張素　劉宇

【摘 要】我國是一個水資源非常貧乏的國家，人均水資源量僅為世界平均水平的四分之一，同時中國又是一個農業(yè)大國，長期的粗放型農業(yè)生產方式大大的浪費了寶貴的水資源。本文旨在設計一套基于zigBee無線傳感器網(wǎng)絡技術，能對作物生長的土壤濕度進行自動監(jiān)控的系統(tǒng)，它能對作物進行適時、適量的灌溉，起到高效灌溉，節(jié)水、節(jié)能的作用。

【關鍵詞】zigBee；自動監(jiān)控；節(jié)水灌溉

【Abstract】China is a country poor in water resources， per capita water resources is only a quarter of the world average， while our country is an agricultural country， long-term extensive farming great waste precious water resources. The purpose of this paper is to design a set of based on zigBee wireless sensor network technology， to automatically crop growth of soil moisture monitoring system， it can timely， right amount of crop irrigation， and a high efficient irrigation， water saving， energy saving effect.

【Key words】zigBee； Automatic monitoring； Water-saving irrigation

0 引言

我國是個水資源非常缺乏的國家，傳統(tǒng)的溫室節(jié)水控制系統(tǒng)存著以下缺點：

1）單獨依靠灌溉流程的最后環(huán)節(jié)來解決，沒有將水資源的開發(fā)、輸送、分配等因素全盤綜合考慮，真正的做到按需精確的給水。

2）在實際的農業(yè)生產應用時，需要密布傳感器節(jié)點，才能實現(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的有效覆蓋，這將導致農業(yè)設施內部線纜縱橫交錯，系統(tǒng)安裝及維護成本急劇增加。

本研究擬將物聯(lián)網(wǎng)架構的無線傳感器技術應用于節(jié)水灌溉系統(tǒng)中。以ZigBee無線網(wǎng)絡技術為依托構建物聯(lián)網(wǎng)架構的溫室節(jié)水灌溉系統(tǒng)。內容包括：利用ZigBee無線網(wǎng)絡技術的低功耗、低成本、免許可無線通信頻段等特點，將其引入到溫室灌溉系統(tǒng)中，避免了大量信號線的敷設；

另外，因為溫室是采光建筑，透光性較好，本項目將太陽能供電技術應用到溫室土壤溫、濕度檢測之中，利用太陽能供給環(huán)境檢測所需電力，在不利于電力線路敷設的區(qū)域也可以實現(xiàn)電力供給，并且節(jié)能、環(huán)保。

國外灌溉監(jiān)控系統(tǒng)在運行、管理方面的自動化程度較高，并且系統(tǒng)也相對比較完善。在農業(yè)機械化和自動化程度較高的美國、日本、荷蘭、西班牙和以色列等國家中，很多灌溉控制的技術值得我們在農業(yè)灌溉現(xiàn)代化過程中借鑒。

1 系統(tǒng)設計原則

結合灌溉系統(tǒng)自身的特點和當前國內外各種精準灌溉的優(yōu)劣，本系統(tǒng)的設計遵循以下原則：

1）能時時刻刻的監(jiān)測灌溉區(qū)域的土壤含水量，這是我們做精準灌溉的基礎。如果做不到實時監(jiān)測，空談精準就毫無根據(jù)可言。

2）能夠準確的讀取灌溉區(qū)域土壤含水量，這是精準灌溉的精髓所在，如果連含水量的監(jiān)測都無法保證精確，就無從說起控制。

3）方便而實用。用戶不需要過于復雜的操作，而需要經過專業(yè)技術人員的培訓之后便能熟練的操作。

4）節(jié)能，低碳。系統(tǒng)不需要復雜的交流電連接，這樣既不破壞植被的美觀又能節(jié)約能源。

5）低成本。國外很多先進的精準灌溉系統(tǒng)雖然己經做的很好了，但是高昂的價格根本不是我國農民能承受得起的。因此只有價格低廉有利于推廣。

2 系統(tǒng)總體設計方案

3 溫室無線環(huán)境檢測系統(tǒng)的方案設計

整個檢測系統(tǒng)由zigbee無線傳感器網(wǎng)絡和上位機檢測平臺兩部分組成。zigbee無線傳感器網(wǎng)絡由傳感器節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點組成，分布在溫室的各個區(qū)域。無線傳感器節(jié)點分為傳感器節(jié)點和路由節(jié)點 協(xié)調器節(jié)點。系統(tǒng)運行時，傳感器節(jié)點周期性地完成數(shù)據(jù)采集并通過 Zig-Bee 網(wǎng)絡匯總到協(xié)調器，協(xié)調器將采集的數(shù)據(jù)通過多跳的方式匯聚到遠程監(jiān)控中心的基地管理監(jiān)測平臺?；毓芾肀O(jiān)測平臺收到所有節(jié)點周期性匯聚的數(shù)據(jù)后，采用 SQLite 數(shù)據(jù)庫對采集的數(shù)據(jù)進行存儲、查詢等管理，并可以通過 GPRS 或 Internet 網(wǎng)絡將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程監(jiān)控中心的服務器上，使得用戶可以隨時通過 Internet 登錄到服務器網(wǎng)站查閱或分析處理數(shù)據(jù)，為多個區(qū)域的環(huán)境信息集中管理和和綜合應用提供支持。此外，還可以對寫入數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)進行判斷，當超過管理人員設置的閾值時，通過啟動聲光報警器、GSM 短信等多種方式預警，并根據(jù)設計的算法將不同的控制命令發(fā)送到控制節(jié)點，由控制節(jié)點驅動相應的執(zhí)行機構，完成相應的策略。檢測系統(tǒng)的整體結構圖如圖1所示。

4 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的硬件設計

無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點有三種：傳感器節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點。這三種節(jié)點在硬件設計上有部分內容是重疊的。節(jié)點主要由數(shù)據(jù)處理模塊和無線通信模塊組成。本設計選用了CC2430芯片，從而簡化了電路的設計。傳感器節(jié)點采集與環(huán)境有關的數(shù)據(jù)，因此除完成數(shù)據(jù)收發(fā)外，還需要數(shù)據(jù)采集模塊。另外，所有節(jié)點均采用太陽能供電，網(wǎng)絡中節(jié)點的結構如圖2所示。

5 太陽能供電模塊

為了更好地解決傳感器節(jié)點的能量供給問題，提出了基于太陽能的能量供給系統(tǒng)，主要由太陽能電池組件、能量管理控制器、蓄電池（組）三部分組成。太陽能電池組件保證使用壽命長，設計在20年以上；蓄電池容量能滿足設備負載7天連續(xù)陰雨天供電。為了降低能耗，采用類似于智能手機的供電方式，即采用鋰電池的供電的設計方案。太陽能控制器控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。供電模塊結構圖如圖3所示。

6 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件的設計要實現(xiàn)預想的功能，除此之外應該考慮復雜度和功耗等一些優(yōu)化措施。本系統(tǒng)的軟件設計包含這幾個部分：協(xié)調器節(jié)點（coordinator）軟件設計，控制功能節(jié)點（router）軟件設計，客戶端軟件設計。這幾部分的關系如圖4所示：

7 結論

針對溫室環(huán)境濕度大、基礎設施少、作物眾多且動態(tài)變化等特點，本文設計了基于 ZigBee 的溫室自動灌溉系統(tǒng)。設備基于太陽能供電，實現(xiàn)現(xiàn)場實時監(jiān)測、遠程監(jiān)控報警、灌溉閾值設置靈活以及休眠等功能，并為用戶提供直觀的系統(tǒng)管理平臺來完成節(jié)點管理和數(shù)據(jù)處理功能。設備使用證明，其具有良好的穩(wěn)定性，并能滿足不同作物不同時期灌溉的需要。同時，具有系統(tǒng)誤差低、響應速度快、部署靈活、成本低廉、維護簡單等特點。該設備的研制和使用為建立大型遠程智能灌溉系統(tǒng)提供經驗和技術支持。

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[責任編輯：侯天宇]