基于无线传感网络湿度自适应的折射式喷灌喷头设计

余　鸣，傅志中，刘晓玲

( 1.芜湖职业技术学院 电气工程学院，安徽 芜湖　241000；2.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海　200093；3.济南职业学院 计算机系，济南　250103)



基于无线传感网络湿度自适应的折射式喷灌喷头设计

余鸣1，傅志中2，刘晓玲3

( 1.芜湖职业技术学院 电气工程学院，安徽 芜湖241000；2.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海200093；3.济南职业学院 计算机系，济南250103)

摘要：为了降低风和蒸发因素对喷灌效果的影响，针对我国农业种植的分散和多样性特点，提出了一种适用于生态农业的节水喷灌喷头结构，并设计了具有无线传感网络湿度自适应感应能力的电控阀门，可以根据土壤的湿度情况自动实时灌溉作业，从而有效节约了水资源。本设计的节水喷灌喷头在结构上增加了反向补气嘴，使喷头可以完成直射、步进和反向旋转动作，灌溉系统使用短距离无线通信协议，构建了无线通信网络，使用MSP430和CC2420为主要部件搭建了硬件平台。利用田间试验的方法对喷灌喷头的性能进行了测试，结果表明：传感器采集数据的误差均在精度允许的范围内，采集数据的可靠性较好，节水喷灌喷头可以有效的节约利用水，节水率较高，并且灌溉耗时短，提高了灌溉的质量和效率。

关键词：传感网络；喷灌喷头；补气嘴；自适应；折射式；MSP430

0引言

近年来，国内外对节水灌溉技术进行了深入的研究，并且将无线传感技术方案应用到了节水灌溉系统中，如基于GSM/GPRS的自动灌溉系统等。这些系统功能非常强大，可以根据实时气象信息，对灌溉做出预测，并通过分析历史数据，调整灌溉方案，使灌溉的效果达到最优。但是，这些系统成本较高，系统也非常庞大，不能适应分散多样的灌溉地块。无线传感网络是一种结构简单、管理方便的通信网络，可以有效地解决小面积灌溉区域的自动化灌溉问题，将其应用在节水灌溉系统中可以发挥较大的作用，使灌溉过程更加智能化。使用无线传感网络在灌溉区域可以布置无线传感器节点，对作物的生长状况和土壤的温度湿度进行实时监测，结合气候和土壤的墒情对农田进行自适应灌溉，可以有效地提高灌溉的效果。其安装和维护管理成本低，对生态环境没有影响，因此具有重大研究意义和广阔应用前景。

1节水喷灌喷头机械结构改进

除了水稻之外，大部分农田都可以使用喷灌的方式进行灌溉。喷灌方式对土壤的适应性较好，可以起到明显的节水和增收效果，使农田灌溉由传统的人工劳动转变为机械化、半自动化甚至全自动化，提高了农业灌溉的现代化水平。在多风和蒸发强烈的地带，喷灌的效果容易受气候条件的影响，有时候比较难发挥其优越性，需要对其结构进行改进，改进后的结构如图1所示。

1.转体连接座　2.空心轴　3.限位环　4.换向机构　5.喷体

改进后的喷头采用折射式喷水，在喷头工作时，左边利用反向小孔补气，右边通过间隙补气，从而保证两边压力相等。当信号水流入水孔后堵住水孔间隙，此时左侧压力大于右侧压力，喷头开始转动，导管中的水抽完后，小孔进入空气，喷头恢复直射状态，喷头折射式射流部件如图2所示。在结构上增加了反向补气嘴，信号水的流动和终止使主射流区域形成旋涡区，反向补气嘴使主射流的压力在高低间进行切换，主射流两端形成压差，使喷头完成直射、步进和反向旋转。

1.反向补气嘴　2.信号水接嘴　3.出口盖板

为了提高喷头节水喷灌的自适应调节能力，在喷头结构上增加了电控阀门，利用反馈自适应调节系统，控制阀门的通断和流量，使整个灌溉控制过程形成一个闭环的控制回路，改变控制的参数和结构，提高控制的质量,如图3所示。

图3　反馈自适应控制结构图

图4为本研究设计的喷头成品结构的示意图。该喷头为折射式喷灌喷头，不仅可以实现步进和反向旋转，而且可以降低风和蒸发因素对灌溉效果的影响，并具有自适应调节能力，可以大大提高喷灌的质量和效率。

图4　喷头结构示意图

2喷灌喷头自适应无线传感网络控制

无线传感网络是一种相对独立的计算机网络，其构成的基本要素是路由节点，在不同用途的无线传感网络中，节点的构成也是不同的，但基本都是由4部分组成的，包括数据处理模块、通讯模块、传感器模块和能量供给模块，其结构如图5所示。

图5　无线传感网络结构框架图

在架设无线传感网络时，首先在感兴趣的区域放置传感器节点，利用自组织功能形成无线传感网络。节点可以采集信息也可以发送信息，节点通过网络和控制中心进行通信，通过预先设定的数值和采集数值进行对比，发出控制指令，其控制过程为闭环反馈调节。闭环控制系统采用输入-输出方程建立自适应模型，其微分算子的表达式为

Dm(p)ym=Nm(p)r

(1)

其中，r表示信号的输入量；ym表示信号的输出量；p表示微分算子。Dm、Nm的表达式为

(2)

(3)

其中，ami、bmi分别表示参考模型方程输入量和输出量的常系数。在自适应调节方案中，系统调节方程为

Ds(t,p)ys=Ns(t,p)r

(4)

(5)

(6)

其中，ys是表示调节系统的输出信号；ey表示输出误差；asi(ey,t)和bsi(ey,t)表示调节系统方程的时变系数，系数的值可以通过自适应误差调节得到。将初始系统和可调节系统进行综合可得

Ds(p)ys=Ns(p)[r+u(ey,t)]

(7)

(8)

(9)

对自适应控制系统方程进行离散化可得

(10)

(11)

[ym(k-1),…,ym(k-n),r(k),…,r(k-m)]

(12)

在节水灌溉喷头的设计中，可以参考自适应控制系统，将传感器节点分布在喷头上，利用自适应调节来调整喷头的开放时间，达到土壤湿度的总体平衡，以适应农作物的生长。

图6为自适应调节节水喷头的设计原理。其控制机构为电控阀门，在灌溉区域，根据作物的种植生长和分布状况，合理的布置节水喷头，并在喷头位置装载无线传感器网络节点，形成多个小型监测区域，对土壤的湿度和温度进行实时监测；监测数据利用无线网络发送到监控中心，监控中心对数据进行分析后发出控制指令。数据采集的流程如图7所示。

图6　自适应调节喷头设计原理

传感器模块利用SHT10传感器实现对温度和湿度的采集。该传感器内置A/D转换芯片，可以将采集得到的模拟信号转换为数字信号，数据传送到MSP430后对数据进行分析，发出控制指令，其流程如图8所示。在发送控制数据时，FIFO和FIFOP仍然与接收缓存RXFIFO的状态相关联，只有SFD引脚指示发送状态，操作CC2420发送缓存TXFIFO，控制电控阀门通断，实现喷头喷水的自适应调节。

图7　传感器数据采集流程

图8　控制指令发送过程

3折射式喷灌喷头性能测试

折射式节水灌溉喷头的性能可以通过试验进行验证。本次试验地点选在农田里，在喷头对应位置安装了温度湿度传感器，通过自组织形成了一个灌溉系统的无线传感网络，其测试过程示意如图9所示。

图9　节水灌溉喷头性能测试

测试过程中，首先使用温度和湿度传感器对温度和湿度数据进行采集，并利用MSP430和CC2420处理数据和发送控制指令，传感器采集得到的数据如表1所示。

表1　温湿度传感器的测量值

这些测量值是在同一地点的不同时刻重复测量完成，记录下了6次测量数据。由测量数据可看出：通过传感器采集得到的数据和常规温度计测量的数据基本相同，温度的数值范围约为28~29℃，湿度的数值范围约为55%~61%，其误差在精度允许的范围内，测量数据的可靠性较好。

表2　喷头节水灌溉测试结果

表2表示喷头节水灌溉的测试结果。由测试结果可以看出：对喷头进行改进后，使用自适应调节节水灌溉可以有效地节约用水，提高灌溉用水的利用率，且能够节省灌溉耗时，提高灌溉效率。

4结论

1)提出了一种可以有效地降低风和蒸发因素对喷灌效果影响的喷头机械结构，该喷头增加了反向补气嘴，使喷头可以完成直射、步进和反向旋转动作。针对我国农业种植的分散和多样性特点，提出了具有自适应调节能力的灌溉系统无线传感网络方案，设计了自适应调节的电控阀门，可以控制喷头的通断和流量，从而大大提高了水资源的利用率，提高了灌溉的效率。

2)使用MSP430和CC2420为主要部件搭建了硬件平台，并在田间利用温度和湿度传感器节点自组织构建了无线通信网络，对喷头的喷灌性能进行了测试。测试结果表明：传感器节点可以有效地采集温度和湿度数据，数据精度较高。使用折射式喷灌喷头可有效地提高水资源的利用率，缩短了灌溉耗时，提高了灌溉的效率。

参考文献：

[1]巩兴晖,朱德兰,张林,等.基于2DVD的非旋转折射式喷头水滴直径分布规律[J].农业机械学报, 2014,45(8):128-133,148.

[2]庞娜,程德福.基于ZigBee无线传感器网络的温室监测系统设计[J].吉林大学学报,2010,28(1):55- 60.

[3]李皓.基于ZigBee的无线网络技术的应用[J].信息技术,2008(1):12-14.

[4]张泾周,杨伟静,张安详.模糊自适应PID控制的研究及其应用仿真[J].计算机仿真.2009,26(9): 132- 135.

[5]许俊杰,陈磊,董辛旻.基于Zigbee的振动监测无线传感器网络设计[J].机床与液压,2010,38(22): 108-109.

[6]刘繁明,邢坤,孙铭雪.基于WinCE的机车故障监测系统智能显示单元设计[J].应用科技,2010, 39 (7):58-59.

[7]李文新,王广龙,陈建辉.基于S3C2440和WinCE的嵌入式传感测控系统[J].计算机测量与控制, 2009,17(8);52-54.

[8]何伟,陈彬,张玲.DSP/BIOS在基于DM642的视频图像处理中的应用[J].信息与电子工程,2006, 4(1):60-62.

[9]龚菲,王永骥.基于神经网络的PID参数自整定与实时控制[J].华中科技大学学报：自然科学版, 2002,30(10):298-305.

[10]赵望达,鲁五一,徐志胜,等.PID控制器及其智能化方法探讨[J].化工自动化及仪表,1999,26(6): 45-48.

[11]谷传纲,阎防,王彤.采用改进的BP神经网络预测离心通风机性能的研究[J].西安交通大学学报,1999,33(3):43-47.

[12]郭艳兵,齐古庆,王雪光.一种改进的BP网络学习算法[J].自动化技术与应用,2002,26(2):13-14.

[13]周怡颋,凌志浩,吴勤勤.ZigBee无线通信技术及其应用探讨[J].自动化仪表,2005,26(6):5-9.

[14]谢敏,徐会冬.智能传感器SHT11在单片机嵌入式系统中的应用[J].现代电子技术,2005,28(14): 89-92.

[15]赵星星,罗克露.嵌入式实时操作系统移植技术的研究与应用[J].计算机工程,2007,33(17):90-92.

[16]王旭东,路军,马毓潇.墒情监测及节水灌溉自动控制系统开发与应用[J].水利技术监督，2006(2): 38-39.

[17]夏春华,方部玲,金永奎.节水灌溉系统自动控制的研究应用[J].农业网络信息，2004(12):18-20.

[18]徐全波,刘成良,林海，等.基于GSM/GPRS的墒情数据无线监测系统[J].微处理机,2007,5:61-63.

[19]代媛,杨龙,何东健.ZigBee在作物种植环境监测系统的应用[J].微计算机信息,2009,25(1-2): 23-24.

[20]曹元军,王新忠,杨建全.基于无线传感器网络的农田气象监测系统[J].农机化研究,2008(12):163- 165.

[21]回楠木,李永刚,王成.基于Zigbee的无线农田测控系统[J].微计算机信息,2008,24(8-3):52-53.

[22]刘卉,汪懋华,王跃宣，等.基于无线传感器网络的农田土壤温湿度监测系统的设计与开发[J].吉林大学学报：工学版,2008,38(3):604-608.

[23]曾炼成,罗志祥,解志坚.基于无线传感器网络的农田自动节水灌溉系统[J].农业网络信息,2008(11): 13-15.

[24]尹航,张奇松,程志林.基于ZigBee无线网络的温湿度监测系统[J].机电工程,2008,25(11):20-23.

[25]封瑜,葛万成.基于ZigBee技术的无线传感器网络构建与应用[J].电子工程师,2007,33(3):21-23.

[26]王水璋,闫文娟.基于MSP430与CC2420的自组织无线传感器网络设计[J].科技情报开发与经济,2008,18(33):134-136.

[27]宋迪,程志华,牛斗，等.WSN在新型蔬菜大棚中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用,2008(9):64-68.

[28]张兵,林建辉,伍川辉.基于ZigBee技术无线传输网络的设计与实现[J].仪表技术与传感器,2009(2):49-52.

Design of Refraction Sprinkler Head Based on Humidity Adaptive Wireless Sensor Network

Yu Ming1,Fu Zhizhong2,Liu Xiaoling3

(1.School of Electrical Engineering ,Wuhu Institute of Technology, Wuhu 241000, China; 2.School of Opto Electronic and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technolog,Shanghai 200093,China; 3.Department of Computer, Jinan Vocational College, Jinan 250103 ,China)

Abstract：In order to reduce the influence of the wind and evaporation factors on the sprinkler irrigation effect, it puts forward a kind of water-saving sprinkler nozzle structure, which is suitable for ecological agriculture according to the characteristics of agricultural planting in our country. The proposed water-saving sprinkler in the structure increased reverse air supply nozzle mouth, nozzle can be accomplished with Direct, step and reverse rotation, irrigation system uses short distance wireless communication protocol, the wireless communication network is constructed. And it builds a hardware platform as the main components by using MSP430 and CC2420. The test results can be obtained by the method of field test. The error of sensor acquisition data is in the range of accuracy, the reliability of the data acquisition is good. The water-saving sprinkler nozzle can save the use of water, the water saving rate is relatively high, and the irrigation time is short.

Key words：wireless sensor network; sprinkler; air supply nozzle; adaptive; refraction; MSP430

中图分类号：S126；S491

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)11-0081-05

作者简介：余鸣(1957-)，男，安徽桐城人，副教授。通讯作者：刘晓玲(1977-)，女，济南人，副教授，硕士，(E-mail)57yfl@sina.com。

基金项目：山东省科技厅项目(BS2013DX004)

收稿日期：2015-09-04