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基于Watermark 200SS传感器开发低成本物联网（IoT）系统以监测土壤水势
摘要
土壤水分监测是农民可用于灌溉计划的方法之一。多年来，企业已经为此目的开发了许多传感器类型和数据记录系统，但是由于多种因素，它们在实际灌溉计划中的应用依然受限。限制农民采用土壤湿度感测技术的重要因素包括高成本以及难以及时收集和解释数据。
开源微控制器（例如Arduino），无线通信和物联网（IoT）技术的最新发展为降低成本并促进农民的及时收集数据，可视化和解释提供了机会。因此，本文的研究目的是开发和测试使用Watermark 200SS传感器的低成本IoT系统，用于土壤湿度监测。该系统使用基于Arduino的微控制器，并且通过LoRa无线电将来自现场传感器（终端节点）的数据无线传输到接收器（协调器），该接收器通过WiFi连接到Internet并将数据发送到开源网站（ThingSpeak.com），可以使用Matlab可视化和进一步分析数据。通过检测在麦田的四个深度安装水印传感器，成功地对该系统进行了测试。本文描述的系统可能有助于在农民中广泛采用使用简单价格便宜的湿度传感技术。
关键字 灌溉计划，自动化，传感器，土壤湿度，物联网，Arduino，水印传感器，校准
- 介绍
在农业生产中有效利用灌溉水对于灌溉农业活动的长期经济和环境可持续性至关重要。因此，为农民开发和推广精密灌溉技术是重点，让它有效且便宜是很重要的，让他们能在需要的时间，地点使用灌溉水，从而保护环境的同时实现利润最大化。多年来，企业已经开发了许多传感技术来帮助农民正确安排灌溉时间。这些技术通常依赖于感测天气状况，感测植物本身需求或感测土壤湿度。
基于天气的灌溉计划是利用天气和其他辅助输入信息来模拟作物生长和土壤水分状况[1]。通过开发本地气象站网络以及创建软件和应用程序来自动下载和分析收集到的气象数据[2] [3]，尽管该方法已为种植者提供了很多帮助[2] [3]，但它在商业农民中的实际应用仍然有限。
使用植物传感器进行灌溉计划，尤其是在干旱地区，已将重点放在使用红外温度计来感测冠层温度[4] [5] [6]。这种方法基于这样一个事实，即水分胁迫的农作物的冠层温度往往比非胁迫的农作物的冠层温度高，长期以来，人们一直将这种方法作为灌溉计划[7] [8] [9] [10] [11]。尽管取得了一些成功，但将冠层温度用于灌溉计划可能会有很大的局限性[12] [13]，特别是对于不完整的作物冠层和潮湿环境。因此，它在商业用户中的实际应用仍然非常有限。
使用土壤湿度传感器感测土壤让农民可以用它来决定何时灌溉作物以及施用多少水的另一项主要技术。近期对内布拉斯加州的大型商业玉米种植者的研究[14]表明，基于传感器的灌溉计划节省了33％的水，并且将泵送成本降低了28.5美元/英亩/年，与农夫的灌溉相比，产量没有显着降低调度策略。但是，尽管目前有大量用于土壤水分监测的传感器和数据记录系统在市场上可以买到，但使用土壤水分传感器在商业化的农民中制定灌溉计划的决策仍然受限。影响该技术在农民中使用率有限的因素包括信息不足，成本高，安装和维护设备困难以及难以将数据从现场传感器实时传递给农民。
低成本和开源微控制器设备与软件的开发，其集成无线通信技术（如无线电，手机和WiFi）的能力[15]，以及与灌溉调度[17]和灌溉自动化系统[18]的集成，更为实惠，更有效的土壤湿度监测系统提供了机会。[16]此外，物联网（IoT）技术的最新发展正在各种应用中使用，包括智能可穿戴设备，智能家居，智能城市，智能环境和智能企业[19]。这些技术在商业农业中的应用仍然非常有限，但是通过使农民更实时地获取数据，可以为实现基于土壤湿度监测的灌溉计划提供机会。因此，本研究的目的是开发和测试使用Watermark 200SS传感器的低成本IoT系统，用于土壤湿度监测。该设计的总体目标是使土壤水分监测更加经济实惠和有效，以促进商业农民采用灌溉调度技术。
- 研究方法
2.1 介绍传感器
本文描述的系统是使用Watermark 200SS土壤湿度传感器（Irrometer Company，Inc.，Riverside，CA）从四个深度监控土壤水状态的（图1（a））。选择这种传感器的原因是其成本相对较低，这使得大多数种植者都可以负担得起。此外，这种类型的传感器已经在许多场合使用了数十年，并且在正确使用的情况下，经证明其具有耐用性和可靠性。Watermark 200SS传感器是一种固态电气设备，可感测电阻，通常用于测量土壤水势（SWP）而非土壤水分。该传感器具有一对呈两个同心环形状的耐腐蚀电极。两个环之间的空间充满了石膏材料（以提供缓冲盐分变化的能力）。电极安装在颗粒状的基质中（类似于非常细的沙子），这会造成仪器的体积大。粒状矩阵分为两层。内层是一种类似过滤器的材料，可以在颗粒状基质和土壤之间进行水交换。外层是带孔的不锈钢框架，可提供刚性并保持传感器的形状和物理完整性。传感器的两端都安装了两个ABS塑料绿色盖。电极连接到两条AWG 20导线，这些导线连接到数据采集系统。
- (b)
图1.（a）Watermark 200SS传感器；（b）Watermark 200SS手动读数。
当安装在土壤中时，水在土壤和颗粒状基质之间交换，直到达到平衡为止。由于水是电导体，因此电极之间的电阻与土壤湿度成反比。对传感器进行采样涉及使用电流（交流电而不是直流电）为其供电并读取电阻输出。电阻与SWP（负压）相关，它通常以厘巴（cb）或千帕（kPa）（cb=kPa）为单位表示。根据制造商的传感器规格，Watermark 200SS传感器的额定测量范围是0到-239kPa，尽管正常的使用范围是0到-200kPa，其中0kPa左右的读数表示土壤处于饱和状态或接近饱和状态，且读数在-200附近或接近200表示土壤非常干燥，几乎没有或没有植物可用水。有几种类型的商业记录仪可以按指定的时间间隔自动读取Watermark 200SS传感器并存储收集的数据，并且还提供了一种手动读取这些传感器的设备（图1（b））。
2.2 系统设计
四个Watermark 200SS传感器的数据采样和数据通信系统的设计包括一个协调器和多个以星形拓扑结构布置的末端节点[20]。起始拓扑基本上具有一个或几个将节点发送数据到中央节点的末端节点，该中央节点充当协调器。终端节点与湿度传感器硬连线，并定期对传感器进行采样，并使用无线通信将数据无线传输到协调器。协调器从端节点接收数据（每个端节点都有一个唯一的地址），然后将数据发送到网站，在网站上绘制数据点并可以由用户查看和进一步处理。
终端节点是使用Adafruit Feather 32u4 RFM95 LoRa无线电（RFM9x）设备（Adafruit Industries，纽约，NY，adafruit.com）创建的，该设备将基于Arduino的微控制器与远程（LoRa）分组无线电收发器结合在一起。该微控制器基于ATmega32u4芯片，时钟频率为8MHz，使用3.3V逻辑。无线电收发器可以868或915 MHz的频率发送或接收无线电信号，该频率可以在软件中指定。Adafruit网站（adafruit.com）声称，使用四分之一线天线，这些无线电的视线范围可以超过2公里（1.2英里），并且通过调整设置和使用定向天线。将Feather 0.1英寸间距接线端子（纽约州Adafruit工业公司，adafruit.com）焊接到终端节点上，以便连接传感器和电源的电线。
由于水印传感器的输出是电阻，无法由微控制器直接测量，因此，如Fisher和Gould [16]和Fisher [20]所述，在微控制器和传感器之间创建了分压电路。对于此项目，使用Pad2Pad在线系统（Pad2Pad.com）设计和制造了可容纳四个Watermark 200SS传感器的分压器印刷电路板（PCB）。分压器电路的电子图如图2（a）所示，其中A1至A4为模拟输入引脚，D1和D2为数字输出引脚，WM1至WM4代表四个水印传感器。图2（b）中显示了Watermark 200SS传感器的示例终端节点，其中显示了微控制器和分压器电路PCB。
另一方面，该协调器是通过将Feather 32u4 RFM95 LoRa无线电（RFM9x）与带有ATWINC1500的Feather M0 WiFi组合而成的（图3）。带ATWINC1500的Feather M0 WiFi具有一个ATSAMD21G18 ARM Cortex M0处理器，使用3.3V逻辑时钟频率为48 MHz。该设备还具有Atmel的WiFi模块，允许它使用802.11bgn网络连接到Internet，支持WEP，WPA和WPA2加密。两个微控制器使用表1所示的布线通过I2C通信协议相互通信。在这种布置中，Feather 32u4 RFM95 LoRa充当服务器，从LoRa客户端（终端节点）接收数据并发送-接收到Feather MO WINC1500的数据。Feather MO WINC1500随后通过WiFi连接到Internet，并将数据发送到开源ThingSpeak网站。
2.3 读取Watermark 200SS传感器
使用与Fisher和Gould（2012）来描述的相似的过程，用Arduino读取Watermark 200SS传感器，但Feather微控制器使用3.2V的激励电压代替5V。简而言之，通过在传感器的两条线之间交替使用用于为传感器供电的直流电压的极性来读取每个传感器。
- (b)
图2.（a）分压器电路；（b）终端节点
图3.协调器
表1.组成协调器的两个迷你微控制器之间的接线。
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Feather MO WINC1500 |
Feather 32u4 RFM95 LoRA |
比较结果 |
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GND |
GND |
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SCL |
SCL |
SCL在SCL线上需要一个上拉电阻（4.7 kOhms连接到3V） |
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SDA |
SDA |
在SDA线上需要一个上拉电阻（4.7 kOhms连接到3V） SDA SDA |
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Power(USB) |
Power(USB) |
USB连接提供5V DC。 |
首先通过将连接到分压器的两个数字通道之一设置为高电平，同时将另一个设置为低电平，为传感器供电（激励）。然后，在进行读数之前允许1000 ms的延迟，以使电容效应稳定下来。然后使用模数转换器（ADC）在连接到传感器的模拟通道上获取模拟读数，以产生整数输出。整数输出的范围取决于ADC的分辨率（位数）。由于Feather器件具有10位ADC，因此输出范围为0到1023（=2位=210=1024值）。通过反转激励的极性获取另一个读数，并两个读数取平均值。重复该过程十次，得到平均读数。然后，基于输入或激励电压（Vin=3.2V），将平均读数转换为电压输出（Vout），如下所示：
(1)
然后，水印传感器的电阻（Rwm，KOhm）计算为：
其中，res=分压器中使用的电阻（10 KOhm）
(2)
费舍尔等使用了Shock等人的方程。[21]转换Rwm
土壤水势（SWP）的值（以Kpa为单位），可以写为：
(3)
其中，土壤水势=土壤温度（temperatureC）。但是，该方程式最初仅适用于0到-80 kPa的范围，小于Watermark 200SS传感器正常范围的一半。因此，在本研究中开发了一个校准方案（见下文）从而将Rwm转换为SWP，这将适用于Watermark 200SS传感器的整个响应范围。
对该方案进行了实验室测试，用来评估分压器电路以及用于在完整的土壤干燥循环中对Waterma
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