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在灌溉農業中，采用先進技術不僅可以提高水資源的利用率，緩解水資源增加的矛盾，還可以增加作物產量，降低農產品的生產成本。本論文設計了一種基于無線傳感器網絡的節水灌溉控制系統。系統噴滴灌共存，可適應多種作物的灌溉要求，實現作物的倒茬輪作，起到保護土壤的作用；高效水肥藥一體化是將灌溉與施肥、灌溉與噴藥融為一體的農業新技術，可以做到在農作物灌溉的同時，定時定量的噴灑農藥與化肥，有效節省時間與人力消耗，降低農藥和化肥對土地的傷害。由于農業覆蓋面大，地形復雜，操作環境惡劣，一般的農業設備無法適應，無線傳感器網絡以其高密度、大范圍和強動態特性成為實現農業信息收集和傳輸的有效方法。盡管無線傳感器網絡WSNs的單傳感器節點通信能力有限，但是對于數據傳輸量小、實時性要求相對較低的農業灌溉系統，WSNs是實現信息遠程傳輸較為經濟的技術手段。

系統結構及其工作原理

本系統依據土壤濕度等參數運行狀況，通過上位機遠程控制供水泵、注肥泵、注藥泵和電磁閥開關。系統將灌溉與施肥、灌溉與噴藥融為一體，定時定量的噴灑農藥與化肥。工藝流程圖如圖1所示。系統由網關和傳感器節點組成，網關由電源模塊、處理器模塊、節點通信模塊、網絡通信模塊以及外圍設備組成；傳感器節點由電源模塊、處理器模塊、無線通信模塊和傳感器模塊組成。網關結構示意圖如圖2所示。系統WSNs采用簡單、實用的星狀拓撲結構。當用戶需要獲取某個傳感器節點的數據時，他只需要向以太網發送相應的節點地址和測試指令。網關通過以太網接口從上位機獲得命令后，將通過無線射頻模塊向相應的傳感器節點發送測試指令。在傳感器節點接收到命令之后，傳感器節點將土壤信息（土壤溫度、濕度、含水量以及空氣中CO2濃度、光照強度）和農田的營養信息沿著與原始路徑相反的方向發送回上位機。上位機獲得土壤信息后，通過農田專家系統制定供水、給肥、給藥的控制策略，通過上位機向網關發送命令，網關根據約定的幀定義進行命令類型判斷并進行相應的控制動作。傳感器節點示意圖如圖3所示。

系統硬件設計

無線傳感器網絡由網關和傳感器節點組成，它們是無線傳感器網絡的基本單元和平臺。傳感器節點負責采集農田土壤信息，網關負責控制所有傳感器節點的操作、存儲以及處理相關數據，并控制各種外圍設備執行相應的動作。傳感器節點的硬件設計本系統采用一款基于ARMCortex－M內核STM32系列的32位的微控制器（STM32F103C8T6），它提供了兩個12位ADC、三個通用16位定時器和一個PWM定時器。射頻模塊采用TI公司生產的CC2430芯片設計。CC2430符合2.4GHz的IEEE802.15.4標準。它還集成了8位微處理器、VCO、LNA、PA和內部電源穩壓器。為了形成完整的射頻模塊，外圍電路需要32MHZ晶體振蕩器XTAL1為內部微處理器提供時鐘源。RF部分需要提供精確的電感、電容和PCB微波傳輸線，以匹配RF輸入和輸出的阻抗。CC2430的串行端口引腳連接到STM32的UART串行端口引腳。無線射頻模塊硬件原理圖如圖4所示。獲取影響作物生長的作物生長信息和環境信息是精確作物管理的基礎，在作物生長、發育、質量和產量方面發揮著非常重要的作用。因此，為了滿足農田多參數監測的需要，選擇了影響作物生長的七個環境因素，如空氣溫度和濕度、CO2濃度、土壤溫度、濕度、pH值和養分值。由于農田監測的惡劣環境條件和不可控因素的存在，如高溫、高濕度和高太陽輻射，所以采用具有抗干擾、防水和耐腐蝕的傳感器，另外還需要小尺寸、方便集成以及低功耗來延長其使用壽命。各傳感器特性如表1所示。網關及外設電路硬件設計在農田灌溉區、面積大、地形復雜，因此很難使用有線電源為系統供電，所以該系統選擇的電磁閥是脈沖型電磁閥，該電磁閥的主要特點是可以通過瞬時脈沖信號實現電磁閥的切換控制，非常適合農田灌溉。本系統采用ULN2003芯片進行控制電磁閥的開關，通過網關可以直接控制繼電器和脈沖式電磁閥，ULN2003芯片采用5V電壓進行供電。控制電路部分硬件圖如圖5所示。系統網關中的無線射頻模塊及其硬件原理圖與傳感器節點中的無線射頻模塊相同。以太網接口芯片使用美國Microchip公司的獨立以太網控制器ENC28J60。它使用速度高達10Mb/s的SPI三線接口作為通道，取代了以前的并行接口，方便了與處理器的連接，大大降低了PCB布線的復雜性。電源硬件設計由于本系統高效率低能耗，因此在傳感器節點以及網關的處理器處采用太陽能18V供電，在網關控制的外設采用市電進行供電，此搭配可以有效節約開支，降低產品成本，便于系統的推廣。該部分主要使用正向低壓降穩壓器AMS1117－3.3和AMS1117－5.0進行3.3V和5V穩定電壓輸出。電源硬件原理圖如圖6所示。

系統軟件設計

本系統采用比例電磁閥的調節來維持主管道內的壓力，以保證噴灌滴灌系統穩定。液體肥以及藥液的濃度分別由比例混合注肥泵和比例混合注藥泵進行精確調節，從而達到精準灌溉施肥施藥的效果。本系統根據前人經驗采用模糊控制算法進行調節比例電磁閥的開度繼而控制管道內的壓力；系統分為傳感器節點和網關，要使兩部分能夠協調工作，兩個系統軟件必須能夠相互配合，相互協調；PC端主要的目的是人機交互，用戶可以通過PC端監測并且控制整個系統的運行，良好的人機交互是系統正常運行的前提。由于本系統高效率低能耗，因此在傳感器節點以及網關的處理器處采用太陽能18V供電，在網關控制的外設采用市電進行供電，此搭配可以有效節約開支，降低產品成本，便于系統的推廣。該部分主要使用正向低壓降穩壓器AMS1117－3.3和AMS1117－5.0進行3.3V和5V穩定電壓輸出。電源硬件原理圖如圖6所示。系統軟件設計本系統采用比例電磁閥的調節來維持主管道內的壓力，以保證噴灌滴灌系統穩定。液體肥以及藥液的濃度分別由比例混合注肥泵和比例混合注藥泵進行精確調節，從而達到精準灌溉施肥施藥的效果。本系統根據前人經驗采用模糊控制算法進行調節比例電磁閥的開度繼而控制管道內的壓力；系統分為傳感器節點和網關，要使兩部分能夠協調工作，兩個系統軟件必須能夠相互配合，相互協調；PC端主要的目的是人機交互，用戶可以通過PC端監測并且控制整個系統的運行，良好的人機交互是系統正常運行的前提。模糊控制器設計為了保證噴滴灌用水以及施肥施藥濃度，采用模糊控制技術實現農田的精準控制。通過制定模糊控制規則控制給水閥門開度，以保證管道壓力穩定；通過調節給水比例電磁閥開度實現給水噴滴灌土壤濕度控制。本系統采用多輸入單輸出的多維常規模糊控制器，該控制器的輸入變量為主管道的多點管道壓力，輸出量設定為比例電磁閥的開度u。在模糊控制器中設其輸入模糊語言變量為e，輸出語言變量為U。將主管道壓力偏差e分為5個模糊集：{NB，NS，ZO，PS，PB}，對應的物理狀態分別為{主管道壓力采樣值遠低于設定范圍下限，主管道壓力采樣值微低于設定范圍下限，主管道壓力采樣值在設定值范圍內，主管道壓力采樣值微高于設定范圍上限，主管道壓力采樣值遠高于設定上限}。寫出主管道壓力變化模糊控制規則如表2所示。根據現場實際操作經驗制定模糊控制規則如下：（1）當主管道壓力采樣值遠低于設定范圍下限，將比例電磁閥閥門全開；（2）當主管道壓力采樣值微低于設定范圍下限，將比例電磁閥閥門開；（3）當主管道壓力采樣值在設定值范圍內，將比例電磁閥開至半開；（4）當主管道壓力采樣值微高于設定范圍上限，將比例電磁閥開至開；（5）當主管道壓力采樣值遠高于設定上限，將比例電磁閥關閉。將輸出即比例電磁閥的開度U分為5個模糊集為{OF，OB，OM，OS，CL}，對應的物理狀態分別為{比例電磁閥全開，比例電磁閥大開，比例電磁閥半開，比例電磁閥微開，比例電磁閥關閉}，比例電磁閥的開度U的論域為{0，0.5，1，1.5，2}。得到輸出比例電磁閥開度U的模糊規則如表3所示。對模糊推理得到的模糊集合，采用最大隸屬度法對其進行反模糊化。系統程序設計MCU系統程序采用KeilC語言編寫，主要實現基于Zig－Bee技術的短距離無線收發功能和外圍設備的運行，完成無線傳感器網絡功能的管理。系統上位機以組態軟件技術開發了人機交互界面，具有手動和自動切換、動態實時參數值顯示等功能。系統實時顯示土壤溫度、濕度和含水量，閥門運行狀態和事故報警等信息，可切換顯示現場運行情況以及電氣設備運行狀態。傳感器節點程序的流程圖如圖7所示，網關程序的流程圖如圖8所示。

結語

本系統通過傳感器節點獲取節點位置的農田土壤信息，專家系統可依據土壤信息等評估農田土壤狀態并給出相應的控制策略，用戶可以根據農田土壤狀況實現噴、滴灌切換?；跓o線傳感器網絡的節水灌溉控制系統可以實現噴滴灌共存，能夠適應多種作物的灌溉需求；有利于實現作物的倒茬輪作，土壤保護的作用；灌溉與施肥、灌溉與噴藥融為一體，實現精準灌溉施肥、施藥，實現農業灌溉自動化。

作者：荊黎明 徐穎 侯強 田思慶 單位：佳木斯大學信息電子技術學院