无线网络技术的灌溉系统智能优化研究

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0引言

传统农业灌溉方式不利于农作物的生长和作物产量的提高，且造成水资源的浪费。因此，建立一种能够根据土壤湿度和环境参数进行实时灌溉调节的智能系统，可有效节约农业灌溉用水，提高作物种植的经济效益［1－3］。农业生产种植面积较大，传统的有线通信灌溉系统施工难度较高，而利用无线传感网络技术进行灌溉系统组网可有效解决灌溉基础设施建设困难［4］。为此，基于无线传感网络技术设计了一种智能化灌溉系统，可对农业生产过程中的相关环境参数进行采集，并根据环境参数进行灌溉过程智能化调节，提高了农业生产中水资源利用率。

1智能灌溉系统总体设计

农业智能灌溉系统主要包含传感器节点、网络汇聚节点、无线通信网络、系统上位机以及灌溉执行机构等［5－6］，如图1所示。传感器节点布置于农业种植区域内，对环境参数和土壤参数进行实时采集，其采用自带无线传感技术进行组网，可将环境参数数据发送至汇聚节点［7］。汇聚节点与上位机之间通过串口通信连接，二者之间可进行信息数据的实时交互，上位机对灌溉系统中相关参数数据进行分析处理，并生成相关控制指令驱动灌溉系统执行机构进行动作，用户可通过上位机对灌溉系统数据进行查看［8－9］。

2智能灌溉系统硬件

灌溉系统中执行机构的开启或者关闭状态主要与采集节点获取的种植过程参数有关，传感器节点采集到的环境信息准确性，直接决定灌溉系统的性能［10］。无线传感网络模块主要硬件设施为传感器节点，其中主要包含传感器模块、微处理器模块、射频模块以及电源模块，如图2所示。传感器节点是农业生产灌溉系统的基本组成单元，可对种植环境和土壤参数进行实时采集，并对信息参数数据进行预处理，发送至汇聚节点。农业种植环境内参数信息数据较多，可分布多种不同类型的传感器，并要求传感器功耗小，可适应不同的环境条件［11］。无线传感网络数据采集节点中的微处理器模块以AT128单片机为核心，具有128k程序存储器，可与SPI总线兼容，同时具有ADC通道和可编程串行接口，能够以6种不同等级的低能耗模式进行操作［12］。无线传感网络数据采集节点中的射频模块采用CC2430芯片架构，在单个芯片上整合RF、内部存储器以及微控制器等，同时具有128k闪存和8k的RAM，主要包含模拟数字转换器、定时器、定时器、可编程I/O引脚以及协同处理器等，可使用较少的外围部件进行数据的接收与发送，有效降低使用过程中的能耗［13］。无线传感网络数据采集节点中的传感器模块主要用于对农业生产环境中的土壤湿度信息和空气温湿度参数信息进行采集。系统进行土壤湿度信息采集时，使用EC型土壤水分传感器，可在不同深度土壤中进行掩埋，分辨率可达到0．002，受土壤盐碱度影响较小［14］。空气温湿度传感器采用EHT型温湿度传感器，温度测量范围可达到－40～60℃，精度为±1℃;湿度测量范围为0～100%RH，精度不大于3%。无线传感网络数据采集节点中的电源模块采用太阳能电池与备用电池组相结合的方式，无需进行电池的频繁更换，能有效降低系统功耗［15］。

3智能灌溉系统软件

智能灌溉系统软件主要包含传感器节点软件和汇聚节点软件。汇聚节点主要用于建立系统无线传感通信网络，并对数据网络进行维护，对网络中加入的传感器节点进行管理，对传感器节点分配通讯地址，同时接收传感器节点数据，并上传至系统上位机［16］。图3为智能灌溉系统汇聚节点流程图。传感器节点组成无线传感网络，每个传感器节点具有唯一的网络通讯地址，可对传感器采集到的环境参数信息数据进行读取和发送。图4为传感器节点软件流程图。智能灌溉系统中每个传感器节点利用土壤水分传感器对土壤湿度参数进行采集，系统上位机根据设定的土壤湿度阈值判断是否需要灌溉。当种植区域内需要灌溉时，灌溉执行机构开始动作;当达到灌溉需求时，灌溉停止;灌溉过程中遇到系统报警时，用户可通过手动操作的方式开启或停止灌溉。图5为智能灌溉系统自动工作流程图。

4系统试验分析

智能灌溉系统搭建完成后，利用模拟电压代替传感器采集数据测量值，对系统运行逻辑进行仿真测试。当土壤湿度小于30%时，模拟电压输入值为4V，传感器输出电压为4．35V，此时灌溉执行机构中水泵开始工作，阀门打开，智能灌溉系统开始灌溉;当土壤湿度大于30%时，模拟电压输入值小于4V，传感器输出电压为0．7V，此时灌溉执行机构中水泵停止工作，阀门处于关闭状态，智能灌溉系统停止灌溉。系统逻辑测试完成后，对系统数据采集模块性能进行验证，在1天时间内每隔30min连续采集种植区域内土壤含水率、空气温度、空气湿度、风速以及降水量等信息，记录平均数据，如表1所示。

5结论

选用能耗低的元器件设计了一种智能灌溉系统，可以有效节约水资源，提高农业生产灌溉过程精细化程度，且运行过程可靠、稳定，能够满足农业生产灌溉需求。

作者:娄松涛 单位:河南职业技术学院