冯 伟
利用无线传感网络获取田间的环境变化信息配合GPRS模块来将数据传送到远端主机电脑上,逐渐取代了传统有线或区域网络,来即时监控预防防止旱害发生。由于农作物不同时期的灌溉水量不同,不同地方的农作物的需水量不同,设计并实现了基于Zigbee和GPRS的农业灌溉系统,该系统具有系统管理、环境监测管理、灌溉管理、统计查询、报警管理等功能。通过系统的实施可以提高服务农民和农业的水平,为农民增产增收提供技术支持,可以能够有效地减轻了农业工作人员的负担,能使灌溉工作更加便捷化、智能化、高效化、规范化,可有效推进灌溉工作的新型发展。
由于传统的数据收集是由工作人员去现场拿回记录器来解读,而这些现场可能地处偏远或交通不便的地方,造成数据的收集既费时又费力,这些数据若是具有时效性,传统的做法就显然不符合需求,这就成为研究准备发展远端灌溉系统的动机。远端监控系统的预警设备大多设置于主控端,主控端与监测端不在同一个位置,可能会因通讯问题而产生错误警告,致使灌溉系统无法发挥预期作用,所以除在主控端设有通信设备外,还要在远端数据收集器上设置通信设备,增加系统的可靠度。而由于远端数据收集模块可能设置在偏远地区,无法经常更换电池,故须有太阳能板来对其电池进行充电,以维持系统正常运转。
图1是以GPRS和Zigbee为基础的通讯系统方块图,监控主机位于后端监控中心,GPRS模块经由RS-232与PC连接,GPRS收发控制模块负责监控端的命令发射与数据接收,当控制中心由GPRS收发控制模块拨通至监控端GPRS收发控制模块时,监控中心即可获得监控地的实时的数据。西南地区电信比较强。监控中心与数据的收发都须经过电信公司基地台的放大与传送。
远程监视系统主要负责向用户提供土壤水分显示,实时环境监测数据,历史数据查询,报警信息设置,以及报警等功能,现介绍以下几种功能:(1)进入监视系统需要用户名和密码;(2)主界面显示,将各个块的采集节点采集到的信息显示到界面上,方便用户进行观察;(3)历史数据查询,点击不同的地区,会显示该块自采集节点安装好之后采集的所有数据;(4)报警信息设置,对于农作物不同时期对水量需求的不同,可以对报警信息进行设置,当低于标准值时会发出报警;(5)发送报警信息,当土壤水含量小于或大于标准值时,首先主界面报警块会变色,然后向工作人员手机发送报警信息。
GPRS无线数据收发器是一款可独立运作的设备,运用简单,让各种远端设备能快速有效地通过GSM/GPRS与Internet相互通讯。搭配GPRS网关软件在客户端跟远端设备端中间建立一个通顺的GPRS数据传递通道,方便连接各种远端设备,达到数据收集及双向传递沟通的目的。
该研究仪器采用无线网络传感ZigBee产品。应用机器对机器的无线通讯产品(M2M),同时通过Mesh、Star、Cluster-tree等弹性网络拓扑,更提升网络拓扑的安全性,充分满足各种不同距离下无线应用的需求。ZigBee除了可利用拓扑路径或点对点方式进行短距离数据传输,ZigBee的节点也可直接与GPRS仪器连接,进行远距离无线数据传输搭配整合,具备控制器的功能提供数据交换,并可与所有其他设备通信且控制。
采用自动灌溉,土壤内部水分分布较为均匀,使土壤水分达到农作物生长的适宜条件,有利于农作物的生长,而且只限于在作物附近土壤进行灌溉,减少了水分的流失浪费,灌溉系统同样可以与施肥结合在一起,直接把化肥的养分输送到植物的根部附近,在减少水分流失的同时,也能使化肥少量高效运用,以达到科学少肥、高效低碳的目的。自动灌溉系统实现了自动化控制,大大减少了人力物力。
远程灌溉系统由远程监控系统和灌溉设备组成,灌溉控制主要是由电磁阀控制,远程监控通过Internet网络与灌溉设备的GPRS模块进行连接,远程监控系统接受传感器节点采集的土壤含水量值,低于标准值的时候进行报警,监控系统处理后,通过监控系统编制的接口程序可以实现与灌溉系统的接口进行命令的发送,向灌溉设备发送命令,进行远程灌溉控制。
本文通过远程灌溉控制来进行灌溉,根据设定好的土壤含水量标准值和土壤含水量传感器当前采集到的土壤含水量的值由模糊控制算法进行计算得出灌溉量并进行自动灌溉。整套系统包含了可以提供系统操作人员检视干旱Profile线图以及土壤干旱预警分析的数据显示模块、可将土壤干旱相关数据储存至数据库的数据处理模块、提供系统操作人员设置土壤基本数据的数据设置模块、管理储存于主电脑的各种数据的数据库管理模块,最后,当系统操作人员使用土壤数据分析系统时,同样需要有一窗口界面可以很轻易地提供给操作者使用,因此,最后还有一个接口整合管理模块用来统合上述所有的软件模块,负责连接各项模块功能,当操作人员欲执行某个工作选项时,只需执行相对的选项即可。在土壤诊断系统中,本文所涉及的主要四项干旱预警机制定义为:
式中:Ttransformer—土壤含水量;
Tcal—正常含水量对照值;
Tthreshold—含水量门槛值;
Tout—大气含水量;
Trise1—绝对含水量门槛值;
Trise2—比例含水量门槛值;
ηrated—额定含水量门槛值。
上述中的含水量门槛值(Tthreshold)、绝对含水量门槛值(Trise1)、比例含水量门槛值(Trise2)、及额定含水量门槛值(ηrated),这四项门槛值参数为土壤在进行干旱预警程序处理时的重要判断条件。针对这几项干旱预警机制的设计方式做以下介绍:
图1 以GPRS通讯系统为基础的监控系统方块图
不论在任何外气含水量或土壤干旱百分比的情况下,当土壤含水量小于90×103m3且连续维持一段时间的情况时,土壤即已经进入到危险区域,随时都有毁损的可能性。故当此状况的预警机制连续维持N1个取样时刻时,则土壤即有干旱疑虑,因此,所设计的Tthreshold预设值设置为 90×103m3,N1的预设值设为 4,即此状况连续维持60min即产生预警。
根据土壤灌溉规范,当土壤含水量减去外气含水量若超过60×103m3时,则土壤即有干旱的情况发生。故当此状况的预警机制连续维持N2个取样时刻时,则土壤即有干旱疑虑,因此,所设计的Trise1预设值设置为55×103m3,使其达到预警的效能,N2的预设值设为4,即此状况连续维持60min即产生预警。
上述两项预警机制在干旱端为重载的情况时,是有可能会触发的预警机制,不过在轻载的状况下要发生该情况却是不容易的。因此,在设计理念上,第三条预警机制主要是针对轻载的土壤,若在含水量30×103m3、土壤50×103m3的干旱百分比时,其正常的含水量应为40×103m3左右,其含水量已超过正常含水量一个范围时,该土壤其实已有干旱的可能性。此状况连续维持N3个取样时刻,此土壤即有干旱疑虑,所设计的Trise2预设值设置为20×103m3,使其达到预警的效能,N3的预设值设为4,即此状况连续维持60min即产生预警。
该研究已成功发展出远端无线干旱预警与灌溉系统技术,利用ZigBee技术来监控环境变化,在干旱环境模拟试验中,依据干旱不同的状态拟定出其供水策略,若水源在受限制的情况下,其控制策略可在当干旱开始发生时,即时提供第一段供水处理,来达到最少用水量的效果■