基于6LoWPAN的水肥一体化滴灌系统设计

胡 国 强

(西北农林科技大学网络与教育技术中心，陕西 杨凌 712100)

众所周知，中国农业用水资源短缺及用水浪费现象非常严重，是目前中国在农业灌溉方面所面临的严峻问题。相关研究表明，当前灌溉水利用系数低，农业用水的有效利用率仅为43%左右，远低于欧洲等发达国家70%～80%的水平[1]。与此同时，化学肥料的利用率低，施用后没有被作物吸收利用的肥料大量进入环境，对环境造成污染，不仅破坏了土地资源，而且对人类健康也构成了威胁[2,3]。水肥一体化技术是将灌溉与施肥融为一体的农业新技术[4]，不仅能有效提高水肥的利用效率，减少资源浪费，同时提高了农作物产量，节约了劳动力。

目前，国内已有专家和学者对精准灌溉的课题开展研究，严寒和严华利用CAN和ZigBee技术实现了农田自动化滴灌系统[5]；杨婷和汪小旵基于ZigBee无线传感网络设计了自动滴灌系统[6]；贾艳玲和刘思远在葡萄园中利用ZigBee技术设计了智能灌溉系统[7]；赵荣阳等对ZigBee的智能农业灌溉系统进行了研究[8]；安进强等对基于物联网的精确灌溉控制技术进行了研究[9]；袁志强等设计了应用于农业喷灌系统的无线传感网络[10]；李加念和倪慧娜实现了基于无线传感器网络的小粒种咖啡园滴灌自动控制系统[11]；汪金营将温室农作物自动滴灌测控系统应用在节水灌溉领域[12]；Krishna N. M.和Marutheswar G. V.实现了基于GPRS和ZigBee的自动灌溉监控系统[13]；Yavuz D.等设计并实现了可提高马铃薯产量的滴灌管理系统[14]；Mathew A. I.和Kumar R.利用无线传感器网络、物联网和云计算相结合的方法实现了滴灌管理系统[15]。以上研究都是利用各种技术实现精细化灌溉系统，现在国内已使用的远程灌溉系统普遍使用ZigBee协议来传输采集的数据，导致现有的远程灌溉系统传感节点能耗高，整个传输网络延迟大。针对现有远程灌溉系统的不足，选用6LoWPAN技术构建精细化灌溉系统。

随着IPv4地址的耗尽，IPv6是大势所趋。物联网技术的发展，将进一步推动IPv6的部署与应用[16]。IETF 6LoWPAN技术具有无线低功耗、自组织网络的特点，是物联网感知层、无线传感器网络的重要技术，ZigBee新一代智能电网标准中SEP2.0已经采用6LoWPAN技术[17]，随着美国智能电网的部署，6LoWPAN将成为事实标准，全面替代ZigBee标准。6LoWPAN支持与其他802.15.4设备的互通，同时通过简单的桥设备很容易与其他IP网络的互通。ZigBee网络和非ZigBee网络之间的通信需要非常复杂的应用层网关。

鉴于6LoWPAN无线传感网络的优势，提出一种基于6LoWPAN的水肥一体化智能滴灌系统。该系统将6LoWPAN传感器网络应用于土壤湿度与温度的监测和电磁阀的控制，用户可以通过上位机软件实时获取土壤环境数据，及时对农作物进行水或水肥灌溉，以保证农作物的产量和品质。

1 系统设计

1.1 系统实现的主要功能

(1)土壤湿度和温度的采集和传输。终端用户可以通过互联网登录上位机软件查看采集的信息。

(2)点到点的数据访问和控制。用户不仅可以实时监测土壤湿度和温度信息，而且可以对传感器节点的电磁阀进行控制。

(3)土壤湿度异常时及时告警并打开电磁阀进行水或水肥灌溉。

1.2 系统的总体结构

系统按照功能分2大部分：滴灌管网和基于6LoWPAN的WSN智能滴灌。

滴灌管网设计如图1所示，水泵经过主管将水或水肥输送到各个毛管，毛管上安装电磁阀，控制灌溉。电磁阀、土壤温湿度传感器集成在6LoWPAN传感节点上。

图1 滴灌管网Fig.1 Drip irrigation pipe network

基于6LoWPAN的WSN智能滴灌部分可划分为3个模块。

(1)6LoWPAN 网络。由6LoWPAN传感节点和边缘路由器组成，用于采集环境数据或者根据后台指令执行具体的操作。

(2)传输网络。用于感知数据远程传输，将监测的数据通过互联网进行传输。

(3)终端用户。在PC或手机上安装上位机软件管理智能滴灌系统的人员。

具体设计如图2所示。6LoWPAN无线传感器网络由6LoWPAN传感器节点组成，每个节点均可配置IPv6地址，采用树形组网方式。6LoWPAN无线传感器网络通过6LoWPAN路由器将监测的数据传输到移动互联网，用户可通过互联网与传感节点进行点到点通信，实时监测土壤湿度和温度数据及远程控制灌溉。

主要设计6LoWPAN的WSN智能滴灌部分，分为硬件设计和软件设计。

图2 系统总体架构Fig.2 Overall system architecture

2 智能滴灌系统硬件设计

2.1 6LoWPAN传感器节点硬件设计

传感器节点由RF收发器、微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)、电磁阀和传感单元4部分组成，具体设计如图3所示。

图3 传感节点硬件架构Fig.3 Sensor node hardware frame

选用的处理器为ARM Cortex-M3，MCU高达48 MHz 的时钟速度，512 KB闪存，32 KB缓存 。RF收发器采用CC2538芯片，它支持2.4 GHz射频和IEEE 802.15.4协议。电磁阀选用脉冲电磁阀，其脉冲宽度30 ms，工作压力0.02～1.00 MPa。传感器采用土壤温湿度传感器，其输出电压为0～2 V，输出电流为4～20 mA，支持RS485通信。

传感单元感知土壤环境数据后发送到传感节点的MCU处理，处理后经过RF收发器发给6LoWPAN路由器。传感器节点通过RF收发器接6LoWPAN路由器的数据包，MCU对数据包进行处理后发送命令给传感单元或发送控制命令给电磁阀进行灌溉。

2.2 6LoWPAN路由器硬件设计

6LoWPAN路由器设计的时候要考虑到6LoWPAN子网和IPv4/IPv6网络互联。6LoWPAN路由器采用支持IPv4/IPv6的双USB接口的OpenWrt路由器，它通过2个串口与6LoWPAN协议的传感节点和WIFI模块连接。设计好的综合网关应有基本协议解析功能，包括6LoWPAN协议以及IPv6和IPv4 协议栈。本平台中的网关的硬件框架包括3个组成部分：支持6LoWPAN协议的路由节点、WIFI模块、OpenWrt路由器，如图4所示。

图4 6LoWPAN路由器硬件框架Fig.4 6LoWPAN Router hardware frame

OpenWrt路由器和WIFI模块的硬件配置如下。

(1)OpenWrt路由器。 CPU MediaTek MT7620A MIPS 24 K 580 MHz，FLASH 128 MB，DRAM内存为256 MB ，支持802.11 b/g/n。

(2)WIFI模块。支持 802.11 b/g/n协议，工作频率为2.4～2.5 GHz，工作电压为3.0～3.6 V。

3 智能滴灌系统软件设计

3.1 6LoWPAN传感器节点软件设计

无线传感器节点和边界路由器6LoWPAN模块移植Contiki操作系统，Contiki是一套物联网开源操作系统。其中基于Contiki的 SICSlowpan以其开源、可移植性好、超轻量级、长期维护等优势得到了广泛关注，SICSlowpan符合RFC4944标准，实现了头部编码压缩片、地址分配等功能，具有较好的互操作性[18]。

传感器节点加电后，Contiki系统开始初始化，处于监听边缘路由器的状态。边缘路由器一旦通过6LoWPAN无线传感器网络发送来数据包，传感器节点就对该数据包进行解析。解析结果是采集土壤湿度指令，传感器节点就采集土壤湿度，将当前传感器状态信息和采集信息通过RF射频模块发送给边缘路由器；解析结果如果是控制电磁阀的指令，传感器节点将会控制所连接的电磁阀，将最终状态信息通过RF射频模块发送给边缘路由器[19]。传感器节点软件设计流程图如图5所示。

图5 传感节点软件设计框架Fig.5 Sensor node software design flow diagram

3.2 6LoWPAN路由器软件设计

边缘路由器上电初始化之后，处于监听UDP端口信息状态，等待上位机软件发来指令。一旦接收到上位机发送的指令，先解析数据包，解析后的数据包由边缘路由器的RF射频模块向6LoWPAN无线传感网络发送数据报文。在设置的时间段内，不管6LoWPAN无线传感网络有没有响应边缘路由器[19]，边缘路由器都会将响应状态通过WLAN网络发送给上位机软件。边缘路由器软件设计流程图如图6所示。

图6 6LoWPAN路由器软件设计流程图Fig.6 6LoWPAN router design flow diagram

3.3 上位机软件设计

3.3.1 上位机软件设计的原则

(1)出于节能的考虑，采用UDP(User Datagram Protocol)协议来传输数据。系统采用IP地址+端口号的方式标识不同的感知和控制服务。

(2)支持多终端访问，用户可以通过不同的终端来访问，如PC、安卓手机、苹果手机等。

(3)软件运行稳定，管理界面直观。

3.3.2 上位机软件实现

基于设计原则考虑，采用LabVIEW程序开发环境实现。LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一种图形化的编程语言的开发环境[20]，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。研究利用LabVIEW创建Web Service 服务，用户可以通过在浏览器上输入 URL来请求Web Service服务以获取智能滴灌系统VI。

Web Service 服务创建流程：

(1)启动LabVIEW网络服务器及Web service。

(2)在LabVIEW项目创建智能滴灌系统VI。

(3)设定URL请求对应表，指定何种URL会执行那些VI。

(4)生成调试好的Web Service后，将其部署于服务器。

用户通过终端获取智能滴灌系统VI可远程实时监测土壤湿度和温度数据或控制6LoWPAN传感器节点集成的电磁阀进行灌溉。

4 系统试验验证

4.1 6LoWPAN网络与IPv4网络互通试验

在实验室随机设置一个节点，节点IPv6地址为FC00::0212:4b00:053d:7789。该节点开启了2个任务，占用2个端口，其中5683是CoAP协议使用的端口，12346端口作UDP传输用。6LoWPAN路由器IPv6地址为FC00::0212:4b00:0612:8e25，从校园网获取IPv4地址210.27.82.231。传感节点加入6LoWPAN路由器创建的6LoWAPN网，如图7所示。

图7 6LoWPAN路由器串口显示图Fig.7 6LoWPAN Router serial display

为了方便用户通过IPv4网络访问，在网关上作了NAT64转换。测试机从校园网获取IPv4地址(210.27.82.130)，通过CoAP协议访问，如图8所示。

图8 CoAP访问6LoWPAN路由器Fig.8 CoAP access 6LoWPAN router

该试验说明，6LoWAPN网络搭建成功，在IPv4环境下用户可以通过CoAP协议访问6LoWPAN路由器，即6LoWPAN网络与IPv4网络可以相互通信。

4.2 实验室环境系统运行试验

在实验室环境下，随机设置2个6LoWAPN节点，将温度传感器和土壤湿度传感器、脉冲电磁阀连接到传感节点的引脚上，将3个传感器对应的驱动写进6LoWAPN节点的Contiki系统，配置Contiki系统的IPv6地址。安装上位机软件的PC机直连6LoWAPN路由器，用户通过上位机管理软件每隔6 s发送请求来获取土壤湿度和温度数据。节点1的土壤温湿度传感器插进花盆1，节点2的土壤温湿度传感器插进花盆2，试验结果如图9所示。

实验表明，该系统能实时监测坏境温度和土壤湿度，可以在上位机软件设置监测范围，土壤湿度异常时，可以控制电磁阀灌溉。

图9 系统试验结果Fig.9 System test results

5 系统测试

在温室大棚环境下，随机布置一个6LoWPAN传感节点和一个ZigBee传感节点，两个节点都连接好土壤温湿度传感器和电磁阀。在其附近部署一个无线综合网关，上面集成6LoWPAN模块和ZigBee模块，安装LabVIEW软件的笔记本通过WIFI访问无线综合网关，测试拓扑如图10所示。

图10 测试拓扑Fig.10 Test topology

打开安装LabVIEW软件的笔记本，可以从综合网关获取IPv6地址，然后通过ping命令获取到6LoWPAN传感节点的传输时间。ZigBee滴灌系统的传输时间由2部分组成，即笔记本和综合网关之间的传输时间和ZigBee节点之间ZigBee协调器的传输时间。分别记录4组不同距离且3个不同位置2套网络之间的传输时间，ZigBee滴灌系统传输时间如表1所示，6LoWPAN滴灌系统传输时间如表2所示。

对比测试结果，6LoWPAN滴灌系统传输时间比ZigBee滴灌系统传输时间短，系统时延小。

表1 ZigBee滴灌系统传输时间Tab.1 Transmission time of ZigBee drip irrigation system

表2 6LoWPAN滴灌系统传输时间Tab.2 Transmission time of 6LoWPAN drip irrigation system

6 结 论

设计了一套基于6LoWPAN无线传感器网络的水肥一体化智能滴灌系统，该系统将WSN通过6LoWPAN路由器的WIFI模块直接接入IPv4/IPv6网络，实现了6LoWPAN网络跟IPV4/IPV6网络的互相通信，用户可以远程获取农作物土壤温度和土壤湿度数据并通过控制电磁阀以保障土壤湿度数据在设定范围内。测试结果表明，基于6LoWPN的WSN与IPv4/IPv6网络可以相互通信，系统能准确获取土壤温度和湿度数据，6LoWPAN滴灌系统时延小。

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