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1、便携式无线墒情监测仪在柑橘园墒情监测的应用摘要：针对传统的土壤墒情监测手段存在的监测范围小、采样率低等不足，而采用BWS-100的便携式无线墒情监测仪就可以解决这些问题。网络和J2EE三层BS架构技术的柑橘园土壤墒情远程监控系统采用具有ZigBee无线数据传输功能的XBeePRO模块和ECH20犁土壤水分传感器EC5为核心组成传感器节点，部署于柑橘园的各个采集点对土壤墒情信息进行采集、预处理和无线发送等J二作，通过基于ARM9的嵌入式嘲关与Internet网络连接，采集数据传输至远程Web主机，通过远程监控中心系统实现对采集数据分析处理和系统运行的远程和实时监控。进行了不同距离的传感器节点发送
2、数据包的耗时和数据包发送成功率试验，在1 km以内耗时低于100 ms，数据包发送成功率高于98。试验结果表明，系统实现了稳定可靠的数据传输，适合柑橘园土壤墒情的远程和实时监控。关键词：土壤墒情，监控，设计，ZigBee技术，柑橘园0引言柑橘是世界第一大水果，全世界的柑橘种植面积约为74万hm2，全球有135个国家和地区生产柑橘，柑橘也是世界第三大贸易农产品。柑橘在中国有着悠久的栽培历史，中国柑橘栽植面积居世界首位，年产量居世界第一位(The 11m International Citrus Congress，2008)。近年来在发展柑橘优势产业的过程中，柑橘生产中季节性干旱影响产量和品质的问
3、题越来越突出。柑橘园土壤含水率的多少，直接影响着果树新梢和果实的生长【l】。通过调节土壤水分对温州蜜柑产量及果实品质影响的研究表明，土壤含水率与柑橘的产量和品质密切相关，且当土壤含水率是土壤最大含水率的75左右时最利于柑橘果实产量和品质的提高。因此，迫切需要一种合适的技术来实现柑橘园土壤墒情信息的快速和有效获取，以便在高温干旱少雨期利用珍贵的有限水资源对柑橘进行适时适量的灌溉，满足柑橘对水的生理需求，从而确保柑橘的稳产增收。土壤墒情，也称土壤水分，是指在特定的土壤中所含水分多少的状况。它是十壤自身的重要组成物质之一，也是构成土壤肥力的一个重要因素，更是农田作物生长生育的基本条件【2】。如何实现
4、土壤墒情信息的快速和有效获取，以及如何实现信息传输的低成本和高可靠性是现代农业工程中的一个重要研究内容，农业生产的环境和生产过程的特殊性，使得土壤墒情信息获取具有很大困难。由于传统土壤墒情监测手段的监测范围小、人工依赖性大、监测困难等，在实际应用中有很大的限制。近年来，中国科研人员虽然开发成功了一些土壤墒情远程监测系统，然而从应用现状来看，现有的土壤墒情监测系统还存在明显不足I孓71。大多数系统采用RS232总线、CAN总线等有线通信技术，虽然具有设备互操作性好、抗干扰能力强等优点，但由于采集点分散、所使用的线缆成本较高，而且不易扩展、维修困难；部分系统采用如蓝牙、GSM等无线通信技术，具有速
5、度快、运行可靠、可远距离传输等特点，但功耗大、成本高等不足也限制了这些技术的进一步推广应用。ZigBee技术是一种新兴的低功耗、低速率和低成本的无线通信技术，主要用于近距离无线通信。针对现有的土壤墒情监测系统存在的问题，为此本研究把传感器检测技术、ZigBee无线网络技术与和计算机Web应用软件开发等技术相结合，开发具有自主知识产权的柑橘园土壤墒情远程监控系统，实现对柑橘园的土壤墒情信息的自动采集、无线传输、实时监测、网络发布和远程监控等功能，既满足了柑橘生产的需要，又解决了传统监测手段的种种不足和诸多困难。1 系统整体结构设计11系统整体结构柑橘园土壤墒情远程监控系统整体结构如图1所示。从逻
6、辑结构上系统可划分为3个子系统：数据采集与传输子系统、数据存储与管理子系统、远程监控中心软件子系统。数据采集与传输子系统：数据采集节点由部署在柑橘园内大量传感器节点组成。这些节点是由采集节点和一个汇聚节点组成。采集节点用于采集柑橘园内的土壤墒情信息，以无线通信方式发送给汇聚节点。汇聚节点作为整个网络的核心节点，把接收的采集信息传送到一个带有ARM核心模块的网关，通过Intemet网络，网关把采集信息传送至远程Web主机。数据存储与管理子系统：由SQLServer2005数据库服务器平台和运行在数据库服务器上的数据分析处理程序组成。该系统接收并处理网关传送过来的信息，如属于合法信息则存储到数据库
7、中。此外数据库中还存储了无线传感网络的配置信息、传感器节点各种属性信息和操作人员信息等系统信息。远程监控中心软件子系统：远程监控中心软件子系统是监测整个系统运行的窗口，由于系统是基于BS架构的网络应用系统，能实现不同的人员，从不同的地点，以不同的接入方式(如LAN、IntemetIntranet等)对系统进行操作访问，有效地保护了数据平台和管理访问权限。授权用户通过客户端浏览器臀录系统后能够读取数据库的相关数据，实现对传感器节点土壤墒情采集信息的分析、查询、下载等功能操作或者数据图形绘制等图形显示功能操作，还可以对系统的运行和监测区域内的传感器节点进行监控，通过下达指令使传感器节点完成相应的任
8、务。12系统硬件选型与设计无线传感器。9络的硬件系统主要由传感器节点和网关组成，传感器节点的组成可以分为与应用相对独立和与应用相关两部分，前一部分又称为处理器平台，包括计算部件、存储部件、通信部件和电源部件等：后一部分包括传感部件、模一数转换(ADC)部件等。处理器模块是传感器节点的计算核心，本系统传感器节点所采用的处理器模块为Digi公司为无线传感器网络节点推出的XBeePRO模块。XBeePRO模块是与ZigBeeIEEE 802154兼容的解决方案，可以满足低成本低功耗无线传感网络的特殊需求。XBeePRO模块功耗极低，发送电流仅为45 mA。而且支持睡眠模式，睡眠电流可低于10口A。工
9、作频率波段在ISM 24 GHz，提供数据的可靠传输。由于设计上的创新，XBeePRO模块在通信范围一I-可以超越标准ZigBee模块23倍，室外RF可视距离高达1英里(16 km)，这样可以用更少的设备覆盖更大的面积，也就大大降低了系统开发的成本。传感器是进行数据采集的基础和前提，是组成无线传感器网络的基本单位，它的主要作用是负责采集监测区域的信息并完成数据的转换，它的准确性和合理性对整个监控系统的性能有重要影响。对于传感器的选用，应遵循实用、经济、标准、耐用的原则。以土壤水分测量传感器为例，综合整个系统的设计和对传感器节点节能的设计要求，选择了美国Decagon公司研制的ECH20型土壤水
10、分传感器EC5。EC5电路受温度的变化影响较小，传感器外层物质受盐碱度的影响较小，便于掩埋土壤的不同的深度，并且具有0002 m3m3的高分辨率，可以长时间的测量，具体输出电压与土壤含水率成比例。EC5与其他同类土壤水分传感器相比，电压要求很低，在休眠状态不消耗任何能量，要完成1次测量，只需向其提供幅值为25 v，电流为10 mA，持续时间大于10 ms的脉冲。这样可以降低系统的功耗，延长系统的牛命周剃圳。本系统以EC5在柑橘园内不同土壤含水率影响下的输出电压均值作为传感器在该含水率水平下的测量值，并对数据之间的关联性进行分析，确定待测土样的含水率与其所对应的传感器输出值之间的数学函数关系。土
11、壤含水率在本系统采用质量含水率，它是指单位质量的土壤中水分质量的多少，常用符号如表示。可用式(1)进行计算。1)制作标准土样。采集柑橘园内一系列的的待测土样于铝盒中，采集区尽量位于传感器节点的部署区域，然后放入电热恒温式鼓风干燥箱中烘干。2)根据将要配置的土样含水率的要求，将铝盒进行编号，从l到10，用电子天平称出不同编号杯子的质量，并进行记录，取一定质量的土样分别放入10个铝盒中，对于每一份样品，用电子称称出样品的总质量，即铝盒与所装入的土样的总质量。将称出的总质量减去刚才记录的相应编号的铝盒质量，求出每个铝盒中烘干土的质量。用喷水器分别向铝盒中的土样行间隔性喷洒一定质量(310 g)的水，
12、这样做的原因是可以人为的造成不同质量含水率的土壤样本。对于每一份样品，用电子称称出样品的总质量，即铝盒、土和所加水的总质量。利用前面记录的相应编号的铝盒和烘干土质量，相减求出所加水的质量。3)用EC5传感器分别对待测七样进行测鼍，每隔5 s测一个值，连续测10个值，并取其均值作为摄终测量值。通过EXCEL软件对最终测量值进行回归分析，计算出标定函数关系方程式如图2所示。14节点通信协议的设计节点的通信除了保证无线通信模块的正常工作外，还应该具备一套稳定可靠的通信协议。系统中的大量传感器节点组成了无线传感网络，每个传感器节点具有网络内唯一的ID。系统节点间的通信符合ZigBee协议标准，在Zig
13、Bee API(应用程序编程接LJ)数据结构的基础上结合柑橘园土壤墒情远程监控系统应用特点加入了系统自定义的控制信息等内容，定义的数据帧结构如表1所示。表1中，帧类型表示数据帧类型，0表示传感器土壤含水率测量，l表示节点如能量、发射功率等其他信息。系统中设定目标节点ID为0xFF表示传感器节点把自己的测量结果都发送给汇聚节点，再由汇聚节点传送到网关，通过Internet网络，网关把采集信息传送至远程Web主机。数据帧的校验和用以验证数据传输的准确性，表示为0xFF一帧类型字段开始的所有字节和。15网关的设计网关就是能把两个使用不同协议的网络段连接在一起的设备，它负责网络间协议转换、不同网络类型
14、的网络数据聚集、存储和处理等霞要操作，成为连接网络间不可缺少的纽带10-111。在柑橘园七壤墒情远程监控系统中网关是实现系统远程监控的桥梁，是整个系统中“承上启下”的关键部分，因此设计出高效、稳定的网关是系统的的重要组成部分。本系统中配置了一个代理服务器来连接内部无线传感网络和外部Intemet网络。代理服务器选用了一款基于Samsung$3C2440A内核的嵌入式开发平台广嵌GEC2410，如图3。1)网关与汇聚节点数据传输的设计。网关模块与汇聚节点的数据传输主要通过ARM中断来实现的，当传感器节点把采集的土壤墒情信息传送到汇聚节点时，引发网关的ARM中断，通过编写的中断响应程序网关把汇聚节
15、点传送过来的采集信息进行解析处理。2)网关与远程主机数据传输的设计。考虑到对数据传输的高可靠性，网关与远程主机之问的数据传输采用的是面向连接的客户机一服务器模型，通过编程调用嵌入式Liunx下的socket接口编程函数来实现建立起两个具有唯一IP地址的客户端(网关)和服务器端(远程主机)的Socket网络连接，并通过TCPIP协议网关把接收的采集信息传送至远稃毛机。3)TSLIB触摸屏应用系统设计。在开源触摸屏支持库TSLIB基础上。设计开发了触摸屏界面应用系统。操作人员可以通过该应用系统在触摸屏选择相应的功能来实现对系统的控制。如在触摸屏上点击复位按钮可以实现实现网关复位，此外触摸屏界面应用
16、系统还提供网关与汇聚节点或远程主机数据通信过程中的数据显示功能。16远程监控中心软件系统设计与实现远程监控中心软件系统在整个系统运行中起着核心的作用，本系统采用基于J2EE(Java2 PlatformEnterpriseEdition)的三层BS架构，该应用架构还集成了J2EE最新发展的成熟框架技术，即Struts应用框架技术和Hibernate应用框架技术，为系统在大负荷量和长时间工作状态F的稳定性提供了良好的保证，其软件结构框图如图4所示。1)节点管理模块。节点管理模块丰要是对柑橘园内的传感器节点进行管理。包括记录传感器节点当前的能量状况、节点ID和发射功率等信息。2)用户管理模块。用户
17、管理模块是系统安全保障的一个重要环节，用户登陆是所有用户对系统访问操作的必经通道，它负责用户合法性判断、用户权限分配，系统采用了基于角色的权限管理，将不同的用户划分为不同的角色，用户在对系统资源访问操作之前，必须经过严格的权限校核过程，使得用户只能在其权限范围内，调用特定的操作及访问特定的数据资源。3)数据管理模块。为方便操作人员对传感器节点采集信息进行分析处理，数据管理模块提供了强人的数据管理功能。包括对数据的查询、打印、备份与统计等操作，采用动态实时曲线图方式和报表方式显示监测指标的变化情况。数据管理模块主要包括数据采集子模块、数据备份子模块、数据存储子模块等功能模块组成。4)日志管理模块
18、。日志是系统对某些对象的操作和其操作结果，每一个日志文件由很多的事件记录组成。记录中包含了一个时问戳和一个消息。由于系统传感器节点部署环境是在广阔的无人值守的柑橘园环境，系统运行过程中会产生错误信息、警告信息和一些其他重要的日志信息，日志管理模块对了解系统运行状态，保障系统安伞也有重要作用。2系统性能测试本系统首先在实验室内按系统的组成部分进行系统的软硬件开发和测试，并以此为基础进行集成测试，当系统运行稳定、综合性能指标达到设计要求时，再到实际现场进行系统安装、测试和应用。本试验在华南农业大学的柑橘园进行，通过在柑橘园内分别部署10个与汇聚节点不同距离的传感器节点来采集不同地点的土壤墒情信息，
19、传感器节点数据采样时间间隔设为60 min，采集信息传送至汇聚节点，再经网关传送至远程Web主机。试验中各传感器节点每天应发送数据包24个，试验共7 d，节点数据报发送总数为24-168个，根据汇聚节点接收到的各传感器节点发送的数据包来计算其数据包发送成功率，用式(2)进行计算由表2可以看出，系统整体运行情况良好，工作性能稳定，具有较强的可靠性。当传感器节点与汇聚节点距离在800 m以内，数据包发送成功率为100，数据包发送耗时也在60IIls以内，当距离超过1 000m，随着无线通信信号的衰减，传感器节点数据包发送成功率下降明显，发送数据包的耗时也直线上升。而XBeePRO模块室外RF可视距
20、离理论上可达l 600 m，实验与理论效果也基本吻合。由此可见当没有路由节点的时候，传感器节点和汇聚节点的距离戍该在1 000 m以内才能达到比较好的试验效果，当采集节点和汇聚节点的距离超过l 000 m，应该在它们之间部署路由节点来提高采集节点的数据包发送成功率。上述试验结果表明，本文研究开发的柑橘园土壤墒情远程监控系统主要的意义在于：1)自动监测。在ZigBee API的基础上，设计了节点通信协议，开发了数据采集与传输子系统。所部署的传感器节点能够可以快速、自组成一个独立的无线传感网络，对监测区域内的土壤墒情进行实时、自动监测。汇聚节点通过网关设备把采集节点发送过来的采集信息传送至远程We
21、b主机。与传统的土壤墒情监控系统相比，本系统在简化设备安装布线、降低系统成本、提高系统移动性和便捷性等方面效果十分显著，并提高了对监测区域的监测覆盖面积。2)远程监控。这也是本系统的主要目标，由于传感器节点采集数据通过汇聚节点最终传送至远程Web主机，通过开发的一整套数据存储与管理系统和远程监控中心系统，操作人员通过客户端浏览器就可以从不同的地点，以不同的接入方式(如LAN、InternetIntranet等)登陆WEB主机上的远程监控中心软件系统，实现对采集数据的分析处理和系统运行的远程、实时和精准监控。3、便携式无线墒情监测仪简介便携式无线墒情监测仪功能特点：TFT触摸式（5.0英寸）彩屏
22、显示、操作。仪器所用传感器测量精度高，响应速度快（2秒钟）。内置8.4V-10AH锂离子电池开机后2分钟内无操作则自动关机，节约电量。一体结构，最深可测量1m深度，无需另配延长杆。主机可以在屏幕上对时间、墒情旱情等级、作物种类、作物生育期及土壤深度进行相应的选择，所采集数据可通过无线传输上传到全国墒情监测系统。实时显示采集、GPS卫星定位、保存、查看数据，可以随时查看、删除数据。信号强度、电池电量、经度、纬度数据显示。仪器外形坚固，美观大方，传感器密封性好，耐腐蚀，能适应各种恶劣环境，使用寿命长。土壤质地影响较小，应用地区广泛,适合中国国情。便携式无线墒情监测仪技术参数：工作电压：712V 工
23、作电流：8.4V/125mA 待机电流：200uA 数据存储容量；40000组 相对湿度：90% 环境工作温度：-1060 水分单位：%（m3/m3） 含水率测试范围：0100% 经度：0100 纬度：090 坐标精度：0.01 测试反应时间：2秒 测试的绝对误差：2% 相对百分误差：3% 土壤水分探头工作温度：-1070 电源：内置8.4V-10AH锂离子电池 仪器重量：3kg 待机时间：一个月 3结论与讨论本文介绍了柑橘园土壤墒情远程监控系统的系统架构、硬件设计以及试验验证效果。结果表明，在1 km以内耗时低于100 ms，数据包发送成功率高于98凶为系统采用了ZigBee无线通信技术，所
24、以小再铺设用于通的有线线路，这样缩短了系统的开发周期，也降低了系统的总体成本。而且系统中的各个组成部分包括传感器节点，网关等设备都是相对独立的设备，这使得系统易于升级、易于重组、易于维护的优势更突出。无线传感网络是多学科高度交叉、知识高度集成的高科技技术，无线传感网络研究过程中所带来的新问题向我们提出了严峻的挑战。在柑橘园土壤墒情远程监控系统的研究工作中，尚存在许多需要不断完善和值得进一步研究的地方，现结合本文研究中的体会和当前的研究趋势，对下一步的工作做出如下展望：1)虽然无线通信和有线通信相比有很多优势，但无线通信在信号抗衰减、抗十扰和抗屏蔽等性能方面存在的很火的不足。ZigBee技术也是
25、一种新兴的短距离、低速率、低功耗无线网络技术，目前的研究和实验表明大型遮挡物、金属物体都会对无线信号有很强的干扰作用。因此，在系统设计与实施过程中，要充分考虑传感器节点部署区域环境复杂、遮挡物较多等因烈”。2)在柑橘园土壤墒情远程监控系统的应用中，传感器节点主要采集土壤墒情信息，为了扩大应用空间，传感器节点中集成多种类型的传感器是一种发展趋势。多种类型传感器的集成使无线传感器网络一经部署就能获得多种类型的信息(如温度、湿度、C02浓度和光照度等)，加深了对环境的感知，但是也对数据的处理提出新的挑战，多类型传感器集成环境下的无线传感器网络信息处理是我们下步的研究方向。3)系统节能的设计要求。由于系统应用环境的特殊性，能量是传感器节点最宝贵的资源，它决定了传感器节点的寿命。节点的能量主要消耗是数据采集、数据计算和数据传输，其中数据传输是消耗能量最大的。系统节能的设计工作还有很大的研究的空间，如芯片级的发送功率控制，睡眠模式的引入和调度，以及从整个系统通信的角度来加强功耗的管理，这些都有待于我们进一步的研究。
