基于无线传感器的棉田土壤墒情监控系统设计

方 圆,张立新,2,胡 雪,2,杨洪坤,陈可圣,王有伟

(1.石河子大学 机械电气工程学院,新疆 石河子 832000;2.兵团工业技术研究院,新疆 石河子 832003)

0 引言

棉花是我国种植业中产业链最长的大田经济作物,商品率高达95%以上[1],作为新疆主要的大田农作物,对新疆农业的生产和经济的发展有着举足轻重的作用[2]。新疆农业用水占到全社会用水量的 95%,水资源十分紧缺,大力发展节水灌溉至关重要[3]。许多学者针对棉田的灌溉和水资源利用开展了大量研究。吴程等[4]对棉田土壤水分特征进行了分析,得出棉田苗期、蕾期、花铃期、吐絮期的耗水强度分别为0.63、2.62、7.01、0.71mm/天。朱李英等[5]研究表明：田间持水量在 50%～80%范围内对棉花的生长比较适宜。目前,棉田的主要灌溉方式为滴灌,通过人工控制滴灌时间和滴灌量,不仅耗时费力,还达不到精细种植,影响棉花的产量。所以,对棉田土壤的含水率进行实时监测,并通过控制智能水阀维持田间含水率十分必要。

无线传感器网络是一种自组性的、低成本的无线网络,传感器终端节点能够实时监测网络分布范围内的被监测对象的相关信息,并通过无线传输的方式接收和发送数据信息。利用无线传感器和ZigBee模块等构建的无线传感器网络可应用于水产养殖、矿井开采、环境监测和智慧农业等多个领域。Minghua Shang等[6]利用无线传感器开发了一种综合性能明显优于传统的温室监测系统。Xi Wang等[7]利用ZigBee模块和RS232串行端口等构建了农业无线温湿度传感器网络。邢秋芬等[8]运用VB语言设计研发了农业温室大棚的无线网络温湿度数据采集与监测系统。邓芳明等[9]设计了一种基于无源射频识别(Radio frequency identification,RFID)传感标签,将无线射频和无线传感器结合应用于农田土壤环境的监测。宋晗[10]设计了基于ZigBee的土壤墒情自动监测系统设计,以MSP430F149为微控制器对土壤数据进行实时监测。本文设计了一种基于无线传感器的棉田土壤墒情监控系统,采用无线传感器实时监测土壤的温湿度信息,利用ZigBee模块和GPRS模块实现数据信息的近远程传输,通过上位机界面以波形图的形式直观显示土壤温湿度,并将数据信息以数据表格的形式存入SQL数据库中,单片机通过驱动电路控制智能水阀,保证棉田土壤的含水率。本系统具有成本低和布置简单、灵活的特点,实现了棉田土壤温湿度信息监测、控制及数据管理等功能,有利于新疆智慧农业的实现。

1 系统设计

基于无线传感器的棉田土壤墒情监控系统包括硬件系统和软件系统两个部分：硬件系统由无线温湿度传感器、单片机、智能水阀、ZigBee模块、电源模块、网关和上位机组成,主要用于棉田土壤温湿度数据的监测、处理与智能水阀开关的控制,并将采集到的数据通过ZigBee网关发送给上位机;软件系统主要用于含水率数据的实时监测和智能水阀的开关控制,使用LabVIEW建立显示界面以波形图的形式直观展现土壤含水率和温度,并对采集信息和灌水记录存入SQL数据库,便于数据的查询与追溯。系统基本功能包括含水率和温度的实时监测与显示、智能水阀的开启与关闭,以及温湿度数据和灌水量的统计。基于无线传感器的棉田土壤墒情监控系统结构,如图1所示。

图1 系统总体结构图Fig.1 System structure diagram

系统主要包括传感节点、ZigBee网关和上位机应用3个部分,由基于ZigBee模块的无线温湿度传感节点和ZigBee网关实现数据的传输与通信。传感器节点与ZigBee网关通过ZigBee模块进行近距离无线通信,ZigBee网关与上位机之间通过网关内置的GPRS模块进行远距离的数据传输。采用无线温湿度传感器实时采集棉田土壤含水率和温度信息,并由单片机进行数据处理和控制智能水阀开关;通过ZigBee模块将信息传输至网关,传感器节点由太阳能电池模块提供电源,完成棉田土壤含水率监控。为了充分利用水资源、减少资源浪费,设定土壤含水率的下限为50%,上限为80%。当土壤含水率低于设定的下限值时单片机通过驱动电路控制智能水阀开启,当含水率高于设定的上限值时,单片机通过驱动电路控制智能水阀关闭,实现棉田土壤含水率的精准控制。

2 传感节点的设计

2.1 硬件选型

基于无线传感器的棉田土壤墒情监控系统主要硬件包括温湿度传感器、单片机、智能水阀、ZigBee模块、电源模块、ZigBee网关和上位机,部分硬件实物如图2所示。

图2 部分硬件实物图Fig.2 Some hardware physicalPhoto

传感器采集的信息对棉田土壤墒情监控系统至关重要,本文选用SHT20无线传感器模块,湿度测量精度达到±2% RH、量程为0～100%RH,温度测量精度达到±0.3℃、量程为-40～125℃,符合系统采集要求。该模块基于数字传感技术,具有低能耗、抗干扰能力强和较高稳定性等优点。

ZigBee模块选用型号为DL20的CC2530芯片,具有8种不同的波特率,可以实现点对点双向收发,发射功率达4.5DBm,最远通讯距离为250m,适用于新疆恶劣的农田环境。根据新疆的实际温湿度情况和系统要求,选用工业级的STC51单片机作为传感器节点的处理器,传感器模块采集的信号直接传送至单片机,经单片机数模转换、滤波后,通过ZigBee模块无线传输至ZigBee网关。选用致远公司研发的ZBNET-300C-U网关作为数据汇聚点,该设备是一款工业级标准设计装置,可实现ZigBee模块数据传输和远程控制,其测量范围覆盖半径可达2.5km,适用于新疆大田种植模式。

2.2 无线网络设计

无线传感网络是由大量部署在田间的传感节点和网关及上位机组成,实时监测土壤温湿度信息,并根据采集的数据智能控制水阀的开关。系统ZigBee网络的拓扑结构采用网状网,各传感器节点之间均双向通信,是具有自愈性和多跳的组织网络。ZigBee是遵循IEEE802.15.4标准的低功耗通信协议,无线网络协议包括MAC层、网络层和应用层,每层的函数均基于IEEE802.15.4标准,并严格按照Zig-Bee2007协议规范进行编写[11]。在无线传感网络中,为了实现无线网络的覆盖,同时尽可能减少传感节点能耗和数量,将少部分传感器节点充当协调器节点,采集传感器节点数据,并收发其它传感器节点传送的数据;其余大部分传感器节点只负责数据的采集,并将数据信息传送给最近的协调器节点,降低终端传感器节点的能耗,如图3所示。协调器节点和终端节点结构相同。

图3 传感器节点结构图Fig.3 Sensor node structure diagram

基于ZigBee无线网络协议组建Mesh网络,所有传感节点数据信息最终发送到ZigBee网关,由ZigBee网关将全部数据信息通过GPRS模块远距离发送至上位机。通过协调器节点建立无线网络并管理其它传感器终端节点的网络申请请求和网络地址分配,构建无线传感网络,实现了整个系统的数据信息采集、处理和双向传输。传感器节点程序流程图如图4所示。

图4 传感器节点程序流程图Fig.4 Sensor node program flow diagram

2.3 智能水阀控制

智能水阀采用球阀开关,水阀与单片机连接,单片机通过驱动电路控制水阀的开启与关闭,由太阳能电池提供电源。设定土壤含水率的下限为50%hr,上限为80%hr,并将传感器采集的湿度数据与设定的值进行比较：当传感器监测的含水率达到下限阈值时,单片机控制球阀开启,自动进行棉田灌水;当含水率达到上限阈值时,单片机控制球阀关闭,保证在满足棉花生长条件下,实现精准灌溉、精细农业,进而达到节约水资源的目的。

3 上位机的监控界面设计

Labview(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是一种图形化编程语言的程序开发环境,具有强大的灵活性和直观的逻辑概念。Labview采用连线的方式进行程序编写,简单易学易调试[12],用户可以根据自己的需要轻松建立相应的虚拟仪器,图形界面比传统的语言编程更容易理解和验证[13]。

本试验利用NI LabVIEW 2016软件编写上位机登录界面和监控界面(见图5和图6),并利用SQL sever 2008软件建立温湿度信息库和灌水量记录数据库。把采集的温度和湿度以波形图的形式直观地显示出来,用户可以通过监控界面实时获知当前土壤温湿度数据和变化趋势等信息,并通过LabVIEW中的LabSQL模块实现与SQL数据库通信,把温湿度信息和灌溉记录等数据存入数据库中,便于数据的追踪溯源。

图5 监控系统登录界面Fig.5 Login interface of monitoring system

图6 监控界面图Fig.6 Monitoring interface diagram

4 系统整体试验

4.1 试验设计

无线传感器采集数据的精确性直接影响灌溉决策,为了验证无线传感器的采集精确度和系统通信的可靠性,对系统整体性能进行试验。试验方案是设计6个传感器节点以六边形规则化部署于棉田灌溉试验区,选取其中1个传感器节点作为协调器节点,其余5个为终端传感器节点。根据棉花最大根长密度在20～30cm处[14],把无线温湿度传感器埋于土下20cm处,将ZigBee网关置于六边形中心位置,组建无线传感网络,实现土壤含水量监控;并将采集到的数据信息通过无线网关远程发送至上位机,通过显示界面以图形的形式实时直观显示,将数据以表格的形式通过LabSQL模块存入数据库中。采集此时刻的少量土样,用机械温度计测量样品温度,称重后装进铝盒放入烘箱中,以105 ℃烘干至恒重。将机械温度计测得的温度和烘干法测得的湿度值作为标准值,与此时刻的测试值进行比较,以计算本文所设计的无线温湿度传感器的误差。湿度计算公式为

(1)

其中,C为土壤含水率(%),Mb为烘干前总质量(g),Ml为烘干后总质量(g)。

4.2 实验结果

表1为湿度试验数据,表2为温度试验数据,图7为监控界面波形显示图。由表1可看出：本文设计的基于无线传感器的棉田土壤墒情监控系统试验得到的湿度测量值与标准值之间的最大绝对误差不超过0.6%RH,温度测量值与标准值之间的最大绝对误差不超过0.3℃,符合田间实用要求,可为灌溉决策提供精准的监测数据,保证棉田土壤温湿度在一个适宜棉株生长的范围内。

表1 土壤湿度试验数据Table 1 The humidity experimental data of soil %RH

表2 土壤温度试验数据Table 2 The temperatureexperimental data of soi ℃

图7 监控界面波形显示图Fig.7Monitor interface waveform display diagram

5 结论

设计了一种基于无线传感器的棉田土壤墒情监控系统,采用无线传感器和单片机对土壤温湿度进行实时监测,利用ZigBee模块和网关中的GPRS模块实现采集数据信息和上位机命令的双向通信,实现对棉田土壤温湿度的实时监控。设定适宜的棉田含水率上下限阈值,通过控制智能水阀的开关,为棉株生长提供适宜的棉田环境,达到节约用水、增加棉花产量、精细农业的目的。系统软件部分利用C语言作为开发平台,对单片机芯片进行程序设计,利用NI LabVIEW 2016和SQL sever 2008等软件,对监测的数据信息以波形图的形式直接形式直观显示于监控界面并以数据表格的形式存入SQL数据库中,为用户查询棉田温湿度情况和灌水记录提供了方便。通过对无线温湿度传感器精度试验,验证了系统的准确性和适用性。