全 文 ：2014 年 第 33 卷 第 10 期 传感器与微系统(Transducer and Microsystem Technologies)
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设计与制造
DOI:10． 13873 /J． 1000—9787(2014)10—0043—04
基于无线传感器网络的小粒种咖啡园滴灌自动控制系统*
李加念1，倪慧娜2
(1．昆明理工大学 现代农业工程学院，云南 昆明 650500;
2．华南农业大学 工程学院，广东 广州 510642)
摘 要:为实现小粒种咖啡种植园的精量灌溉，达到节水增收的目的，基于无线传感器网络(WSNs)设计
了一种滴灌自动控制系统，主要由传感器节点、簇头、控制节点和汇聚节点组成。测试了节点间的有效通
信距离为 50 m，并在此基础上，采用静态簇和节点定位布置的方法进行了灌区划分和节点部署，每个灌区
为边长 50 m的正方形，内设 1 个簇头、1 个控制节点和 4 个传感器节点。采用定时通信与时间同步技术、
休眠技术相结合的方法实现节点数据的无线传输，融合土壤含水率、光强和空气温湿度等信息，采用分区
轮灌策略实现滴灌的自动控制。实验结果表明:系统实现了预期设计目标，能应用于小粒咖啡园的精量灌
溉管理。
关键词:小粒种咖啡;滴灌;自动控制;无线传感器网络
中图分类号:S126;S274． 2 文献标识码:A 文章编号:1000—9787(2014)10—0043—04
Drip irrigation automatic control system for Arabica
coffee plantations based on WSNs*
LI Jia-nian1，NI Hui-na2
(1． School of Modern Agricultural Engineering，Kunming University of Science and
Technology，Kunming 650500，China;
2． College of Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China)
Abstract:To achieve precision irrigation for Arabica coffee plantations and purpose of yield boosting and water
saving，a drip irrigation automatic control system，which mainly comprise of sensor node，cluster head，control node
and sink node，is designed based on wireless sensor networks(WSNs)． Effective communication distance between
nodes is confirmed to be 50m by test，and on this basis irrigation area division and nodes deployment is carried out
by using the method of static cluster and node location placement，each irrigation area is a square，whose length of
side is 50m，and there are one cluster head，one control node and four sensor nodes placed in an irrigation area．
Data wireless transmission between nodes is realized by combining regular communication with time
synchronization technology and sleep technology，and information include soil water content，light intensity，air
temperature and humidity are fused，then automatic control for drip irrigation is realized by using zoning rotation
irrigation strategy based on fusion data． Test results show that the system achieves design goal and can be applied
for precision irrigation management in Arabica coffee plantations．
Key words:Arabica coffee;drip irrigation;automatic control;wireless sensor networks(WSNs)
0 引 言
世界上栽培的咖啡以小粒种咖啡为主，约占 80 %。云
南省由于具有发展小粒种咖啡独特的自然环境优势，其种
植面积占中国的 98 %以上，是云南省的特色优势产业和重
要创汇农产品。云南小粒咖啡多种植于干热河谷地区和干
旱地区，水分管理是小粒咖啡丰产的一个重要措施［1］。但
近几年的连续干旱很大程度地影响了小粒咖啡的产量和品
质，因此，有必要设计一种灌溉自动控制系统，以最小的水
分投入来满足小粒咖啡的生理需水需求，从而保证小粒咖
啡在干旱缺水时其产量和品质不受影响。
小粒咖啡园的面积较大，要实现精量灌溉，需对其灌溉
决定参数进行多点测量，而无线传感器网络(wireless sensor
networks，WSNs)因具有自组织、低成本、易维护等特性，为
实现多点测量提供了条件。近年来，研究人员基于WSNs技
收稿日期:2014—07—11
* 基金项目:昆明理工大学省级人才计划培养项目(KKSY201323003)
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传 感 器 与 微 系 统 第 33 卷
术，利用传感器监测作物的生长环境信息，并以此作为灌溉
的科学决策依据，设计了各种精量灌溉自动控制系统［2～ 6］。
咖啡非常适宜采用滴灌技术，滴灌可使咖啡的产量和
品质显著提高［7］。因此，本文基于 WSNs 技术设计一个滴
灌自动控制系统，通过监测小粒咖啡园的土壤水分、光强以
及温湿度信息，为其灌溉提供决策依据，从而实现咖啡园的
水分精量灌溉管理。
1 系统总体设计
由于小粒种咖啡园的面积较大，而且因作物长势、地形
地貌、阳光照射方位、土壤质地等因素的差异，使得咖啡园
内各区域的实际需水量不尽相同，若整个园区采用一套灌
溉执行设备进行滴灌控制，不仅对园区入口水源的实时供
应量有较高的要求，还可能造成园区内某些区域灌水过多
而某些区域灌水不足的现象。因此，可根据实际情况，将面
积较大的咖啡种植园划分为若干个灌溉区域，每个灌溉区
域设有一套相对独立的无线自组织网络进行滴灌控制，各
个灌区可相互通信，并且可将各灌区的节点状态和滴灌控
制状态等信息传送至远程监控中心，以便监控整个系统的
工作状态和对整个园区进行轮灌管理。为此，采用两层网
络体系结构进行设计，如图 1 所示，每个灌区由若干个传感
器节点、1 个族头节点和 1 个控制节点组成，构成一个以簇
头节点为中心的星形拓扑结构的底层网络;各簇头节点之
间和汇聚节点构成一个网状拓扑结构的上层网络，通过
GSM或 GPＲS与过程监控中心进行通信。
图 1 WSNs体系结构原理框图
Fig 1 Principle block diagram of WSNs architecture
2 WSNs节点设计
2． 1 传感器节点
传感器节点用于感知咖啡种植园的土壤水分、空气温
湿度和光照强度等信息，为滴灌控制提供决策依据，主要由
CC2530 无线控制器、电源电路、土壤水分传感器、光强传感
器和空气温湿度传感器组成，其原理框图如图 2 所示。
图 2 传感器节点原理框图
Fig 2 Principle block diagram of sensor node
CC2530 是一种用于 2． 4 GHz IEEE 802． 15． 4，Zig Bee
和 ＲF4CE应用的片上系统解决方案，它集成了一个高性能
射频收发器，带有 8051 MCU，8 kB ＲAM，32 /64 /128 /256 kB
闪存以及 UAＲT /12 位 ADC外设。光强传感器采用光敏电
阻器，通过与之串联一个电阻器组成分压电路来感知应光
强;采用一种含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感
器 DHT11 测量空气温湿度;采用自行研制的高频电容式土
壤水分传感器［8］测量土壤水分，其输出直流电压与土壤水
分呈线性负相关。
2． 2 控制节点
控制节点的原理框图如图 3 所示，主要由 CC2530 无线
控制器、电源电路、驱动电路和电磁阀组成。
图 3 控制节点原理框图
Fig 3 Principle block diagram of control node
电磁阀选用双稳态脉冲电磁阀，该电磁阀的开关动作
只需正向或反向通电一个约 30ms 的脉冲电压即可完成，而
且阀门打开或关闭后的状态不需要电能维持;驱动电路采
用 H桥电路，用于将电池电压转换成正反脉冲电压来驱动
电磁阀执行开 /关动作［9］;CC2530 无线控制器接收来自簇
头节点的灌溉决策指令，通过控制驱动电路，进而控制电磁
阀的开 /关动作，实现滴灌的启 /停控制。
2． 3 簇头节点
簇头节点是各个灌区的中心，除具有传感器节点相同
功能外，还用于与灌区内传感器节点、控制节点、相邻灌区
的簇头节点及邻近汇聚节点进行通信，并融合灌区内所有
传感器节点的感知信息，做出灌溉决策。从而簇头节点具
有更强的数据处理能力、存储能力、通信能力和能源供应。
2． 4 汇聚节点
汇聚节点由 CC2530 无线控制器(配置 256 kB 闪存)、
功率放大模块、GPＲS 模块 LT108GSGPＲS DTU 和 MAX232
电路组成，采用太阳能电池供电。汇聚节点通过 GPＲS 模
块，以 GSM短信或 GPＲS数据形式，将所收集的各个灌区簇
头节点的信息传送至远程监控中心，同时将监控中心的指
令传送给各个簇头节点。
2． 5 电源设计
传感器节点和控制节点采用 9V 碱性层叠电池作为电
源，并利用低压差线性稳压器 S—812C33(静态功耗为1 μA)
将电池电压转换为 3． 3 V 供电电压。簇头节点采用
3 V，1． 8 W的太阳能电池板收集太阳能，并利用太阳能充电
管理集成电路 LTC3105，将太阳能存储于 3． 7 V，2 500 mA·h
的可充电锂电池中作为电源，然后利用 S—812C33 转换为
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第 10 期 李加念，等:基于无线传感器网络的小粒种咖啡园滴灌自动控制系统
3． 3 V进行供电。汇聚节点采用 18 V，20 W的太阳能电池板
收集太阳能，并利用太阳能充电管理集成电路 BQ24650 将
太阳能存储于 12 V，20 A·h 的铅酸蓄电池中作为电源，然
后利用 S—812C50 和 S—812C33 分别转换为5． 0，3． 3 V，为节
点中各电路模块供电。
3 灌区划分与节点部署
灌区大小的划分和节点的部署是影响整个系统性价比
的重要因素。若灌区面积过大且选取典型位置布置传感器
节点，获取的信息具有片面性，从而影响滴灌控制的质量;
若灌区面积减小且传感器节点部署增多，则会增加成本。
而灌区划分和节点部署与节点间的有效通信距离息息相
关，因此，需根据节点的通信距离划分灌区和部署节点。
3． 1 节点间通信距离测试
通过测量 CC2530 的接收信号强度指示(received signal
strength indication，ＲSSI)来确定通信距离。CC2530 的误码
率为 1 %时接收灵敏度为 － 92 dBm，当 ＲSSI 大于 － 92 dBm
时，可以确保此通信距离为有效距离。
空旷环境下，在不同距离下，分别以不同发射功率发送
数据，测试了各节点的通信距离与其相对应的 ＲSSI 之间的
关系。通过测试知，在空旷的环境下采用最大的发射功率，
并考虑自然环境的影响，各节点的有效通信距离在 50 ～
70 m范围内。
3． 2 灌区划分与节点部署
为避免 WSNs动态建立的复杂性，采用静态簇和节点
定位布置的方法［5］。以簇头节点通信覆盖圆的外接正方形
作为灌区面积进行灌区划分，簇头节点布设于正方形的中
心，控制节点布设于该灌区内滴灌支干管附近，并在该支干
管上安装电磁阀，同时为能用最少传感器节点实现灌区内
无线信号全覆盖，分别在正方形 4 条边的中点上各部署1 个
传感器节点，如图 4 所示。
图 4 节点布置示意图
Fig 4 Diagram of node deployment
由图 4 知，传感器节点(包括簇头)均匀分布于灌区内，
相邻灌区可共用 1 个传感器节点，这样即可全面获取小粒
咖啡园的土壤墒情，又可减小节点的投入。为保证节点间
通信的可靠性，取节点通信半径为 50 m(即每个灌区面积为
50 m × 50 m = 2 500 m2) ，并通过支架使所有节点距离地面
50 cm。同时，为简化路由算法和便于管理，将灌区编号与
该灌区内的簇头和控制节点一一对应。
4 数据无线通信
4． 1 定时通信与时间同步
节点间的通信是 WSNs 中能耗最大的一个环节，为延
长有限能源下(电池供电)网络的生存周期，应尽量减小网
络通信并使之大部分时间处于休眠状态。由于土壤含水量
的变化相对缓慢，在此采用定时通信的策略。在非滴灌时
段，传感器节点每 1h 采集一次土壤水分、光强和空气温湿
度等信息，并在各节点间完成一次通信;在滴灌期间，为能
更及时地关闭滴灌，传感器节点每 5min采集一次信息并进
行通信;通信完成后各节点即刻进入休眠。为保证所有节
点能在同一时间唤醒进行工作，采用时间同步技术使所有
节点的时钟一致，即每次通信结束时，汇聚节点将其时钟传
送给簇头节点，再由簇头传给簇内节点，所有节点接收到汇
聚节点的时钟后将其更新为自身的时钟。
4． 2 数据无线传输
网络中的数据传输存在于底层网络的传感器节点、控
制节点与簇头节点之间，以及上层网络的簇头与汇聚节点
和过程监控中心之间。数据传输的路由协议采用 TI 公司
推出的符合 Zig Bee 2007 规范的 Zig Bee协议栈 Z-Stack。
1)底层网络:传感器节点采用单跳方式向簇头发送采
集的土壤含水率、光强和空气温湿度等信息，簇头也通过单
跳方式向传感器节点和控制节点发送相关指令。簇头在接
收数据时，需监控各成员节点的工作状态，根据传感器节点
历史数据的发展趋势和相邻节点数据的相似性可判断数据
是否正常，一旦发现某节点状态或数据异常，则向汇聚节点
报告该成员节点 ID，再由汇聚节点将故障状况报告给过程
监控中心。
2)上层网络:传输时根据簇头与汇聚节点之间的距离
和簇头的通信能力选择单跳或多跳的方式进行通信，即当
簇头与汇聚节点的距离在簇头的通信范围以内时以单跳的
方式向汇聚节点发送数据，此时汇聚节点也通过单跳的方
式向该簇头发送相关指令;而当簇头与汇聚节点的距离超
过簇头的通信范围时，则选择其他簇头进行中转，采用多跳
的方式与汇聚节点通信，汇聚节点也通过多跳的方式与该
簇头通信。汇聚节点在数据传输过程中负责监控各簇头的
工作状态，一旦发现某簇头状态或数据异常，则立即向远程
监控中心报告。
5 滴灌控制策略
簇头节点采用加权平均算法对本灌区内传感器节点
(包括簇头)采集的土壤含水率、光强和空气温湿度等信息
进行融合，并以此为依据命令控制节点进行滴灌控制。在
正常情况下，当土层深度 25 cm处含水率低于 30 %时，表明
小粒咖啡缺水需进行滴灌，当土层深度 50 cm处含水率高于
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传 感 器 与 微 系 统 第 33 卷
50 %时，表明灌溉充分则停止滴灌。当光强很弱、空气温度
较低且湿度很大，并与上次采集的信息差异很大时，则认为
此时进入阴雨天气，即使检测到土层深度 25 cm处含水率低
于 30 %也不启动滴灌，若正处于滴灌中则停止滴灌。为降
低整个滴灌管网的实时需水量，每次只允许 4 个灌区同时
进行滴灌，若同一时刻有多个(大于 4 个)灌区需要灌溉，则
按灌区的缺水严重程度排序进行轮灌。
6 实验验证
将 1 个簇头节点、1 个控制节点、4 个传感器节点和1 个
汇聚节点部署于某一小粒咖啡种植基地进行了为期1 个月
的滴灌控制实验。在实验过程中，采用 TI 公司的 Packet
Sniffer软件对各个节点的通信过程进行监测，每天测量一
次传感器节点的电池电压(如图 5 所示)和土壤含水率
(随机采样某位置土层 50 cm 处土壤，采用烘干法随机测
量，实验数据见图 6)。实验结果表明:系统运行 1 个月后
传感器节点的电池电压下降了约 15 %;滴灌控制正常，土
层深度 50 cm处含水率保持在 40 %～ 46 %，达到了预期设
计要求。
3020100
8
9
10
时间 /d
电
池
电
压
/V
图 5 系统运行 1 个月内传感器节点电池电压的变化
Fig 5 Battery voltage change of sensor nodes within
one month system operation
3020100
时间 /d
土
壤
含
水
率
/%
3525155
40
41
42
43
44
45
46
47
图 6 系统运行 1 个月内小粒咖啡园土壤含水率的变化
Fig 6 Soil water content change of Arabica coffee plantations
within one month system operation
7 结 论
1)利用分区灌溉思路、采用两层网络体系结构，基于
WSNs设计了一个滴灌自动控制系统，并介绍了系统各节点
的详细设计。
2)在测试节点有效通信距离的基础上，采用静态簇和
节点定位布设的方法，进行了灌区划分和节点部署的设计，
避免了一般 WSNs动态建立的复杂性和节点定位需要的额
外能量消耗。
3)采用定时通信与时间同步技术、休眠技术相结合的
策略，有效降低了节点间通信的能耗，延长了网络的寿命。
4)实验表明:系统运行良好，具有一定的鲁棒性。
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作者简介:
李加念(1983 －) ，男，湖南道县人，博士，讲师，主要从事电子
信息技术与测控技术应用研究
檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸
。
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作者简介:
陈 曦(1988 －) ，男，浙江杭州人，硕士研究生，研究方向为智
能安全与芯片设计。
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