基于无线传感器网络的精细农业智能节水灌溉系统(英）

在精细农业相关应用和理论研究基础上,自行设计用于监测农田水分含量和水层高度的无线传感器,构建农田水分无线传感器网络体系结构,设计基于水分无线传感器网络的智能节水灌溉控制系统,通过实时农田水分数据和农作物水分需求专家数据形成灌溉决策,由灌溉控制系统实施定量灌溉。实际应用表明,该系统体现出可行性和高效性,有利于精细农业的发展和水资源的可持续利用。     

基于无线传感网的荔枝园智能节水灌溉双向通信和控制系统

为提高水资源利用率和灌溉智能化管理的需要,设计了以无线传感器网络技术为核心的荔枝园节水灌溉控制系统,该系统的无线通信模块选择CC2530模块,传感器模块包括空气温湿度传感器DHT22,光照强度传感器GY-30,土壤水分含量传感器TDR-3以及一些外围电路,精确采集荔枝园温度、湿度、光照度和土壤含水率等多项环境信息,通过无线传感器网络、通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service,GPRS)和互联网进行数据的传输,保证了传输的实时性和远程性,实现了对荔枝园环境的实时监控;同时,远程服务器和网站上都对荔枝园的土壤含水率的阈值进行了设定,当土壤含水率的值超过了阈值,服务器或者网站就会自动发送相关命令对相应的电磁阀进行控制,实现双向控制。分析、测试了系统的功耗和通信距离,在空旷地带,节点的双向有效通信距离达1 205 m,在荔枝园中双向有效通信距离达81.5 m。在传感器节点系统工作周期为30 min情况下,根据试验结果估算出,两节额定容量为3 000 m A·h的3.7 V锂电池串联可使传感器节点持续工作时间最大为500 d,可使电磁阀控制节点工作5 a以上。试验结果表明,该系统运行稳定,网络平均丢包率为3.87%,能够准确监测荔枝园信息采集和控制电磁阀工作,实现和控制荔枝园智能节水灌溉双向通信。     

基于ZigBee网络的温室环境远程监控系统设计与应用

针对温室环境数据信息监控特点,本文进行了基于ZigBee协议的传感器节点技术的开发,并在此基础上组成现场监控无线传感器网络,通过网络汇聚节点与无线移动网络（GPRS/CDMA）和INTERNET的无缝连接,实现数据远程传输至指定数据库服务器。无线传感器网络组建采用星型拓扑结构,通过软件设置在需求时唤醒ZigBee网络节点,使监控设备具有组网灵活、拆移便捷等优点。通过在实际生产过程中应用表明,该系统工作性能稳定,在数据采集和传输等方面均达到了设计要求,尤其是有效简化了现场设备安装与拆移等过程,使之更适合各类农业现场数据监控的需要。     

基于模糊控制与虚拟仪器的灌溉决策系统研究

针对节水灌溉受多因素影响难以建立精确控制模型的特点,开发了基于虚拟仪器平台的作物灌溉模糊决策控制系统。该系统由传感器、测量仪、数据采集卡、LabVIEW软件平台等组成,将土壤水势和作物腾发量作为输入量,采用Fuzzy Logic Control Toolkit工具包设计模糊控制器,建立多因素控制规则库,实现作物灌溉需水量的模糊决策。试验结果表明该系统界面友好,操作简单,能对作物需水量进行综合判断与决策管理,为节水灌溉提供科学的依据。     

基于无线传感器网络的茶园信息采集系统设计

设计了一款应用于茶园信息采集的无线传感器网络节点。使用ATmega128L单片机和nRF905射频芯片作为无线传感器网络节点通信电路。基于此节点硬件平台编写了软件系统,并进行30天的组网实验。实验结果表明,节点能耗小、丢包率低,适合低功耗及长时间使用要求的农业应用场合。     

基于移动无线传感器网络的植株图像监测系统设计与测试

针对静态无线传感器网络(static wireless sensor network,SWSN)在图像监测中功耗分布不均、传输不可靠等问题,设计了基于移动无线传感器网络(mobile wireless sensor network,MWSN)的农田植株图像监测系统。选用JN5139模块搭配摄像头采集和编码图像,利用无人机(unmanned aerial vehicle,UAV)搭载协调器收集信息。通过仿真和测试可得,节点在MWSN中的最小功耗为10μW,工作功耗为133 m W,在SWSN中为133 m W,路由节点功耗为普通节点的2倍;在10~35 m范围内,MWSN的信号强度为-68~-86 dbm,SWSN为-83~-85 dbm;在10~80 m范围内,MWSN的误码率范围是0~9.2%,SWSN是0~38.6%。试验时UAV在15 m高空悬停接收地面设备发出的图像数据,测得获取一张图片平均需135 s,图片分包平均为22次,解码后的图像可以较好的反映植株生长状态。上述结果表明,工作时间相同,MWSN中节点的功耗差异性小,呈均匀分布;在一定距离范围内,MWSN的传输能力和抗干扰能力整体上优于SWSN,能保证数据传输的可靠性,因此,基于移动无线传感器网络技术的图像监控系统能够满足大范围农田中植株图像的监测需求。     

作物精量灌溉系统的无线传感网络应用开发

为准确提供作物水分亏缺程度并为精量灌溉提供科学依据,基于作物水分胁迫声发射原理,研究无线传感器网络技术在精量灌溉系统中的应用。采用自适应加权数据融合算法来提高声发射信号精度,提出基于簇的多跳路由算法以减少结点数据传输能耗,利用NB100网关实现无线网和有线网之间的桥接。系统分布式运行,具有鲁棒性强、易于扩充和伸缩性良好等优点。仿真试验表明该系统组网正确、无线传输能耗占总能耗的60%以上,可以使人们远程、精确获取作物需水信息,并实施精量灌溉,能够应用到农田、苗圃、温室等节水农业领域中。     

钾肥生产原卤井无线传感器网络监测系统

针对钾肥生产中原卤井位置分散、人工巡检不及时、工作环境恶劣和采卤泵故障率高的现状,设计了基于无线传感器网络(wireless sensor network,WSN)的钾肥生产原卤井监测系统。系统包括集成CC2530和传感器构成的采集终端,结合ZigBee与GPRS技术完成数据汇总和远距离传输的汇聚终端和利用PHP与My Sql开发的用于数据接收、存储、显示,管理和决策支持的远程管理系统。系统测试表明监测系统能够可靠地监测采卤井,准确地反映采卤泵运行状态和采卤井液位。可靠性测试表明传感器节点有13.5个月的有效生存时间;在30 m通信范围内,发射功率大于1 d Bm时,节点丢包率小于3.6%,具有较高的通信可靠性。     

基于无线传感器网络的奶牛行为特征监测系统设计

奶牛等大型动物的疾病和发情状况目前主要依赖饲养员目测判断,大规模集约化养殖仍采用人工观测方法,这不仅带来繁重的人力负担,也容易误判。为了能自动准确地识别奶牛是否发情或生病,该文提出在奶牛颈部安装无线传感器节点,通过各种传感器获取奶牛的体温、呼吸频率和运动加速度等参数,采用K-均值聚类算法对提取的各种参数进行行为特征多级分类识别,以此建立的动物行为监测系统能准确区分奶牛静止、慢走、爬跨等行为特征,从而可以长时间监测奶牛的健康状态。而且,这种监测系统易于推广到对其他动物的监测,对促进养殖业和畜牧业的发展也具有指导意义。     

基于ZigBee和PDA的农田信息无线传感器网络

为了实现农田信息的实时采集、处理与可视化,缩短数据采集和处理间的时差,开发了基于ZigBee和PDA的农田信息无线传感器网络。系统由集成ZigBee协调器的PDA和带传感器的路由节点组成。通过无线传感器网络,用户手持PDA可实时动态访问田间信息,并控制传感器的供电电源开关,以节省功耗。采集的田间信息包括土壤水分、土壤温度、土壤电导率、空气温湿度。其中土壤温度、空气温湿度传感器为数字式传感器,土壤水分、土壤电导率传感器为模拟传感器。节点通信距离试验表明,正常工作条件下,40 m距离的丢包率只有0.092,满     

基于茎直径变化的无线传感器网络作物精量灌溉系统

为实现准确判断作物水分亏缺程度,为精量灌溉提供科学依据,该文基于作物水分胁迫茎直径微变化诊断方法,研发了无线传感器网络节点,并设计了无线传感器网络精量灌溉系统。该系统可以使人们随时随地精确获取作物需水信息,并实现精量灌溉。该系统具有功耗低、成本低廉、鲁棒性好、扩展灵活等优点。初步试验表明了该系统的合理性与实用性。可以应用于温室、农田、苗圃等区域。该研究为无线传感器网络在节水农业中的应用做出了探索。     

基于作物水分胁迫声发射技术的无线传感器网络精量灌溉系统的初步研究

为实现准确判断作物水分亏缺程度,为精量灌溉提供科学依据,该文基于作物水分胁迫声发射技术,研发了无线传感器网络节点,并设计了无线传感器网络精量灌溉系统.该系统可以使人们随时随地精确获取作物需水信息,并实现精量灌溉.该系统具有功耗低、成本低廉、鲁棒性好、扩展灵活等优点.初步试验表明了该系统的合理性与实用性.可以应用于温室、农田、苗圃等区域.该研究为无线传感器网络在节水农业中的应用做出了探索.     

山地果园中低功耗无线滴灌控制装置设计与试验

针对山地果园布线困难,而大面积滴灌需要分区控制并集中管理的需求,构建了低成本、低功耗、能满足定时分区灌溉与集中管理需求的小型无线滴灌控制装置。装置采用无线通信方式,硬件选用低功耗微控制器与双稳态电磁阀,系统软件采用基于CC1100无线唤醒机制的低功耗间同步通信算法,具有避免信道拥塞的特点。试验表明,输入电压9 V时,控制系统静态电流为400 mA、无线唤醒工作电流为19 mA、工作周期内平均电流为439 mA;1节鹏辉450 mAh的AA电池可供系统至少可工作38 d;果园内RSSI信号衰减测试表明通信距离超过60 m,最高平均丢包率为23%;有遮挡的环境中数据丢包率将大于无遮挡环境,但接收信号强度相差不大;在果园环境中尝试使用电力线载波适配器、大功率WiFi无线网桥、GPRS DTU 3种远距离通信模块建立总控制器与远程监控端的数据链路,链路试验表明,GPRS DTU与大功率WiFi网桥均能成功建立通信链路。相比之下,GPRS有强的适应性;采用无线控制系统,系统准时开启电磁阀,开启时间误差小于5 min,土壤含水率变化呈现快速上升后缓慢下降的变化,灌溉区域的土壤含水率保持13%以上,可应用于岭南绝大部分山地果园。解决了控制装置的布线工程困难,实现可远程传输滴灌信息和监测滴灌状态,并可进一步实现分区控制与轮灌控制。     

基于模糊控制的精确灌溉系统

设计了基于模糊控制的节水灌溉系统,由作物蒸腾量和土壤水势为输入,以作物需水量为输出,通过对输入变量的模糊化、模糊推理和反模糊化,获得了作物的需水量,采用三星单片机为核心,由作物蒸腾和水势变送器分别测量作物蒸腾量和土壤水势,使用分段模糊控制策略构成灌溉系统。试验结果表明：该系统能快速准确地计算出作物的需水量,有效地实现了节水灌溉。     

基于无线传感器网络的水产养殖池塘溶解氧智能监控系统

为了便于对规模化水产养殖池塘溶解氧的监控,该文研制了一种基于无线传感网的水产养殖池塘溶解氧智能监控系统,实现对池塘溶解氧的分布测量、智能控制和集中管理。针对常规模糊PID控制器自适应能力低,提出了一种可变论域模糊PID控制器,根据溶解氧误差和误差变化的大小动态调整模糊控制单元的输入输出变量论域,能较好地解决了模糊控制规则数量与溶解氧控制精度之间的矛盾,实现了PID控制器参数的自整定。根据池塘溶解氧变化的非线性、大时滞和大惯性等特点,设计基于变论域模糊PID控制器与增氧机转速PID调节器构成的池塘溶解氧串级控制系统,溶解氧控制器的输出为增氧机转速调节器的输入,增氧机转速调节器输出改变增氧机转速使溶解氧浓度快速跟踪目标值。根据溶解氧测量数值序列的变化趋势,基于灰色理论和权重构建组合灰色溶解氧预测模型,以预测值作为变论域模糊PID控制器的反馈值,实现对溶解氧的预测控制,起到超前调节的目的。在试验池塘和对照池塘分别采用变论域模糊PID控制器和模糊PID控制器对池塘溶解氧进行调控,对照池塘溶解氧的响应时间比试验池塘延长15 min左右,超调量扩大2.96倍,对照池塘溶解氧的标准差、均方差、最大误差和最小误差指标比试验池塘扩大3~4倍。试验结果表明可变论域模糊PID控制器能够改善池塘溶解氧控制系统的动态性能,提高控制系统的稳态精度,有效地抑制影响池塘溶解氧稳定的诸多不确定因素的干扰,满足水产养殖对池塘溶解氧的要求,为解决非线性和大时滞复杂对象的控制问题提供一个新的控制思路。     

基于无线传感器网络的温室光环境调控系统设计

为了解决现有光环境调控系统存在光照度不可调、能耗高、部署困难等问题,该文设计基于无线传感器网络的光环境调控系统。该光环境调控系统以CC2530处理器为核心设计中央控制节点、监测节点、调光节点,采用ZigBee协议实现自组网络、监测数据和控制信号传输。监测节点通过周期监测光合有效辐射值,利用自然光中太阳高度角与红蓝光比例关系,计算当前红蓝光光量子通量密度;利用智能中央控制节点计算其与作物所需目标量的差值,并将其转换为脉宽调制控制信号,通过调光节点控制LED输出亮度,实现LED调光灯输出光量的动态、精确、无线调控。试验检验表明,该系统红蓝光光量子通量密度监测误差小于6%,调控输出光照度相对误差小于3%,可满足多个温室实时、按需、定量光环境调控的需求,具有部署灵活、易扩展、低能耗的特点。