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灌溉系统结构设计和网络路由算法

来源:原创论文网 添加时间:2021-11-05

  摘    要: 以智能灌溉系统的数据传输方式为研究对象,建立智能灌溉系统的无线网络传输系统,并对网络传输过程中的网络路由算法进行分析。测试分析数据表明:建立的无线网路数据传输系统能够有效进行作物生长过程中的数据采集及传输,并且在800m传输距离内具有较高的可靠性。对智能灌溉系统进行测试,结果表明:系统能够按照设计好的灌溉策略进行灌溉过程控制,使作物生长环境参数满足最佳需求,达到了节约水资源、提高灌溉效率的目的。

  关键词 :     智能灌溉;无线网络;网络路由;数据传输;

  Abstract: This paper takes the data transmission mode of intelligent irrigation system as the research object, establishes the wireless network transmission system of intelligent irrigation system, and analyzes the network routing algorithm in the process of network transmission. The test results show that the wireless network data transmission system established in this paper can effectively collect and transmit data in the process of crop growth, and has high reliability within 800 m transmission distance. Through the test of the intelligent irrigation system, the system can control the irrigation process according to the designed irrigation strategy, so that the parameters of crop growth environment can achieve the best demand, and colleagues can meet the purpose of saving water resources and improving irrigation efficiency.

  Keyword: intelligent irrigation; wireless network; network routing; data transmission;

  0 、引言

  受自然条件影响,农业生产对水资源的需求非常大,随着经济社会的发展,水资源日益短缺[1]。为追求作物产量,农业生产过程中需要进行大量的灌溉,由此造成水资源的浪费日趋严重。高效投入的方式在农业生产过程中日渐突出,由此引入的高效经济设备及生产方式也逐渐取代粗放式农业生产,利用有效水资源不断提高农业生产效率,是现代农业生产的迫切需求[2,3,4]。因此,一种高效智能的灌溉技术发挥出重要作用,高效利用水资源、减少农业生产过程中的相关投入、提高作物产量。

  智能灌溉系统是一种利用传感技术、网络传输技术、自动控制技术等进行灌溉过程控制的综合技术[5],其利用传感技术对农作物的生长状态参数进行采集,根据作物生长状态参数进行控制策略的制定,结合驱动执行部件完成灌溉过程。在整个智能灌溉过程工作中,采集数据的传输与控制指令的传递是通过灌溉系统网络路径实现[6]。为此,笔者基于网络路由算法对智能灌溉系统中的网络数据传输过程进行分析研究。
 

灌溉系统结构设计和网络路由算法
 

  1 、智能灌溉系统总体方案

  作物生长环境复杂,生长过程中对于土壤湿度的要求至关重要,在较大面积种植时传统的数据传输方式无法有效地完成数据的采集及传输。因此,在进行智能灌溉系统设计时采用了一种无线传感网络技术,可实现短距离的数据传输,并建立网络路由节点,实现各段传输网络的数据通信。

  智能灌溉系统利用中央控制器进行灌溉策略运行,并根据作物生长状态参数知识库建立作物生长状态参数模型,实现作物生长过程中环境参数的自动控制和水肥自动化调节与控制。执行机构根据中央控制器相关控制指令任务信息,进行灌溉系统动作执行,完成对农田的智能灌溉过程[7]。智能灌溉系统总体方案示意图如图1所示。

  图1 智能灌溉系统总体方案
图1 智能灌溉系统总体方案

  Fig.1 General scheme of intelligent irrigation system

  在智能灌溉系统中,采集节点对作物生长过程信息及环境参数进行采集,主要包含土壤湿度信息、空气湿度信息和温度信息等,并对采集到的环境信息进行转换,形成可以传输的数据信息。数据信息通过网络传输系统传输至中央控制器,中央控制器集成控制策略、作物生长信息知识库以及其他控制节点,根据接收到的数据信息与控制策略和知识库进行对比,生成控制指令,并通过网络传输系统传输至执行机构。在智能灌溉系统中,执行机构为水泵,水泵根据控制指令进行灌溉的开启与结束。

  2 、灌溉系统结构设计

  智能灌溉系统网络主要功能是将系统内的传感采集模块、中央控制器以及执行机构的相关数据信息及指令进行传输,所设计的智能灌溉系统框架如图2所示。

  图2 智能灌溉系统框架
图2 智能灌溉系统框架

  Fig.2 Framework of intelligent irrigation system

  在智能灌溉系统中,无线网络通信模块将传感器采集节点的信息数据传输至中央控制器,并将控制指令传输至执行机构,在网络运行过程中消耗较低的能量。网络传感节点组成框架如图3所示。

  图3 网络传感节点组成框架
图3 网络传感节点组成框架

  Fig.3 Framework of network sensor nodes

  智能灌溉系统通信模块芯片采用一种具有存储、加密、无线接收与发送功能的低功耗芯片,能够在智能灌溉系统工作过程中提供稳定的数据通信。智能灌溉系统的传感器主要进行作物生长过程中的环境参数信息采集,对于传感器的选择主要考虑作物生长状态及环境参数等信息,确定传感器参数类型、采集精度以及参数范围等。智能灌溉系统传感器参数信息如表1所示。

  表1 智能灌溉系统传感器参数信息
表1 智能灌溉系统传感器参数信息

  智能灌溉系统的网络传输节点遵循通信可靠性的原则,在有效的数据传输半径内进行网络节点布置,对网络整体进行节点数目配置,最后根据节点间的通信距离进行网络传输节点发射功率的设计,在满足数据信息传输可靠性的前提下,最大化地达到节约能耗的目的。智能灌溉系统网络覆盖方式分类示意图如图4所示。

  图4 智能灌溉系统网络覆盖方式
图4 智能灌溉系统网络覆盖方式

  Fig.4 Network coverage of intelligent irrigation system

  3、 灌溉系统网络路由算法

  进行灌溉系统网络路由算法设计时,需要满足大面积农田种植过程的监测,同时要求网络能量消耗低、运营成本低,能够利用有限的网络传感器节点最大化地进行作物生长状态监测。所设计的智能灌溉系统网络路由采用一种分簇式路由算法,主要分为基于数据聚合的分簇式路由算法、低功耗分层路由算法、簇首路由算法、节点式分簇路由算法以及能量有效分簇式路由算法。

  基于数据聚合的分簇式路由算法在运算过程中周期性地进行簇首选举,达到对网络负载均衡的目的。簇结构通过本地通信协议协调产生,实现簇内的数据融合过程,有效降低网络传输过程中的能量消耗,算法简单,适用于同构型网络。在蔟的建立过程中,每一个通信节点生成一个随机数,随机数大于0小于1,并将该随机数与阈值进行对比。若该随机数小于阈值,则该通信节点定义为新的簇首。该阈值的计算可定义为

  T(n)={p1?p(r)?n∈G0????otherwise

  低功耗分层路由算法的节点通过单跳的方式进行数据传输,簇首接收到数据信息后进行数据融合,并再次通过单跳方式进行数据传输。各节点簇首之间快速形成一种最优化传输路径,数据信息通过融合后进行多跳的方式进行转发。

  簇首路由算法是一种以节点剩余能量和簇内通信代价为参考依据的簇首选举过程。簇首路由算法能够有效改善基于数据聚合的分簇式路由算法中的簇首分布不均匀现象,适用于同构型网络。簇内通信代价计算过程中,假设M为簇首i的相邻节点数,minPwer(m)为簇首i的相邻节点中的第m个节点通信最小功率,簇内通信代价P(i)越小,节点与簇首越接近,即

  P(i)=∑m=1MminPwer(m)M

  节点式分簇路由算法能进行节点之间的数据传输,可有效缩短节点之间的数据传输距离。在数据传输过程中,以某一个确定的网络节点为初始节点,构建出一条最优化的数据传输路径,初始节点将融合后的数据进行传输,减少节点与基站之间的网络节点数量,降低传输过程中的能量消耗。节点式分簇路由算法在进行数据传输时能量消耗低,但在建立数据传输路径时需要消耗较大的能量。

  能量有效分簇式路由算法适用于异构型无线通信网络,能够进行有效能量的传输,其簇首选举过程与能量高低有关,具有较好的稳定性。

  4、 系统测试

  将各通信元器件在电路板上进行焊接,完成实验平台硬件系统的搭建,并检查系统这是否存在短路或者开路现象。对硬件系统进行通电,检测相关输出电压分别为5V和24V,与设计电路相符,硬件系统正常。

  对不同通信距离的网络通信成功率进行测试,结果如表2所示。由表2可以看出:随着通信距离的增加,通信成功率逐渐降低,800m通信范围内通信成功率为100%,大于800m后通信成功率急剧下降,并在1300m时通信成功率基本为0。这表明,该智能灌溉系统在每隔800m范围内必须设置通信网络路由节点。

  表2 通信成功率与通信距离关系
表2 通信成功率与通信距离关系

  续表2
续表2

  在智能灌溉系统测试过程中,对土壤的湿度进行监测,并与作物生长阶段的最佳湿度需求状态进行对比。智能灌溉系统可以自动进行水泵的开启与关闭,实现土壤湿度的动态调节。当土壤湿度与作物生长所需的湿度范围相符时,水泵关闭;当土壤湿度高于作物生长所需的湿度时,水泵关闭;当土壤湿度低于作物生长所需的湿度时,水泵开启,进行灌溉。智能灌溉系统运行测试数据如表3所示。

  表3 智能灌溉系统运行测试数据
表3 智能灌溉系统运行测试数据

  5 、结论

  对智能灌溉系统进行设计分析,利用无线网络传输技术设计出一种能够根据作物生长状态进行自适应调节的智能灌溉系统。试验结果显示:系统能够有效运行,并完成灌溉过程的自动控制,具有较高的可靠性,可为智慧农业精确灌溉提供参考依据。

  参考文献

  [1]李真真基于专家决策模型的智能节水灌溉系统的研究[J].农业与技术, 2020,40(14):53-56.
  [2]张皓基于无线传感器网络技术的智能灌溉系统研究[J].南方农机, 2020,51(13):45+75.
  [3]潘晓贝,员莹基于ZigBee的农田智能灌溉系统研究设计[J]电子测试, 2020(13):11-14.
  [4]杨佳,刘晓丽, 许强. -种新的异构无线传感器网络分簇路由协议[J]传感器与微系统, 2020,39(4):121- 124, 128.
  [5]龚瑞昆,田野,石馨诚.基于物联网(IOT)的规划预测算法在农业灌溉中的应用[J]节水灌溉, 2019(11):62-65,70.
  [6]赵立新基于无线网络的智能灌溉控制系统设计与实现[J].佛山科学技术学院学报(自然科学版),2019,37(2)-54-57.
  [7]胡静,沈连丰基于博弈论的无线传感器网络分簇路由协议[J]东南大学学报(自然科学版),.2010,40 (3):441-445.

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