guān)的處理器處采用太陽(yáng)能18V供電，在網(wǎng)關(guān)控制的外設(shè)采用市電進(jìn)行供電，此搭配可以有效節(jié)約開支，降低產(chǎn)品成本，便于系統(tǒng)的推廣。該部分主要使用正向低壓降穩(wěn)壓器AMS1117－3.3和AMS1117－5.0進(jìn)行3.3V和5V穩(wěn)定電壓輸出。電源硬件原理圖如圖6所示。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用比例電磁閥的調(diào)節(jié)來(lái)維持主管道內(nèi)的壓力，以保證噴灌滴灌系統(tǒng)穩(wěn)定。液體肥以及藥液的濃度分別由比例混合注肥泵和比例混合注藥泵進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，從而達(dá)到精準(zhǔn)灌溉施肥施藥的效果。本系統(tǒng)根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)采用模糊控制算法進(jìn)行調(diào)節(jié)比例電磁閥的開度繼而控制管道內(nèi)的壓力；系統(tǒng)分為傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)，要使兩部分能夠協(xié)調(diào)工作，兩個(gè)系統(tǒng)軟件必須能夠相互配合，相互協(xié)調(diào)；PC端主要的目的是人機(jī)交互，用戶可以通過(guò)PC端監(jiān)測(cè)并且控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，良好的人機(jī)交互是系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提。由于本系統(tǒng)高效率低能耗，因此在傳感器節(jié)點(diǎn)以及網(wǎng)關(guān)的處理器處采用太陽(yáng)能18V供電，在網(wǎng)關(guān)控制的外設(shè)采用市電進(jìn)行供電，此搭配可以有效節(jié)約開支，降低產(chǎn)品成本，便于系統(tǒng)的推廣。該部分主要使用正向低壓降穩(wěn)壓器AMS1117－3.3和AMS1117－5.0進(jìn)行3.3V和5V穩(wěn)定電壓輸出。電源硬件原理圖如圖6所示。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用比例電磁閥的調(diào)節(jié)來(lái)維持主管道內(nèi)的壓力，以保證噴灌滴灌系統(tǒng)穩(wěn)定。液體肥以及藥液的濃度分別由比例混合注肥泵和比例混合注藥泵進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，從而達(dá)到精準(zhǔn)灌溉施肥施藥的效果。本系統(tǒng)根據(jù)前人經(jīng)驗(yàn)采用模糊控制算法進(jìn)行調(diào)節(jié)比例電磁閥的開度繼而控制管道內(nèi)的壓力；系統(tǒng)分為傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)，要使兩部分能夠協(xié)調(diào)工作，兩個(gè)系統(tǒng)軟件必須能夠相互配合，相互協(xié)調(diào)；PC端主要的目的是人機(jī)交互，用戶可以通過(guò)PC端監(jiān)測(cè)并且控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，良好的人機(jī)交互是系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提。模糊控制器設(shè)計(jì)為了保證噴滴灌用水以及施肥施藥濃度，采用模糊控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)田的精準(zhǔn)控制。通過(guò)制定模糊控制規(guī)則控制給水閥門開度，以保證管道壓力穩(wěn)定；通過(guò)調(diào)節(jié)給水比例電磁閥開度實(shí)現(xiàn)給水噴滴灌土壤濕度控制。本系統(tǒng)采用多輸入單輸出的多維常規(guī)模糊控制器，該控制器的輸入變量為主管道的多點(diǎn)管道壓力，輸出量設(shè)定為比例電磁閥的開度u。在模糊控制器中設(shè)其輸入模糊語(yǔ)言變量為e，輸出語(yǔ)言變量為U。將主管道壓力偏差e分為5個(gè)模糊集：{NB，NS，ZO，PS，PB}，對(duì)應(yīng)的物理狀態(tài)分別為{主管道壓力采樣值遠(yuǎn)低于設(shè)定范圍下限，主管道壓力采樣值微低于設(shè)定范圍下限，主管道壓力采樣值在設(shè)定值范圍內(nèi)，主管道壓力采樣值微高于設(shè)定范圍上限，主管道壓力采樣值遠(yuǎn)高于設(shè)定上限}。寫出主管道壓力變化模糊控制規(guī)則如表2所示。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)制定模糊控制規(guī)則如下：（1）當(dāng)主管道壓力采樣值遠(yuǎn)低于設(shè)定范圍下限，將比例電磁閥閥門全開；（2）當(dāng)主管道壓力采樣值微低于設(shè)定范圍下限，將比例電磁閥閥門開；（3）當(dāng)主管道壓力采樣值在設(shè)定值范圍內(nèi)，將比例電磁閥開至半開；（4）當(dāng)主管道壓力采樣值微高于設(shè)定范圍上限，將比例電磁閥開至開；（5）當(dāng)主管道壓力采樣值遠(yuǎn)高于設(shè)定上限，將比例電磁閥關(guān)閉。將輸出即比例電磁閥的開度U分為5個(gè)模糊集為{OF，OB，OM，OS，CL}，對(duì)應(yīng)的物理狀態(tài)分別為{比例電磁閥全開，比例電磁閥大開，比例電磁閥半開，比例電磁閥微開，比例電磁閥關(guān)閉}，比例電磁閥的開度U的論域?yàn)閧0，0.5，1，1.5，2}。得到輸出比例電磁閥開度U的模糊規(guī)則如表3所示。對(duì)模糊推理得到的模糊集合，采用最大隸屬度法對(duì)其進(jìn)行反模糊化。系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)MCU系統(tǒng)程序采用KeilC語(yǔ)言編寫，主要實(shí)現(xiàn)基于Zig－Bee技術(shù)的短距離無(wú)線收發(fā)功能和外圍設(shè)備的運(yùn)行，完成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)功能的管理。系統(tǒng)上位機(jī)以組態(tài)軟件技術(shù)開發(fā)了人機(jī)交互界面，具有手動(dòng)和自動(dòng)切換、動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)參數(shù)值顯示等功能。系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示土壤溫度、濕度和含水量，閥門運(yùn)行狀態(tài)和事故報(bào)警等信息，可切換顯示現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況以及電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。傳感器節(jié)點(diǎn)程序的流程圖如圖7所示，網(wǎng)關(guān)程序的流程圖如圖8所示。

結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)獲取節(jié)點(diǎn)位置的農(nóng)田土壤信息，專家系統(tǒng)可依據(jù)土壤信息等評(píng)估農(nóng)田土壤狀態(tài)并給出相應(yīng)的控制策略，用戶可以根據(jù)農(nóng)田土壤狀況實(shí)現(xiàn)噴、滴灌切換。基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)噴滴灌共存，能夠適應(yīng)多種作物的灌溉需求；有利于實(shí)現(xiàn)作物的倒茬輪作，土壤保護(hù)的作用；灌溉與施肥、灌溉與噴藥融為一體，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉施肥、施藥，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉自動(dòng)化。

作者：荊黎明 徐穎 侯強(qiáng) 田思慶 單位：佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院