基於物聯網的土壤水分實時檢測灌溉系統設計論文

0 引言。

隨著現代資料傳輸技術（ 如藍芽、紅外線、WiFi、無線網路技術（ 如 ZigBee、GPRS） 、資訊處理技術（ 如雲計算技術等） 的發展，農業生產在機械化的基礎上正在朝著自動化、智慧化的方向推進。

土壤水分反映了農業乾旱程度，以土壤水分為指標，可以指導農業灌溉。土壤的含水狀況俗稱土壤墒情，還包括土壤性質、深度等狀態，其關係到農作物的優質生長。不能及時、足量灌溉，或過量灌溉，都可能導致農作物根莖不能從土壤及時吸收水分，影響農作物的正常生長。另一方面，從農業節水、節能及可持續性發展角度考慮，在灌溉作業中，要實現農業灌溉水資源高效利用，必須實時、精確地掌握農田土壤水分資訊，準確地控制灌溉開始時機、結束時機及水量，從而實現節水、節能和作物的良好生長雙重目標。

作為農業大國，我國的農業用水量消耗了 80% 的水資源總量[1],研究開發土壤含水率自動監測和智慧控制的灌溉系統，有助於作物良好生長條件的建立和水資源的節約。近年來，國內外研發出土壤水分檢測器，利用無線感測器採集農業資料資訊，實時監測土壤含水率的資料。當土壤含水率數值低於閾值下限時，開啟水泵進行灌溉； 當土壤含水率數值高於閾值上限時，關閉水泵以停止灌溉，實現了物聯網模式下的農業土壤水分智慧控制。

然而，受制於感測器等硬體及通訊模組等軟體系統的發展，現有的農業物聯網運用範圍還很小，普及率較低。目前，物聯網感測器一般體積較大、不便於攜帶與安裝、能耗高、價格貴、響應速度慢、精度低及資料傳輸不穩定。同時，作為土壤水分感測器，還需要具備受土質影響小及不易受到土壤中各種成分腐蝕等特點。

1 系統的組成及原理。

系統主要包括硬體部分，如 RHD - 100 土壤水分感測器、射頻識別晶片 CC2530、MSP430 F149 微控制器、步進電機，以及上位機系統軟體等部分。

系統可以實時檢測土壤水分，檢測資料由感測器採集並通過 GPRS 作為通訊渠道傳送，採用 SPS 控制感測器的取樣時間，每 1. 7s 傳送 1 次感測器資料資訊。在一個設定的時間斷內，感測器可自動繪製土壤水分曲線，土壤水分低於閾值下限時，控制終端傳送指令，微控制器接到指令，通過 I/O 口控制電磁閥開關開啟步進電機； 高於閾值上限時，及時關閉電機，所用資料資訊和指令通過無線技術 ZigBee 進行傳輸。

2 硬體實現方案。

2. 1 處理器的選擇。

微控制器具有高整合度、高可靠性、低功耗、控制能力強、擴充套件能力好、體積小巧、高性價比和使用便利等優點，在儀器儀表、專用裝置智慧化管理及過程控制等領域得到廣泛應用，有效地控制了產品質量，提高了經濟效益。

TI 公司設計的 MSP430F149 因其極低的空閒功耗而聞名，是一個 16 位的、結合了指令和資料匯流排的馮諾依曼系統結構。MSP430F149 具有 60kB 的非易失性儲存器，系統內可程式，還具備一個 2 kB 的內部SRAM.該處理器可以在 1. 8 ~ 3. 6V 之間進行操作，並且可以被鎖定在 1. 8V、8MHz 兆赫和 3. 6V、高達4 . 15 MHz 的範圍之間。 本系統中，處理器電壓為1. 8V,於 32. 76kHz 時鎖定，每個樣品的平均週期數為988,意味著處理器每秒 197. 600 次活躍； 功率測量顯示共 耗 電 204μW,功 率 測 量 值 只 有 32. 430F149 具有通訊高速、開發環境方便高效、較寬的執行溫度範圍及較強的抗干擾力，工作穩定，時鐘系統靈活，具有可序列線上程式設計、喚醒時間較短及中斷 功 能 強 大 等 優 勢。 本 設 計 以 TI 公 司 的MSP430F149 作為微處理器。

2. 2 感測器的選擇。

在選擇感測器時，需要考慮使用環境對感測器的影響，所選用感測器不應受到土壤的腐蝕，且受土質影響應較小，對土壤土壤含水率的應具有較高的解析度，確保感測器能在一個較長的時間段內穩定、準確地感知土壤的含水率。

綜合考慮多方面因素，如感測器的價效比、穩定性、可靠性、能耗及使用維修的便利性等指標，選用邯鄲市邯山瑞華電子有限公司生產的 RHD - 100 土壤水分感測器為本智慧控制系統的終端檢測端。該檢測終端以 CMOS 晶片為核心，可以監測並傳輸資料資訊，且具有簡潔合理的結構，小巧的體積，運輸、安裝、操作及後期維護的便利等優勢。其檢測頭以不繡鋼材料製成，使用壽命較長，並進行了環氧樹脂封裝，可以有效隔絕外部異物侵襲，防止干擾破壞，埋入土壤中使用時不易受收到土壤中各種成分的侵蝕； 受土質得影響較小，可以在較廣範圍的地區運用。

2. 3 太陽能供電模組設計。

因為系統的監測區域為農田，一般沒有設定電線電纜，無法使用外接電源實現能源供給，需要自備電源。為避免頻繁更換電池帶來的系列問題，特選用太陽能電池為供能單元，為每個感測器配備一個獨立的太陽能供電模組，主要包括： 1 個 12 V、12 Ah 充電電池； 1 塊太陽能電池板，輸出功率為 15W; 1 個調壓器，壓力範圍為 3. 3 ~12 V.

執行試驗表明： 太陽能電池模組可以滿足田間感測器的供能要求。

2. 4 CC2530 射頻收發模組。

CC2530 為內部整合的無線通訊模組，其核心符合 RF4CE/Zigbee 1. 8V 協議，可進行 CRC 硬體校驗；結合了具有優良收發效能的 RF 收發器和增強型8051MCU,可程式 4 種不同的快閃記憶體版本，包括 CC2530F32 /128 /64 /256,分別具有 32 /128 /64 /256KB 的快閃記憶體。其壓控振盪器完全整合，也集成了其它很多功能模組，靈敏度極高、抗干擾性能佳，提供了完整而強大的 ZigBee 方案、ZigBee RF4CE 遠端控制方案。使用該收發模組，只需極少的外接元件（ 如天線） 、晶振等少量的外圍電路元件，就能在 2. 4GHZ 的頻段上工作。CC2530 內部使用 1. 8V 工作電壓，並且能夠把外界提供的電壓（ 3. 3V） 轉化為內部使用電壓。本設計以產自 TI 公司的 CC2530 射頻收發模組作為射頻收發模組的主晶片。

2. 5 GPRS 通訊模組設計。

與 GSM 相比較，GPRS 的使用者接入時間更短、可靠性更高、通訊速度更快，能夠支援 TCP /IP 協議[2] 模組通過串列埠與 ZigBee 灌溉系統主控制閘道器連線，ZigBee 節點在反饋土壤水分資訊時，首先將訊號通過 ZigBeb 網路傳送給主控制閘道器，然後由控制器閘道器通過 GPRS 模組，將訊號傳送到使用者端； 使用者端可以根據具體的作物品種設定終端節點水位閾值上、下限，控制終端節點步進電機的開啟與關閉，實現自動灌溉。

3 系統軟體設計。

IEEE802. 15. 4,俗稱 ZigBee,是一種近距離、低複雜度、低功耗、低速率及低成本的雙向無線通訊技術[3]ee 協議棧是基於 IEEE 802. 15. 4 之上的協議棧，其網路層功能包括多跳路由，以及路由發現和維護、安全和連線/離開網路，網路層負責向新加入的裝置分配 16 位地址。

ZigBee 技術是一個特別為短距離無線通訊及低功耗設計的媒體訪問控制（ MAC） 和物理層的標準規範，因此當遇到感測器網路、資料監測、指令傳輸觸發此類工作時，ZigBee 成為不二之選。

本設計選用了 CC2530 支援的免費 ZigBee 協議棧，在 ZigBee 網路建立之後，使用者通過 ZigBee 協調節點、GPRS 通訊網路，管理 ZigBee 終端節點，設定不同作物土壤含水量的閾值上下限範圍。當感測器檢測到土壤水分值低於閾值下限值時，通過微控制器 I/O 口開啟步進電機，自動啟動灌溉動作； 當感測器監測併發送的`土壤水分值高於閾值上限時，系統自動啟動，傳輸指令，通過微控制器關閉步進電機，中止灌溉動作。由此，實現土壤水分的自動監測和智慧灌溉控制。

計算機端程式採用 Java 語言編寫，可實現軟體系統資料的處理，包括傳輸、儲存、顯示及指令的執行等功能。

4 系統測試試驗及結果分析。

為驗證系統設計的合理性，檢測製作的實驗樣機是否符合設計要求，工作能否穩定、連續和可靠，對製作完成的自動灌溉控制系統試驗裝置進行了測試。

4. 1 水稻田土壤含水量檢測控制試驗。

將本系統試樣樣機運用於水稻田，設定土壤含水量閾值為 30% ~ 60% ,監測並控制土壤水分，得到的土壤水分變化圖如圖 1 所示。

由於溼度感測器具有延遲特性，溼度的變化並不是呈線性地增長或降低，具有一定的滯後性。

4. 2 棉花地土壤含水量檢測控制試驗。

將本系統運用於棉花田，設定土壤含水量閾值為20% ~ 35% ,監測並控制土壤水分，土壤水分變化圖如圖 2 所示。

試驗表明： 系統工作狀態良好、執行穩定，可適應不同土壤環境的水分控制，能隨著土壤溼度的變化而動作，達到了將土壤溼度自動控制在設定範圍內的目的。

5 結論。

在我國當前的農業大環境下，無線感測器網路技術在土壤水分監測和控制中的應用還處於初級階段，實際推廣運用範圍偏小，與國外已開發國家相比，技術相對落後[4].因此，在物聯網實際運用的設計中，需要根據國農業生產經營的實際情況，充分考慮實用性和可推廣性。

本文設計了基於 RHD - 100 土壤水分感測器、射頻晶片 CC2530、MSP430 F149 微控制器、步進電機、及上位機軟體系統的土壤含水率監測及灌溉控制系統。試驗表明： 系統工作穩定可靠，可有效地檢測土壤水分並通過控制步進電機動作實現自動灌溉，將土壤水分控制端設定範圍內，具備一定的準確性和廣泛的適應性。

參考文獻：

[1] 邢志卿，付興，房駿，等。 物聯網技術在現代農業生產中的應用研究[J]. 農業技術與裝備，2010（ 8） : 16 -17,20.

[2] 趙養社。 基於無線感測器網路和 GPRS 網的灌溉系統研究[J]. 安徽農業科學，2011（ 7） : 4203 -4206.

[3] 趙榮陽，王斌，姜重然。 基於 ZigBee 的智慧農業灌溉系統研究[J]. 農機化研究，2016,38（ 6） : 244 -248.

[4] 許世衛。 我國農業物聯網發展現狀及對策[J]. 中國科學院院刊，2013,38（ 6） : 686 -692.