基于无线传感器网络的精细农业智能节水灌溉系统_中文

基于无线传感网络的精细农业智能节水灌溉系统

肖克辉2,1

，肖德琴

2,1

，罗锡文

1

(1.华南农业大学南方农业机械与装备关键技术省部共建教育部重点实验室，广州510642；

2.华南农业大学大学信息学院，广州510624）

摘要：在精细农业相关应用和理论研究基础上，自行设计用于检测农业水分含量和水层高度的无线传感器，构建农田水分无线传感器网络体系结构，设计基于水分无线传感网络的智能节水灌溉控制系统，通过实时农田水分数据和农作物水分需求专家数据形成灌溉决策，由灌溉控制系统实施定量灌溉，在水稻生长过程中的实际应用表明，该系统体现出可行性和高效性，有利于精细农业的发展和水资源的可持续利用。

关键词：无线传感网络；智能灌溉控制系统；精细农业；构架

0 前言

通过不同集成微型传感器的相互合作，无线传感网络常用于检测并获取监测对象中的各种信息。利用嵌入式信息处理和随机自组织无线网络，将信息发送到用户终端来实现“无处不在的计算”理念。基于无线传感网络的自动化、自组织和以数据为中心等特点，它能够应用于获取土壤水分数据，然后自动地将这些数据融合传输形成一个高效的田间水分数据采集平台，从而实现智能节水灌溉。

传统的田间灌溉通常由人亲自控制，而且需要大量的人力和物力，这将导致缺乏实时性和精确性，这也有悖于长期农业生产的发展趋势和水资源的可持续利用。无线传感网络被广泛地应用于精细农业和智能灌溉来克服上述存在的问题。

G Vellidis 和他的同事开发了一个典型的实时智能检测的传感器阵列来检测土壤水分，测试土壤水分使用现成的组件。这个阵列由一个位于中间位置的接收机组成，这台接收机连接在一台笔记本电脑和田间的多个传感器节点上。具有精密灌溉技术的集成传感器提供了一个闭环的灌溉系统，能够确定从智能传感器阵列的哪一位置将时间和数量输入到实时定位灌溉应用程序中。

J Balendonck 和他的同事开发了一台叫作FLOW—AID的系统，这个系统能够客观地开发和检测一个灌溉管理系统，也能应用于赤字中。这个系统主要集中在用于土壤水分检测的低功耗无线传感网络上。有6个配备了SM200土壤水分探针传感器节点，还修建的3个中继器，而且在地中海气候中对容器作物生长做了5个月的实际评估。John Lea-Cox,通过苗圃和温室种植部署了两种类型的无线传感网络为精密灌溉系统提供实时数据。其中一种类型的网络能够自动地检测控制灌溉用水应用程序。

Cui Jing运用GSM技术开发了一项智能灌溉控制系统，这项系统包含了实时检测模块，决策支持系统和智能灌溉系统。Gao Feng通过检测水压直径的微变设计了一个无线传感器节点和一个基于无线传感网络的作物精密灌溉系统。Zeng Liancheng，Wang Ji，Kuang Qiuming ,Bing Zhigang通过相关的软件和硬件设计并实施了一个传感器网络，他们部署了诸如SHI11、ZigBee无线模块等这样的已经存在的硬件传感器。无线传感网络的结构和智能灌溉控制系统在本质上是相同的。

以上所提到的无线传感网络是智能灌溉控制系统的基础；研究者和农民所用到的用来从田间获取数据的所有的传感器节点都是做好的。此外，为了实现智能灌溉，传感器只能获得土壤水分含量，但是不包括水位高度。但是，在中国南部地区，水位的高度是影响生长和发展的重要因素。上述的智能灌溉控制系统通常采用线网通信和集中控制模式，但是这种方式效率很低。考虑到成本因素，无线传感网络暂时还不能应用于大规模的农业生产；因此智能灌溉控制系统的发展很缓慢。所以，解决无线传感器的成本问题、灌溉控制设备及软硬件的维护问题都迫在眉睫。本文提出了一种自行设计的用来获取水分含量和水位高度的无线传感器。我们以智能灌溉控制系统中的无线传感器为基础并结合了湿度传感器来获得实时的湿度数据，分析作物的需水量并实行智能灌溉决策。这一系统被应用在广州的葱郁蔬菜田，如图一所示。从这个系统中可以感受到，农业必须要提升到现代化和可持续化的方向发展。

图 1 在广州葱郁蔬菜田的应用

1 无线传感网络的体系结构

湿度无线传感网络由无线传感器、簇头、中继、基站、数据中心服务器和数据备份服务器组成，它的结构如图2所示。这个网络是由链结构组成的；图示的结构简单而且能有效应用在大规模的水分检测。

图 2 无线传感网络的体系结构

1.1 传感器和簇头

田间的传感器节点布置如图1所示，用来获取水分含量和水位高度，然后周期性地更新数据，并在本地存储最新的数据。传感器节点从它的父节点接受采样指令并将数据更新到父节点，然后进入休眠模式；当下一个采样周期到来时，传

感器节点由内部的晶体振荡器唤醒开始工作。

传感器节点是自行设计的，包括一个ATmega16微处理CPU、一个频率是ISM433MHz的CC1000无线射频模块和两个插入到土壤里用来检测的不锈钢的探针。为了提高传输距离，传感器节点外接了一个供电电路。CC1000与ATmega16相连接，如图3所示，而且这个连接需要相应的程序来模拟通信。

图 3 CC1000与ATmega16的连接图

采集模块E1648晶体振荡频率，又3.3-4.2V的直流电源供电，例如镍氢电池，使用频率反射（FDR）的方法获得频率，这个频率能按照刻度转化为水分含量和水位高度。在我们的应用中，传感器节点由3个1.5V的干电池供电。利用这种能量供给，传感器节点能够在水稻的生长周期（约100天）内能够周期性地工作。

放置在田间的簇头是无线传感网络链的根节点。另外，簇头有充当传感器节点的作用，它能够传输采集指令给子节点，也能接收从子节点传来的更新数据并发送给中继器。在硬件系统中，簇头被识别为传感器节点，它有一个20cm长得天线。但是价格很高，我们将努力用可以持续充电的太阳能电池来替代直流电源。簇头需要良好的睡眠和唤醒机制为了能够满足长时间的工作和大量的数据传输。

1.2 中继器

中继器是为了提高水分数据和指令的传输距离的传送器。中继器不负责采集水分含量和水位高度，它通常被安置在田间的高处来保证良好的通信。

在硬件中，中继器被当作传感器节点， 12V的电源供电、7Ah的直流蓄电池、75cm 的天线。根据无线传感网络的设计方案可知，中继器与其他节点一样也同样有睡眠和唤醒机制。为了长期的工作和保护环境，太阳能电池是代替直流电源的很好选择。

1.3 基站

基站是由S3C2440 ARM 9 开发板设计的，并用三星的S3C2440作为CPU，64M 的SDRAM作为主存储器，64M的Flash作为外部寄存器，CC1000作为无线射频模块，如图4所示。基站常放置在现场管理办公室。

图 4 CC1000和ARM2440的连接图

基站管理来自传感器节点的水分数据，并将数据存储在开发板上的SD卡内。然后，按照GSM（全球移动通信系统）格式压缩数据，再将GSM信息发给数据中心服务器。通过基站把数据采集指令和时钟同步发送给中继器及每个传感器节点。

1.4 GSM网关

这个系统含有两个网关，与基站连接的网关叫作基站末端GSM网关（BS-GSM），另外一个与数据中心服务器相连接的网关叫作数据中心服务器网关（DCS-GSM）。网关通过串口连接在基站和电脑上。

基站通过GSM网关与数据中心服务器相连，所以它们之间的距离是受限的。BS-GSM将存储在基站中的数据以GSM信息格式周期性地发送到DCS-GSM，然后DCS-GSM再将这些数据发送给数据中心服务器。

1.5 数据中心服务器和备份服务器

数据中心服务器是湿度无线传感网络和智能灌溉控制系统的应用核心，如图5所示。湿度数据库系统读取从RS232串口传输来的GSM实时信息，通过译码得到水分含量和水位高度，然后再将新的数据写入数据库。记录在数据库中的内容包括节点识别字，采集频率，采集时间等。湿度数据应用系统提供了实时的水分

含量和生长周期专家数据连续变化表来得到可视变化的田间土壤湿度。根据数据连续变化表的曲线图，用户可以看到农作物的需水量来制定智能灌溉决策。

图 5 数据中心服务器的结构

专家数据库是用来存储农作物生长周期期间水分需求量的专家数据的。我们根据土壤类型建立水分需求模型、作物生长周期期间不同时间内的天气和水分需求模型来作为灌溉控制系统的基础。灌溉决策支持系统通过比较实时水分数据和专家数据决定灌溉的时间和水量，然后通过智能灌溉控制系统实施灌溉。

与数据中心服务器相连的数据备份服务器的功能是作为数据备份器和恢复服务器来提高水分数据的完整性和安全性。这个服务器是一个电脑具有良好的性能、大容量存储器和不间断的电源供电。

2 智能灌溉控制系统

智能灌溉控制系统的体系结构如图6所示。无线湿度传感器系统是高级系统，它负责采集湿度数据和灌溉决策，智能灌溉控制系统是低级系统，它负责灌溉的实施。智能灌溉控制系统采用中心控制模式进行工作，并通过CC1000与基站进行通信，如图7所示。它们之间的连接需要相关的程序进行仿真通信。

图 6 智能灌溉控制系统的体系结构

图 7 CC1000与单片机STC98C51的连接图智能灌溉控制过程描述如下：

1）数据中心服务器分别校正来自传感器的湿度数据。

2）数据库应用系统通过比较实时的湿度数据来决定农作物是否需要灌溉及每亩的灌溉量。

3）决策支持系统发送灌溉指令到基站来制定灌溉的位置及总量。

4）基站发送灌溉指令到灌溉控制中心。

5）灌溉控制系统在制定的灌溉位置打开电子液压阀，再在达到灌溉阀值后关闭它。

6）当本地灌溉结束后，上述过程循环进行。

3 实验及结果

在下面的内容中，我们主要描述传感器的校准以及实时湿度数据和农作物需水量之间的比较，即灌溉决策。

3.1 传感器校准

土壤水分含量和水位高度是影响水稻生长的重要因素，所以有必要校准每个传感器。在实验中，当土壤水分低于25%时则认为土壤干旱；当土壤水分高于55%时，则认为土壤湿度饱和。所以，我们的目标是土壤水分含量在25%——55%之间，水位高度高于55%。

在土壤湿度的校准过程中，我们运用公示1线性拟合法和公示2三次曲线拟合法，相关的系数分别是0.8935和0.9901.因此，我们认为三次曲线拟合法比线性拟合法更加精确。

2857.6114286.66-+=f ω 3——1

5.6765.5825.12515.94923+-+-=f f f ω 3——2

在水位高度的校准中，我们使用公示3所示的三次曲线拟合法回归方程，相关的系数是0.9942，如图8所示。水位高度的单位是厘米（cm ）。

1415.5490585.366286.53204.023++-=f f f ω 3——3

图 8 频率和水位高度曲线

3.2 灌溉决策

系统的灌溉对象是水稻，所以灌溉决策根据水稻的不同生长阶段而进行调整。水稻的生长阶段包括：分蘖期、生长期、成熟期。灌溉量根据单位亩的水容量进行测试。根据水稻的水量需求，我们做了两次试验，第一种是节水灌溉，另一种是漫灌。经过上述的三个生长阶段之后，灌溉量列表如表1.

表 1 水稻不同生长阶段的不同灌溉方式下的灌溉总量

从表1可以看出，在总共的灌溉量中，节水模式下的灌溉量是正常灌溉量的65.22%。结果显示，智能灌溉控制系统特别能够节省水资源，并且可以进行精细农业。

4 总结

基于自行设计的无线传感器，我们建立了无线传传感网络来检测土壤水分含

量和水位高度，提出了无线传感网络的体系结构、讨论了传感器的校准和灌溉决策，实现了农业应用。

为了精细农业的发展，我们设计出了一款基于无线传感网络的智能灌溉控制系统，并通过实时数据和专家数据来执行灌溉决策。已证实，这款系统能够节省水资源，并且能够实现精细农业。

接下的工作将通过升级硬件和软件设计来调整通信过程中无线传感器的安全性。特别地，将把可充电的太阳能电池安装在传感器节点和簇头中，以此作为能量供给来获得更长的工作时间。此外，智能灌溉控制系统的软件体系结构的设计和实施需要持续的改善来实现各种各样的灌溉需求。

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