基于物联网的水田无线监控系统设计

2018-03-28 00:49吴泽全东忠阁刘立强

农机化研究 2018年3期

吴泽全，东忠阁，刘立强

(黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081)

0 引言

黑龙江省水稻种植面积400万hm2左右，灌溉用水量巨大，2015年达300亿m3，占农业用水量的90%以上。以水稻节水灌溉控制为主的相关技术推广应用对水资源的有效利用具有十分重要的现实意义[1-3]。现阶段寒地节水灌溉模式日益普及应用，亩均用水量显著降低，但仍然普遍存在着人为控制的随意性与不确定性问题，无法根据实时环境信息与作物各生育期不同需求进行精准控制，制约着用水效率的进一步提高。随着物联网技术的发展，无线采集与远程控制技术越来越多地应用到节水灌溉系统中，分布在田间的多点液位传感器与温湿度传感器，定时检测水层深度和环境信息参数，通过ZigBee无线网络传输到远程控制终端；终端自动或人为诊断后，发送决策指令到灌溉控制器；控制器接收指令并结合传感器信息，进行水田自动补水与断水[4-5]。

本文以两块100m×40m的水田地块作为试验对象，研究并设计一套基于物联网技术的水田监控系统，通过传感器的融合、远程决策的生成与输出及水泵与阀门的控制，实现对水田灌溉时间、次数、定额的全面调控。

1 设计方案及结构

1.1 总体结构

水田无线监控系统由远程终端、控制器、ZigBee无线网络、传感器及水田地块组成，系统结构如图1所示。远程终端为用户手机及APP，用于数据显示与控制决策的生成(自动或手动)；ZigBee网络包括1个主节点和5个子节点，主控节点一端通过GSM网络连接远程终端，一端作为协调器连接ZigBee各网络子节点，负责数据流与控制流的路由与传输；控制节点包括水泵控制器与电磁阀门控制器；传感器节点包括土壤温湿度传感器、环境信息传感器(空气温湿度、风速、光照等)与液位传感器。

1.水泵 2.水渠 3.阀门 4.温湿度传感器 5. 液位传感器图1 系统结构Fig.1 System structure

1.2 ZigBee网络结构

ZigBee无线技术简单高效，网络容量大，组网灵活多样，支持星形、树形和Mesh网络等多种拓扑形式。基于ZigBee强大的组网能力，可将水田无线监控系统中各路传感器、控制器及终端无线连接起来，且具有较强的自组织性、扩展性和稳定性。

根据项目实际需要，选择Mesh网状网络作为系统的网络拓扑架构，如图2所示。该网络结构由1个协调器、多个路由器和多个终端节点组成，主要优点为：自配置能力强，路由与终端节点可自由增添删减，其它节点自动适应拓扑变化，调整通信路由，实现多跳访问；功耗低，由于邻近节点间可直接通信，短跳传输距离短，传输数据的功率较小。

图2 网络拓扑结构Fig.2 Network topology

节点0为主控节点，作为协调器，集成了GSM模块与ZigBee模块，是网络的起点，维护着整个网络的路由与地址表格，保证通信正常；节点01为水田地块1中靠近主控节点的土壤温湿度一体化传感器，集成了ZigBee模块、采集转换模块与温湿度检测模块，以ZigBee路由器模式，与主控节点通信，并实现其它节点的消息转发；节点02为水田地块1中的阀门控制器，该节点连接终端节点1(水泵控制器)和终端节点2(环境信息传感器)；节点03为水田地块1中第2个土壤温湿度一体化传感器；节点04为液位传感器。节点11、12、13、14分布在水田地块2中，其组成与地块1中节点类似。

1.3 监控流程

在系统自动运行模式下，水田的各参数信息采集由分布在水田地块中的传感器节点采集；采集到的数据经由ZigBee网络发送到主控节点，数据融合后转发到远程终端，进行数据显示、记录和设定值报警，并为控制决策提供信息依据；远程终端根据历史信息、实时信息与作物生长信息，自动或手动生成控制目标决策，发回到主控节点，由主控节点结合传感器实时数据，基于PID调节算法[6]，向控制节点输出相应执行指令，驱动水泵和电磁阀，实现闭环的变量控制。监控流程如图3所示。

2 关键部件设计

2.1 通用传感器节点

传感器节点基于一体化通用式设计，集成ZigBee模块与单片机模块，通过连接集成1组或多组不同的传感器来完成对水田内各信息参数的实时采集。节点模块结构如图4所示。ZigBee模块采用基于ZigBee2007/PRO协议栈的CC2530无线串口透传通信模块[7]；单片机模块采用STM8L101超低功耗单片机，内部集成了8路12位A/D转换器，可连接8个传感器，且可直接对信号进行调理与采样；电池模块采用普通5号电池。该节点可作为ZigBee网络的路由器或终端节点。

图3 监控流程图Fig.3 Flow chart of monitoring

图4 传感器节点结构Fig.4 Sensor node structure

为使传感器节点在单节电池供电下工作时间更长，在硬件方面进行了低功耗设计，硬件电路原理如图5所示。典型的测土壤温度传感器节点实物如图6所示。针对STM8，将其设置为活跃停机(Active Halt)模式，通过自定义的延时间隔定时产生内部唤醒事件，当任务完成后再自动进入停机状态；针对CC2530，由于无线传输时功耗较大，尽量使其处于休眠状态，当STM8唤醒并完成数据采集后，唤醒CC2530，延迟10ms后，数据发送或接收完成，系统将CC2530切换到休眠模式。经测试该工作模式下的平均功耗为400μA，以60s为采样间隔，单节5号电池可连续使用半年以上。

图5 传感器节点电路原理图Fig.5 Sensor node circuit principle diagram

图6 土壤温度传感器节点Fig.6 Soil temperature sensor nodes

2.2 通用控制节点

与通用传感器节点的结构和组成基本一致，只是集成的传感器组替换为带光耦隔离的继电器输出模块。在系统中控制对象为水泵电机和水渠的电磁阀门。水泵电机采用一般的离心电机，电源线路与继电器常开点串联，通过数字IO来执行控制对象的通断闭合。

2.3 主控节点

该节点主要包括ZigBee模块、GSM模块、单片机模块、时钟模块、太阳能电源模块、调试接口等，结构如图7所示。ZigBee模块采用CC2530，作为网络协调器，完成各节点的信息流通；GSM模块采用SIM900A模块[8]，基于GPRS网络服务，通过TCP/IP协议与AT指令实现与远程终端的信息收发；单片机模块采用基于AVR单片机的Arduino Uno开发板[9]，负责执行控制决策，发送控制指令，Arduino是一个灵活易用的开源电子平台，外围模块多，扩展方便，编程简单，适合快速开发；时钟模块采用DS1302时钟芯片，用于系统计时与同步。

图7 主控节点结构Fig.7 The structure of the main control node

Arduino通过TTL串口与SIM900A通信，通信初始化流程如图8所示。在指令发出后，应延迟一定时间后再接收响应，并应判断响应是否正确，指令与响应均为ASCII码字符串。

2.4 远程终端APP

为快速开发与跨平台需要，远程APP基于BeX5开发平台，安装在Android手机上，接收来自主控节点的GPRS数据。设计上采用了MVC的设计思想，将业务逻辑和数据的表现分离开，有利于功能的扩展。系统功能上，实现了水田参数信息的远程监测、记录、报警与水泵阀门的决策控制等功能，具有两种控制模式(自动和手动控制)，主界面如图9所示。软件能够绘制和展现不同环境信息的数据曲线，如图10所示，便于历史记录的查询。数据库采用开源数据库MySQL，可将作物全生长期的环境和土壤的数据保存在数据库中，利用JDBC数据库驱动和SQL语言实现对数据的快速读取和写入。