便攜式無線墑情監(jiān)測儀在柑橘園墑情監(jiān)測的應用

1、托普儀器致力于中國農業(yè)儀器的發(fā)展 便攜式無線墑情監(jiān)測儀在柑橘園墑情監(jiān)測的應用摘要：針對傳統(tǒng)的土壤墑情監(jiān)測手段存在的監(jiān)測范圍小、采樣率低等不足，而采用bws-100的便攜式無線墑情監(jiān)測儀就可以解決這些問題。網絡和j2ee三層bs架構技術的柑橘園土壤墑情遠程監(jiān)控系統(tǒng)采用具有zigbee無線數(shù)據傳輸功能的xbeepro模塊和ech20犁土壤水分傳感器ec5為核心組成傳感器節(jié)點，部署于柑橘園的各個采集點對土壤墑情信息進行采集、預處理和無線發(fā)送等j二作，通過基于arm9的嵌入式嘲關與internet網絡連接，采集數(shù)據傳輸至遠程web主機，通過遠程監(jiān)控中心系統(tǒng)實現(xiàn)對采集數(shù)據分析處理和系統(tǒng)運行的遠程和實時監(jiān)

2、控。進行了不同距離的傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據包的耗時和數(shù)據包發(fā)送成功率試驗，在1 km以內耗時低于100 ms，數(shù)據包發(fā)送成功率高于98。試驗結果表明，系統(tǒng)實現(xiàn)了穩(wěn)定可靠的數(shù)據傳輸，適合柑橘園土壤墑情的遠程和實時監(jiān)控。關鍵詞：土壤墑情，監(jiān)控，設計，zigbee技術，柑橘園0引言柑橘是世界第一大水果，全世界的柑橘種植面積約為74萬hm2，全球有135個國家和地區(qū)生產柑橘，柑橘也是世界第三大貿易農產品。柑橘在中國有著悠久的栽培歷史，中國柑橘栽植面積居世界首位，年產量居世界第一位(the 11m international citrus congress，2008)。近年來在發(fā)展柑橘優(yōu)勢產業(yè)的過程中，柑橘

3、生產中季節(jié)性干旱影響產量和品質的問題越來越突出。柑橘園土壤含水率的多少，直接影響著果樹新梢和果實的生長【l】。通過調節(jié)土壤水分對溫州蜜柑產量及果實品質影響的研究表明，土壤含水率與柑橘的產量和品質密切相關，且當土壤含水率是土壤最大含水率的75左右時最利于柑橘果實產量和品質的提高。因此，迫切需要一種合適的技術來實現(xiàn)柑橘園土壤墑情信息的快速和有效獲取，以便在高溫干旱少雨期利用珍貴的有限水資源對柑橘進行適時適量的灌溉，滿足柑橘對水的生理需求，從而確保柑橘的穩(wěn)產增收。土壤墑情，也稱土壤水分，是指在特定的土壤中所含水分多少的狀況。它是十壤自身的重要組成物質之一，也是構成土壤肥力的一個重要因素，更是農田作物

4、生長生育的基本條件【2】。如何實現(xiàn)土壤墑情信息的快速和有效獲取，以及如何實現(xiàn)信息傳輸?shù)牡统杀竞透呖煽啃允乾F(xiàn)代農業(yè)工程中的一個重要研究內容，農業(yè)生產的環(huán)境和生產過程的特殊性，使得土壤墑情信息獲取具有很大困難。由于傳統(tǒng)土壤墑情監(jiān)測手段的監(jiān)測范圍小、人工依賴性大、監(jiān)測困難等，在實際應用中有很大的限制。近年來，中國科研人員雖然開發(fā)成功了一些土壤墑情遠程監(jiān)測系統(tǒng)，然而從應用現(xiàn)狀來看，現(xiàn)有的土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)還存在明顯不足i孓71。大多數(shù)系統(tǒng)采用rs232總線、can總線等有線通信技術，雖然具有設備互操作性好、抗干擾能力強等優(yōu)點，但由于采集點分散、所使用的線纜成本較高，而且不易擴展、維修困難；部分系統(tǒng)采用如

5、藍牙、gsm等無線通信技術，具有速度快、運行可靠、可遠距離傳輸?shù)忍攸c，但功耗大、成本高等不足也限制了這些技術的進一步推廣應用。zigbee技術是一種新興的低功耗、低速率和低成本的無線通信技術，主要用于近距離無線通信。針對現(xiàn)有的土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題，為此本研究把傳感器檢測技術、zigbee無線網絡技術與和計算機web應用軟件開發(fā)等技術相結合，開發(fā)具有自主知識產權的柑橘園土壤墑情遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對柑橘園的土壤墑情信息的自動采集、無線傳輸、實時監(jiān)測、網絡發(fā)布和遠程監(jiān)控等功能，既滿足了柑橘生產的需要，又解決了傳統(tǒng)監(jiān)測手段的種種不足和諸多困難。1 系統(tǒng)整體結構設計11系統(tǒng)整體結構柑橘園土壤墑情遠

6、程監(jiān)控系統(tǒng)整體結構如圖1所示。從邏輯結構上系統(tǒng)可劃分為3個子系統(tǒng)：數(shù)據采集與傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據存儲與管理子系統(tǒng)、遠程監(jiān)控中心軟件子系統(tǒng)。數(shù)據采集與傳輸子系統(tǒng)：數(shù)據采集節(jié)點由部署在柑橘園內大量傳感器節(jié)點組成。這些節(jié)點是由采集節(jié)點和一個匯聚節(jié)點組成。采集節(jié)點用于采集柑橘園內的土壤墑情信息，以無線通信方式發(fā)送給匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點作為整個網絡的核心節(jié)點，把接收的采集信息傳送到一個帶有arm核心模塊的網關，通過intemet網絡，網關把采集信息傳送至遠程web主機。數(shù)據存儲與管理子系統(tǒng)：由sqlserver2005數(shù)據庫服務器平臺和運行在數(shù)據庫服務器上的數(shù)據分析處理程序組成。該系統(tǒng)接收并處理網關傳送過來的

7、信息，如屬于合法信息則存儲到數(shù)據庫中。此外數(shù)據庫中還存儲了無線傳感網絡的配置信息、傳感器節(jié)點各種屬性信息和操作人員信息等系統(tǒng)信息。遠程監(jiān)控中心軟件子系統(tǒng)：遠程監(jiān)控中心軟件子系統(tǒng)是監(jiān)測整個系統(tǒng)運行的窗口，由于系統(tǒng)是基于bs架構的網絡應用系統(tǒng)，能實現(xiàn)不同的人員，從不同的地點，以不同的接入方式(如lan、intemetintranet等)對系統(tǒng)進行操作訪問，有效地保護了數(shù)據平臺和管理訪問權限。授權用戶通過客戶端瀏覽器臀錄系統(tǒng)后能夠讀取數(shù)據庫的相關數(shù)據，實現(xiàn)對傳感器節(jié)點土壤墑情采集信息的分析、查詢、下載等功能操作或者數(shù)據圖形繪制等圖形顯示功能操作，還可以對系統(tǒng)的運行和監(jiān)測區(qū)域內的傳感器節(jié)點進行監(jiān)控，通

8、過下達指令使傳感器節(jié)點完成相應的任務。12系統(tǒng)硬件選型與設計無線傳感器。9絡的硬件系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點和網關組成，傳感器節(jié)點的組成可以分為與應用相對獨立和與應用相關兩部分，前一部分又稱為處理器平臺，包括計算部件、存儲部件、通信部件和電源部件等：后一部分包括傳感部件、模一數(shù)轉換(adc)部件等。處理器模塊是傳感器節(jié)點的計算核心，本系統(tǒng)傳感器節(jié)點所采用的處理器模塊為digi公司為無線傳感器網絡節(jié)點推出的xbeepro模塊。xbeepro模塊是與zigbeeieee 802154兼容的解決方案，可以滿足低成本低功耗無線傳感網絡的特殊需求。xbeepro模塊功耗極低，發(fā)送電流僅為45 ma。而且支持睡

9、眠模式，睡眠電流可低于10口a。工作頻率波段在ism 24 ghz，提供數(shù)據的可靠傳輸。由于設計上的創(chuàng)新，xbeepro模塊在通信范圍一i-可以超越標準zigbee模塊23倍，室外rf可視距離高達1英里(16 km)，這樣可以用更少的設備覆蓋更大的面積，也就大大降低了系統(tǒng)開發(fā)的成本。傳感器是進行數(shù)據采集的基礎和前提，是組成無線傳感器網絡的基本單位，它的主要作用是負責采集監(jiān)測區(qū)域的信息并完成數(shù)據的轉換，它的準確性和合理性對整個監(jiān)控系統(tǒng)的性能有重要影響。對于傳感器的選用，應遵循實用、經濟、標準、耐用的原則。以土壤水分測量傳感器為例，綜合整個系統(tǒng)的設計和對傳感器節(jié)點節(jié)能的設計要求，選擇了美國deca

10、gon公司研制的ech20型土壤水分傳感器ec5。ec5電路受溫度的變化影響較小，傳感器外層物質受鹽堿度的影響較小，便于掩埋土壤的不同的深度，并且具有0002 m3m3的高分辨率，可以長時間的測量，具體輸出電壓與土壤含水率成比例。ec5與其他同類土壤水分傳感器相比，電壓要求很低，在休眠狀態(tài)不消耗任何能量，要完成1次測量，只需向其提供幅值為25 v，電流為10 ma，持續(xù)時間大于10 ms的脈沖。這樣可以降低系統(tǒng)的功耗，延長系統(tǒng)的牛命周剃圳。本系統(tǒng)以ec5在柑橘園內不同土壤含水率影響下的輸出電壓均值作為傳感器在該含水率水平下的測量值，并對數(shù)據之間的關聯(lián)性進行分析，確定待測土樣的含水率與其所對應的

11、傳感器輸出值之間的數(shù)學函數(shù)關系。土壤含水率在本系統(tǒng)采用質量含水率，它是指單位質量的土壤中水分質量的多少，常用符號如表示?？捎檬?1)進行計算。1)制作標準土樣。采集柑橘園內一系列的的待測土樣于鋁盒中，采集區(qū)盡量位于傳感器節(jié)點的部署區(qū)域，然后放入電熱恒溫式鼓風干燥箱中烘干。2)根據將要配置的土樣含水率的要求，將鋁盒進行編號，從l到10，用電子天平稱出不同編號杯子的質量，并進行記錄，取一定質量的土樣分別放入10個鋁盒中，對于每一份樣品，用電子稱稱出樣品的總質量，即鋁盒與所裝入的土樣的總質量。將稱出的總質量減去剛才記錄的相應編號的鋁盒質量，求出每個鋁盒中烘干土的質量。用噴水器分別向鋁盒中的土樣行間隔

12、性噴灑一定質量(310 g)的水，這樣做的原因是可以人為的造成不同質量含水率的土壤樣本。對于每一份樣品，用電子稱稱出樣品的總質量，即鋁盒、土和所加水的總質量。利用前面記錄的相應編號的鋁盒和烘干土質量，相減求出所加水的質量。3)用ec5傳感器分別對待測七樣進行測鼉，每隔5 s測一個值，連續(xù)測10個值，并取其均值作為攝終測量值。通過excel軟件對最終測量值進行回歸分析，計算出標定函數(shù)關系方程式如圖2所示。14節(jié)點通信協(xié)議的設計節(jié)點的通信除了保證無線通信模塊的正常工作外，還應該具備一套穩(wěn)定可靠的通信協(xié)議。系統(tǒng)中的大量傳感器節(jié)點組成了無線傳感網絡，每個傳感器節(jié)點具有網絡內唯一的id。系統(tǒng)節(jié)點間的通信

13、符合zigbee協(xié)議標準，在zigbee api(應用程序編程接lj)數(shù)據結構的基礎上結合柑橘園土壤墑情遠程監(jiān)控系統(tǒng)應用特點加入了系統(tǒng)自定義的控制信息等內容，定義的數(shù)據幀結構如表1所示。表1中，幀類型表示數(shù)據幀類型，0表示傳感器土壤含水率測量，l表示節(jié)點如能量、發(fā)射功率等其他信息。系統(tǒng)中設定目標節(jié)點id為0xff表示傳感器節(jié)點把自己的測量結果都發(fā)送給匯聚節(jié)點，再由匯聚節(jié)點傳送到網關，通過internet網絡，網關把采集信息傳送至遠程web主機。數(shù)據幀的校驗和用以驗證數(shù)據傳輸?shù)臏蚀_性，表示為0xff一幀類型字段開始的所有字節(jié)和。15網關的設計網關就是能把兩個使用不同協(xié)議的網絡段連接在一起的設備，

14、它負責網絡間協(xié)議轉換、不同網絡類型的網絡數(shù)據聚集、存儲和處理等霞要操作，成為連接網絡間不可缺少的紐帶10-111。在柑橘園七壤墑情遠程監(jiān)控系統(tǒng)中網關是實現(xiàn)系統(tǒng)遠程監(jiān)控的橋梁，是整個系統(tǒng)中“承上啟下”的關鍵部分，因此設計出高效、穩(wěn)定的網關是系統(tǒng)的的重要組成部分。本系統(tǒng)中配置了一個代理服務器來連接內部無線傳感網絡和外部intemet網絡。代理服務器選用了一款基于samsung$3c2440a內核的嵌入式開發(fā)平臺廣嵌gec2410，如圖3。1)網關與匯聚節(jié)點數(shù)據傳輸?shù)脑O計。網關模塊與匯聚節(jié)點的數(shù)據傳輸主要通過arm中斷來實現(xiàn)的，當傳感器節(jié)點把采集的土壤墑情信息傳送到匯聚節(jié)點時，引發(fā)網關的arm中斷，

15、通過編寫的中斷響應程序網關把匯聚節(jié)點傳送過來的采集信息進行解析處理。2)網關與遠程主機數(shù)據傳輸?shù)脑O計?？紤]到對數(shù)據傳輸?shù)母呖煽啃?，網關與遠程主機之問的數(shù)據傳輸采用的是面向連接的客戶機一服務器模型，通過編程調用嵌入式liunx下的socket接口編程函數(shù)來實現(xiàn)建立起兩個具有唯一ip地址的客戶端(網關)和服務器端(遠程主機)的socket網絡連接，并通過tcpip協(xié)議網關把接收的采集信息傳送至遠稃毛機。3)tslib觸摸屏應用系統(tǒng)設計。在開源觸摸屏支持庫tslib基礎上。設計開發(fā)了觸摸屏界面應用系統(tǒng)。操作人員可以通過該應用系統(tǒng)在觸摸屏選擇相應的功能來實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。如在觸摸屏上點擊復位按鈕可以實

16、現(xiàn)實現(xiàn)網關復位，此外觸摸屏界面應用系統(tǒng)還提供網關與匯聚節(jié)點或遠程主機數(shù)據通信過程中的數(shù)據顯示功能。16遠程監(jiān)控中心軟件系統(tǒng)設計與實現(xiàn)遠程監(jiān)控中心軟件系統(tǒng)在整個系統(tǒng)運行中起著核心的作用，本系統(tǒng)采用基于j2ee(java2 platformenterpriseedition)的三層bs架構，該應用架構還集成了j2ee最新發(fā)展的成熟框架技術，即struts應用框架技術和hibernate應用框架技術，為系統(tǒng)在大負荷量和長時間工作狀態(tài)f的穩(wěn)定性提供了良好的保證，其軟件結構框圖如圖4所示。1)節(jié)點管理模塊。節(jié)點管理模塊豐要是對柑橘園內的傳感器節(jié)點進行管理。包括記錄傳感器節(jié)點當前的能量狀況、節(jié)點id和發(fā)射

17、功率等信息。2)用戶管理模塊。用戶管理模塊是系統(tǒng)安全保障的一個重要環(huán)節(jié)，用戶登陸是所有用戶對系統(tǒng)訪問操作的必經通道，它負責用戶合法性判斷、用戶權限分配，系統(tǒng)采用了基于角色的權限管理，將不同的用戶劃分為不同的角色，用戶在對系統(tǒng)資源訪問操作之前，必須經過嚴格的權限校核過程，使得用戶只能在其權限范圍內，調用特定的操作及訪問特定的數(shù)據資源。3)數(shù)據管理模塊。為方便操作人員對傳感器節(jié)點采集信息進行分析處理，數(shù)據管理模塊提供了強人的數(shù)據管理功能。包括對數(shù)據的查詢、打印、備份與統(tǒng)計等操作，采用動態(tài)實時曲線圖方式和報表方式顯示監(jiān)測指標的變化情況。數(shù)據管理模塊主要包括數(shù)據采集子模塊、數(shù)據備份子模塊、數(shù)據存儲子模

18、塊等功能模塊組成。4)日志管理模塊。日志是系統(tǒng)對某些對象的操作和其操作結果，每一個日志文件由很多的事件記錄組成。記錄中包含了一個時問戳和一個消息。由于系統(tǒng)傳感器節(jié)點部署環(huán)境是在廣闊的無人值守的柑橘園環(huán)境，系統(tǒng)運行過程中會產生錯誤信息、警告信息和一些其他重要的日志信息，日志管理模塊對了解系統(tǒng)運行狀態(tài)，保障系統(tǒng)安傘也有重要作用。2系統(tǒng)性能測試本系統(tǒng)首先在實驗室內按系統(tǒng)的組成部分進行系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)和測試，并以此為基礎進行集成測試，當系統(tǒng)運行穩(wěn)定、綜合性能指標達到設計要求時，再到實際現(xiàn)場進行系統(tǒng)安裝、測試和應用。本試驗在華南農業(yè)大學的柑橘園進行，通過在柑橘園內分別部署10個與匯聚節(jié)點不同距離的傳感器

19、節(jié)點來采集不同地點的土壤墑情信息，傳感器節(jié)點數(shù)據采樣時間間隔設為60 min，采集信息傳送至匯聚節(jié)點，再經網關傳送至遠程web主機。試驗中各傳感器節(jié)點每天應發(fā)送數(shù)據包24個，試驗共7 d，節(jié)點數(shù)據報發(fā)送總數(shù)為24-168個，根據匯聚節(jié)點接收到的各傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據包來計算其數(shù)據包發(fā)送成功率，用式(2)進行計算由表2可以看出，系統(tǒng)整體運行情況良好，工作性能穩(wěn)定，具有較強的可靠性。當傳感器節(jié)點與匯聚節(jié)點距離在800 m以內，數(shù)據包發(fā)送成功率為100，數(shù)據包發(fā)送耗時也在60iils以內，當距離超過1 000m，隨著無線通信信號的衰減，傳感器節(jié)點數(shù)據包發(fā)送成功率下降明顯，發(fā)送數(shù)據包的耗時也直線上升。

20、而xbeepro模塊室外rf可視距離理論上可達l 600 m，實驗與理論效果也基本吻合。由此可見當沒有路由節(jié)點的時候，傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點的距離戍該在1 000 m以內才能達到比較好的試驗效果，當采集節(jié)點和匯聚節(jié)點的距離超過l 000 m，應該在它們之間部署路由節(jié)點來提高采集節(jié)點的數(shù)據包發(fā)送成功率。上述試驗結果表明，本文研究開發(fā)的柑橘園土壤墑情遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要的意義在于：1)自動監(jiān)測。在zigbee api的基礎上，設計了節(jié)點通信協(xié)議，開發(fā)了數(shù)據采集與傳輸子系統(tǒng)。所部署的傳感器節(jié)點能夠可以快速、自組成一個獨立的無線傳感網絡，對監(jiān)測區(qū)域內的土壤墑情進行實時、自動監(jiān)測。匯聚節(jié)點通過網關設備把采集節(jié)

21、點發(fā)送過來的采集信息傳送至遠程web主機。與傳統(tǒng)的土壤墑情監(jiān)控系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)在簡化設備安裝布線、降低系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)移動性和便捷性等方面效果十分顯著，并提高了對監(jiān)測區(qū)域的監(jiān)測覆蓋面積。2)遠程監(jiān)控。這也是本系統(tǒng)的主要目標，由于傳感器節(jié)點采集數(shù)據通過匯聚節(jié)點最終傳送至遠程web主機，通過開發(fā)的一整套數(shù)據存儲與管理系統(tǒng)和遠程監(jiān)控中心系統(tǒng)，操作人員通過客戶端瀏覽器就可以從不同的地點，以不同的接入方式(如lan、internetintranet等)登陸web主機上的遠程監(jiān)控中心軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)對采集數(shù)據的分析處理和系統(tǒng)運行的遠程、實時和精準監(jiān)控。3、便攜式無線墑情監(jiān)測儀簡介便攜式無線墑情監(jiān)測儀功能特

22、點：tft觸摸式（5.0英寸）彩屏顯示、操作。儀器所用傳感器測量精度高，響應速度快（2秒鐘）。內置8.4v-10ah鋰離子電池開機后2分鐘內無操作則自動關機，節(jié)約電量。一體結構，最深可測量1m深度，無需另配延長桿。主機可以在屏幕上對時間、墑情旱情等級、作物種類、作物生育期及土壤深度進行相應的選擇，所采集數(shù)據可通過無線傳輸上傳到全國墑情監(jiān)測系統(tǒng)。實時顯示采集、gps衛(wèi)星定位、保存、查看數(shù)據，可以隨時查看、刪除數(shù)據。信號強度、電池電量、經度、緯度數(shù)據顯示。儀器外形堅固，美觀大方，傳感器密封性好，耐腐蝕，能適應各種惡劣環(huán)境，使用壽命長。土壤質地影響較小，應用地區(qū)廣泛,適合中國國情。便攜式無線墑情監(jiān)測

23、儀技術參數(shù)：工作電壓：712v 工作電流：8.4v/125ma 待機電流：200ua 數(shù)據存儲容量；40000組 相對濕度：90% 環(huán)境工作溫度：-1060 水分單位：%（m3/m3） 含水率測試范圍：0100% 經度：0100 緯度：090 坐標精度：0.01 測試反應時間：2秒 測試的絕對誤差：2% 相對百分誤差：3% 土壤水分探頭工作溫度：-1070 電源：內置8.4v-10ah鋰離子電池 儀器重量：3kg 待機時間：一個月 3結論與討論本文介紹了柑橘園土壤墑情遠程監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)架構、硬件設計以及試驗驗證效果。結果表明，在1 km以內耗時低于100 ms，數(shù)據包發(fā)送成功率高于98兇為系統(tǒng)采用了zigbe