基于无线传感器网络的赣南脐橙土壤湿度监控系统

袁新娣，谢晓春

赣南地区具有得天独厚的自然资源，是我国脐橙生产的优势产业带.目前赣南已成为脐橙种植面积世界第一、年产量世界第三、全国最大的脐橙主产区［1］.脐橙种植过程中有很多技术要领，其中给水灌溉管理是重点之一，土壤含水率对脐橙品质与产量起着非常重要的作用［2－3］.赣南雨量充沛，但因季节分配不均，春夏季多洪涝、伏秋期干旱，所以人为灌溉是非常重要的.赣南是典型的丘陵地貌，90%以上的脐橙种植在25°以下的缓坡山地，山地土壤湿度分布比较复杂，如山顶与山脚、朝阳与背阳山地的土壤湿度都会有比较大的差别.目前赣南脐橙种植过程基本上依靠人工查看土壤状况，凭感觉、凭经验判断是否进行灌溉.这种方式劳动量大、劳动效率低，并且容易造成漏浇、少浇、过浇，影响脐橙果实质量，又浪费水资源.为了按照脐橙生产过程的需水规律，做到既适时适量灌溉，又提高灌溉效率和种植劳动生产率，利用现代信息技术手段进行科学灌溉管理是很有必要的.

无线传感器网络（WSN）由分布在监测区内的大量微型、低价的传感器节点组成，节点通过无线通信方式形成一个多跳、自组织的网络系统，其目的是协作感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并把信息发送给观测者［4］.近年来，通过广大科技人员的努力，基于无线传感器网络的现代信息手段已不断地被应用到农业土壤温湿度测量、精准灌溉等方面［5］.从最早的将无线传感器网络应用于温室大棚蔬菜种植，对大棚环境参数进行检测［6］，到后来对农田土壤水分进行监测与控制方面的研究［7－10］.近期也有一些对果园环境土壤水分检测的成果［11－13］，如，张观山等［11］针对山东大规模苹果园，应用Zig Bee和通用无线分组业务（general packet radio ser vice，简称GPRS）技术设计了智能灌溉系统；李光林等［12］利用控制器局域网络（contr oller area net wor k，简称CAN）总线与全球移动通信系统（global system f or mobile co mmunications，简称GSM）网络，通过太阳能供电，实现了针对重庆柑橘园自动灌溉与土壤含水率监测；徐兴等［13］针对山地柑橘生长环境，设计了检测山地橘园的温湿度、光照度、土壤含水率等的无线传感器网络，并引入了适合山地橘园环境工作的无线传输机制，增强了山地环境下橘园信息采集的鲁棒性和可控性.但是，目前还未见无线传感器网络应用于赣南脐橙种植管理的报道.赣南以红土壤和紫土壤土为主，土质肥沃，富含脐橙生长需要的各种微量元素，但这种环境时空变异性大，无线信号很容易受到天气、地形地貌、植被等因素影响，所以在传输距离、传输质量上受到很大挑战，同时，土壤湿度信息的有效采集方面也面临着很大的挑战.为此，作者以赣南丘陵地带的脐橙种植土壤为研究对象，展开对土壤湿度的无线监测与控制工作，设计监控土壤湿度的无线传感器网络系统.

1 无线传感器网络系统结构

丘陵地带种植脐橙时，通过挖等高梯田将坡地变成带状平地，梯田间距一般4 m左右，等高梯田水平方向脐橙株距3～4 m，每个种植小区（1 000～3 000 m2）均有1～2 m宽的操作道，操作道是垂直于坡面的纵向便道，与每块梯田相连.根据实际地貌情况，作者设计的无线传感控制网系统结构如图1所示.

从图1可知，系统以Zig Bee结合Inter net为核心技术，整个系统由Zig Bee网络、网关、远程监控平台构成.为了在山区复杂环境里增强网络可靠性，同时扩大网络范围，Zig Bee网络采用网状拓扑结构.分布在检测区域的各个终端节点是简约功能器件，通过I／O口连接土壤湿度传感器，每行水平的梯田安放1～2个终端节点.路由节点是全功能器件，连接土壤湿度传感器或继电器开关，继电器开关用于控制零压启动电磁阀得失电，当电磁阀得电时，灌溉阀门打开对果树进行滴灌，失电时，阀门关闭停止滴灌.协调器节点是整个Zig Bee网络的核心部分，既负责启动整个ZigBee网络，同时又选择Zig Bee网络通信信道和建立一个网络身份地址（ID）.当ZigBee网络建立后，协调器负责接收终端节点或路由节点发送的信息，然后通过串口把信息传递到网关.网关是整个无线网络的中心，将Zig Bee网络与Inter net网络连接在一起形成了无线传感器网络，负责处理、解析协调器节点或远程监控平台传输来的数据.远程监控平台实现土壤湿度的存储、显示、报警等，当需要时，用户可以在远程监控平台界面下达指令，打开或关闭Zig Bee路由节点上的继电器开关，从而控制灌溉.

2 无线传感器网络系统硬件设计

2.1 ZigBee节点硬件

系统Zig Bee节点包括终端节点、路由节点、协调器节点，这些硬件上均采用TI公司的CC2530作为其核心元件.CC2530是新一代片上系统芯片，支持IEEE 802.15.4标准及应用.系统采用CC2530的原因主要有：（1）脐橙土壤湿度采集与控制所传输的数据量不大，而CC2530拥有256 k B的快闪记忆体，8 k B的RA M，32／64／128／256 k B闪存，支持这种应用.（2）脐橙园地域广袤，系统工作于室外，需要尽量减少节点能量消耗，而CC2530掉电模式下，只有睡眠定时器运行，仅有不到1μA的电流损耗，支持低功耗无线通信.（3）脐橙园植被对无线信号的阻挡影响信号传输的质量、距离等，CC2530提供了101 d B的链路质量、精准的接收灵敏度和较强的抗干扰性，很适合应用于多植被环境.（4）CC2530集成了一个增强型8051微处理器和一个高性能的无线收发器（RF），提高了单片机与无线通信模块组合时的可靠性，同时也减小了节点的体积与重量.

2.2 网 关

网关是整个无线网络的核心部分，通过串口与Zig Bee协调器连接，分析处理Zig Bee上传的全部数据；另一方面通过以太网接口与Inter net连接，把ZigBee节点采集的数据上传到远程监控平台，也把远程监控平台的控制指令下达到Zig Bee节点.该系统网关主控CPU采用基于ARM CortexTM－A8内核运行速率达1 GHz的飞思卡尔i.MX53处理器，该处理器包含了10／100 MB以太网接口、SD卡接口、RS232接口、USB接口、JTAG接口等.为了方便网关与Inter net连接，主控CPU还外接了WIFI无线网卡模块.

2.3 土壤湿度传感器

传感器工作于山区脐橙园这种复杂的室外环境，所以需要选用抗干扰能力强、高可靠性、低能耗的传感器.张观山等［11］、李光林等［12］均采用了探针式土壤水分传感器.这类土壤水分传感器精度高，但是工作过程无休眠模式，不能满足节能需要，而且输出模拟信号、编程复杂.综合考虑，作者设计的系统选用瑞士进口的数字式温湿度传感器SHTl0.该传感器应用COMS微加工技术，将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上，确保了产品具有品质卓越、响应迅速、抗干扰能力强、性价比高等优点.另外SHTl0在采集结束后能自动进入休眠模式，能够达到低功耗目的，同时SHTl0输出完全标定的数字信号，与Zig Bee节点的连接变得非常简单.

3 无线传感器网络系统软件设计

3.1 ZigBee网络协议栈开发

TI公司在提供无线芯片的同时，也配备了Zig Bee专用网络协议栈Z－Stack.开发人员应用该协议栈，可方便地组建自己的无线通信网络.而CC2530支持最新的ZigBee 2007／PRO协议.相对于以前的协议，ZigBee 2007／PRO在节点密度管理、互操作性、频率捷变、数据负荷管理等方面有重大进步，且具有支持网状网络和低功耗特点.这就使系统具有通信距离更远、组网性能更稳定、功耗更低、可在广袤山区运用的功能.

系统以Zig Bee 2007／PRO协议版本提供的Sample App.eww工程文件作为模板，在IAR8.1环境下开发而成.协议栈通过编程接口函数API自动实现初始化网络管理层设备、配置网络、启动加入网络、传播消息和发现路由，用户无须干预.用户根据设计目的，在应用层开发应用文件，该系统的应用文件能够采集土壤湿度传感器数据和产生继电器开关控制信号.

数字式土壤温湿度传感器SHT10的采集过程有严格的时序对应，首先SHT10的主控制器（该系统中的CC2530）发送一组“启动传输”时序，初始化ST H10；然后主控制器发送测量命令，命令发出后主控制器等待测量完成，测量过程需要20～320 ms，测量进行时ST H10的DATA引脚线一直处于高电平，测量结束后DATA出现低电平，数据可以先保存在寄存器中，所以在等待期间控制器可以执行其他任务，需要时再从寄存器中读出数据；读出的数据由STH10的DATA引脚线串行传输的2 Byte测量数据和1 Byte的CRC奇偶校验码所组成.

把土壤数据采集程序以子程序形式保存到协议栈工程的应用层文件夹APP下，供事件处理程序调用.继电器开关控制信号产生的子程序相对比较简单，当Zig Bee网络收到远程控制平台开关命令时，在对应路由节点的CC2530的P1.0引脚上产生TTL电平输出.

3.2 网关软件设计

网关软件需要对经过网关的数据进行分析、处理，还需要完成各种接口的调用.该系统网关搭载了一个Andr oid2.3操作系统，通过Andr oid操作系统，简单调用接口即可完成对资源的调用.Andr oid系统的整个架构从下到上分为Linux内核层、系统运行库层、应用程序框架层、应用程序层［14］.该系统网关应用层程序流程如图2所示，由图2可知，网关应用层主要完成了数据的判断、处理与发送.

3.3 远程监控平台

系统远程监控平台采用Inter net技术，基于B／S（浏览器／服务器）体系构建，数据传输遵循TCP／IP协议.远程监控服务器如果获得了互联网的固定IP地址，那么任意接入互联网的电脑或其他智能设备都能通过浏览器登录网关的IP地址，进入该土壤湿度监控系统，进行远程实时监控.

远程监控服务器通过以太网接口与系统网关连接，接收网关上传的数据，对数据进行存储、分析、显示等，同时它又接收并响应远程监控浏览器（客户端）的请求，整个监控平台软件的工作流程如图3所示.由图3可知，Zig Bee节点信息通过网关传递给接口处理软件——进程间通信（inter－process communication，简称IPC），IPC再将节点信息传递给业务处理软件——统计过程控制（statistical process control，简称SPC），将SPC插入数据库以供浏览器网页显示，或者将浏览器网页数据下发给SPC，再由IPC解析后传递给Zig Bee节点.

服务器软件由SQL Ser ver2000数据库、Apache Web服务器、浏览器三大部分构成，数据库系统里包括了数据采集数据库、参数设定数据库、设备管理数据库.Apache Web服务器软件用于操作数据库、设计显示界面、响应用户的请求等.浏览器用于网页的显示，是系统的人机对话部分，平台主页如图4所示.通过图4主页左侧的目录，可以实时监测各个传感器采集的数据、查看节点是否在线、设置节点报警阀值、管理历史数据、下达灌溉控制指令等.

4 系统测试实验

该系统在赣南师范学院国家脐橙重点实验室的脐橙实验园区进行了土壤湿度测试实验.实验园区如图5所示，梯田行间距5 m，株距3 m，操作道位于园区中部.实验之前首先对各个传感器进行校准，方法是测量当时室外空气的相对湿度，该湿度应当与当天气象部门发布的空气相对湿度一致.

实验时，使用了1个路由节点、4个终端节点.路由节点外接继电器开关，安放在操作道上；终端节点均连接土壤湿度传感器，分布在连续的两行水平梯田上；每行2个，并以路由节点为中心，形成对路由节点的包围状态，距离路由节点20 m.网关也安放于操作道上，距离路由节点50 m，远程监控服务器通过WIFI与网关连接.土壤湿度传感器埋在距离果树1 m处，节点1至4的传感器所埋深度分别为10、20、30、40 c m，节点天线高15 c m，传感器埋入土壤环境，适应半小时后打开电源开始测量.表1是2014年10月29日通过远程控制平台读取的4个终端节点采集的土壤湿度，传感器每隔10 min发送一次数据.通过平台网页上的“远程控制”，对连接在路由节点的继电器开关发送“开启”或“关闭”信号时，继电器能顺利闭合或断开.

表1 2014年10月29号读取的4个终端节点采集的土壤湿度Tab.1 The soil humidity data collected by 4 ter minal nodes in October 29th 2014 %

另外，还对系统的有效通信距离进行了实验，系统点对点无线传输距离在空旷无遮挡场所可以达到100 m，但在果园环境，因为受到植被的遮挡，还有梯田形状的山体阻挡，当节点直线距离大于50 m时，系统传输很不稳定，距离在50 m以下，系统运行比较稳定.所以布置节点时，终端节点距离路由节点最好控制在50 m以内，并且节点天线尽量靠近梯田外沿，以减小近垂直的梯田壁对信号的阻挡，而路由节点和网关尽量安放在无遮挡无梯田的操作道上，以扩大系统的测量覆盖面积.经过反复测试，结果发现，系统稳定性较好，数据能够可靠传输.

5 结束语

作者针对赣南丘陵地貌的脐橙种植环境，运用ZigBee与Inter net技术，设计了赣南脐橙土壤湿度监控系统.通过该系统，可以远程实时查看土壤湿度信息，同时根据实际需要，种植人员也可以远程监控灌溉阀门的打开与关闭.系统从硬件与软件设计方面保证了低功耗、低成本、高安全性，经过实地测试，证明了该系统能够达到预定的功能要求.系统对于提高种植劳动生产率、节约用水、降低脐橙生产成本、促进赣南脐橙的可持续发展有重要意义.基于此系统，今后作进一步研究的主要内容有：（1）进一步增强系统的抗干扰性，扩大系统覆盖面.（2）进一步减小系统能耗，同时系统供应电源方面，需因地制宜，寻找即方便布线，又安全环保的供电方式，如太阳能供电.（3）根据土壤湿度传感器采集的信息，系统能完全自动决策，自动打开或关闭灌溉阀门，做到智能化精准灌溉.

致谢：系统的设计及论文的写作均得到了第一作者在华南理工大学做国内访问学者时的导师胥布工教授的精心指导，在此对胥教授表示深切的谢意！

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