基于无线传感器网络的山地柑橘园灌溉控制系统设计与试验

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　　 摘要：为了科学合理地制定灌溉计划、解决农业生产粗犷用水的问题，以STM32C8T6单片机作为主控单元，结合土壤水分传感器、空气温湿度传感器、电磁阀及驱动电路组成无线传感器网络节点，设计基于无线传感器网络的山地柑橘园灌溉控制系统，实现柑橘园的土壤湿度监测和精准灌溉，达到农业生产节约用水的目的。田间试验结果表明，在节点通信距离平均为203 m时，系统的合计丢包率为0.09%，空气温度数据采集误差低于6%，空气湿度数据采集误差低于4%，土壤湿度采集误差低于6%，电磁阀节点平均响应时间为6.7 s。
　　 关键词：无线传感器网络;柑橘;湿度检测;精准灌溉;控制系统设计
　　 中图分类号： S126 文献标志码： A
　　 文章编号：1002-1302（2020）07-0245-05
　　 针对目前我国农业用水利用率低、农业灌溉管理粗放的现状[1-2]，同时为了更加高效地管理柑橘园，提升柑橘园管理的自动化水平，设计了一个基于Zigbee协议的无线传感器网络山地柑橘园灌溉控制系统。系统选用STM32C8T6单片机作为主控芯片，由ZigBee模块、空气温湿度传感器、土壤水分传感器、太阳能电池板、电磁阀等组成，具有相对较高的智能化和自动化水平，可实现土壤湿度实时监测、空气温湿度检测、电磁阀智能开闭等功能。目前，基于Zigbee的无线传感器网络技术在农业上的应用已经非常普遍[3-5]。谢振伟等设计了一套基于Zigbee无线传感器网络的棉田节水灌溉系统，该系统采用8051微处理器作为控制器，与各类温湿度传感器组成传感器节点，实现对棉田土壤墒情信息的采集，并通过功放芯片CC2591与主芯片CC2530的连接，实现信息的远距离传输[6]。陈艳丽等设计一套基于Zigbee无线传感器网络的农田灌溉系统，该系统采用CC2530无线收发模块，将土壤含水量经LPC932单片机处理后传送到PC终端，用户可实时查看土壤含水量，并根据灌溉临界值对电磁阀的开启与关闭进行控制[7]。陈晓燕等设计了一套基于Zigbee的温室节水灌溉系统，硬件系统以CC2430构建无线土壤水分传感器网络，实现了温室内各节点土壤含水量的自动采集，并可根据作物需求进行自动灌溉[8]。上述系统均为应用在地势较为平坦场景下的系统，而在复杂的山地环境下应用的无线传感器技术较为少见，为此本研究将主要介绍无线传感器网络在山地场景下柑橘园灌溉控制系统中的应用。
　　1 试验方案设计
　　试验地点位于广西壮族自治区贺州市昭平县北陀镇水楼村的一个柑橘种植园（地理位置为24°00′N、111°05′E），该地气候温和，光照充足，降水充沛，柑橘种植在海拔高度为100～200 m的山丘上，种植面积达6 hm2。因系统在户外场景下应用，选择太阳能电池板作为能量来源。
　　影响柑橘生长的因素主要有土壤含水量、光照时间、气温以及土壤品质等[9]。由于柑橘在生长的不同时期需水量是不同的，因此要求系统能够实时准确地判定土壤的含水量，并根据作物生长情况进行及时灌溉[10]。系统使用山东建大仁科科技有限公司的土壤水分传感器，水分测量精度为3%，测量量程为0～100%。为了保证传感器测量的准确性，土壤湿度由传感器采集10次数据后求平均值得出。采用广州奥松电子有限公司生产的DHT11仪器测定空气温、湿度，湿度测量范围为20%～90%，测量误差为5%;温度测量范围为0～50 ℃，测量误差为2 ℃。为了验证系统采集环境信息的准确性，分别与使用希玛仪表AR837电子温湿度计、美国Decagon公司的Em50 Data Logger采集的空气温湿度以及土壤湿度信息进行对比。
　　为了保证节点能够稳定通信，需要在实际应用场景下对系统的最大有效通信距离以及系统的丢包率进行测试。
　　2 系统方案设计
　　2.1 系统总体架构
　　本研究系统总体架构如图1所示，可以看出，该系统由基于ZigBee网络的终端节点、远程服务器、基于STM32的无线路由节点及基于通用分组无线服务技术（GPRS）的网关构成[11-12]。终端节点由土壤水分传感器、空气温湿度传感器、电磁阀组成，负责监测环境参数，执行灌溉命令。无线路由节点用于处理各个节点的入网请求，并将数据信息传送到网关，网关负责组建无线传感器网络，汇聚各个节点数据，传送控制命令。终端节点与无线路由节点由太阳能电池板进行供电，网关采用市电进行供电。
　　2.2 系统硬件设计
　　终端节点主要包括STM32处理器、空气温湿度模块DHT11、土壤水分传感器、电磁阀驱动模块、电磁阀、ZigBee模块和电源模块（图2）。STM32单片机作为核心处理器，负责处理传感器采集的数据，控制电磁阀开启与关闭;空气温湿度模块负责采集空气温湿度信息;土壤水分传感器负责检测土壤含水量;ZigBee模块用于组建局域网。节点的电源由太阳能电池板和12 V的锂电池组成，日照充足时，由太阳能控制器输出太阳能电池板转换的电压进行供电，并且对锂电池进行充电，日照不足时，由12 V 的锂电池进行供电。电源模块将12 V的输入
　　电压分别转换成9.0、5.0、3.3 V的电压，以满足各种传感器的电压要求。无线路由节点的硬件设计与终端节点类似，但是无线路由节点没有接各种传感器。
　　 网关主要用于实现Zigbee协议和传输控制协议/互联协议（TCP/IP）的转换，汇集无线传感器网络节点数据，完成无线传感器网络节点与因特网的通信。网关由STM32C8T6单片机、电源模块、RS-232串口通信模块、安全数码（SD）卡存储模块、GPRS模块、Zigbee模块组成[13]。网关的硬件设计见图3。
　　2.3 系统软件设计
　　终端节点主程序流程见图4，当系统通电时，终端节点会不断请求加入附近的无线路由节点，组网成功后，会发送节点采集的数据，同时也会检测网关发來的请求，如控制电磁阀开启和关闭等。当终端节点到达设置的休眠时间时（传感器工作5 min后即到达休眠时间，休眠时间为30 min），STM32处理器会进入休眠状态，此时系统会停止发送数据，传感器处于关闭状态。休眠时间结束时，系统会重新进行正常工作。 　　 网关的程序流程见图5，网关工作时，系统首先进行初始化，初始化后与附近无线路由节点组建Zigbee网络，然后监听Zigbee网络以及以太网络，判断网络的任务类型，并执行相应的响应。若是接收到来自以太网的命令，则对命令进行解析后，通过RS-232串口将命令发送STM32C8T6，再通过Zigbee模块将命令转发给附近的无线路由节点;若是接收到来自Zigbee无线网络的数据，则进行协议解析后，通过GPRS模块将数据发送给远端服务器[14-15]。
　　3 试验与分析
　　3.1 网络通信距离测试
　　为了测试节点无障碍和柑橘园场景下的有效通信距离，分别在空旷地带和柑橘园场景下进行测试，终端节点支架高为2 m，柑橘树高1.6～1.8 m，树宽1.0～1.8 m，树间距为1 m，节点发射功率最大值为21 dBm，射频频率为2.4 GHz，在2种场景下，将节点与网关之间的距离逐渐加大，每扩大1次距离，用激光测距1次，并发送1次数据，经过网关传输至上位机显示，直到节点数据不能传输至网关为止。试验数据见表1，当节点高度为2 m时，在无障碍物场景下，平均有效通信距离为1 013 m，在柑橘园场景下平均有效通信距离为203 m。
　　3.2 网络丢包率测试
　　系统在柑橘园稳定运行2 d后，对6个节点的丢包率进行统计，丢包率测试方法为在上位机软件中查看节点发送的节点数据包，对丢包率进行分析，结果（表2）表明，本研究系统的合计丢包率为0.09%，满足实际使用要求。
　　3.3 电磁阀响应时间测试
　　为了验证系统是否能有效地进行智能灌溉，对电磁阀的响应时间进行测试。测试方法为通过上位机发送指令给电磁阀，用计时器对每个节点的电磁阀响应时间进行统计，共统计6个节点的电磁阀响应时间，结果见表3。
　　3.4 田间试验
　　为了测试系统采集数据的准确性，分别与使用Em50 Data Logger、希玛仪表AR837电子温湿度计检测的数据进行对比。由表4可知，本研究系统采集的土壤湿度数据平均误差为5.4%。表5为本研究系统与仪器测量空气温湿度数据，测试仪器与本研究系统每隔5 min采集1次数据，每次试验共采集空气温湿度10组数据，经统计，本研究系统湿度采集误差平均值为3.4%，温度采集误差平均值为5.4%。误差计算公式如下：
　　5 结束语
　　本研究主要介绍了山地柑橘园的灌溉控制系统设计及试验，系统以STM32C8T6为主控单元，结合土壤水分传感器、空气温湿度传感器、电磁阀及驱动电路组成无线传感器网络节点，完成了基于ZigBee协议的无线传感器网络山地柑橘园灌溉控制系统的软硬件开发。
　　本研究系统能实时采集土壤含水量、空气温湿度等信息，并且能远程控制电磁阀的开启和关闭，实现智能灌溉。结果表明，电磁阀的平均响应时间为6.7 s，土壤湿度采集误差平均值为5.4%，空气温度采集误差平均值为5.4%，空气湿度采集误差平均值为3.4%。该系统具有良好的可靠性，能够满足对不同农业环境的监控需要。
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