盛 會，郭 輝

(新疆農(nóng)業(yè)大學機械交通學院，烏魯木齊 830052)

我國西北地區(qū)由于水資源短缺，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在很大程度上依賴于滴灌技術。滴灌技術作為目前世界上最先進的節(jié)水灌溉技術之一，屬于全管道輸水和局部微量滴灌，使水分的滲漏和損失減少到最低[1]。

長期以來，我國滴灌技術一直沒有田間信息的實時采集與分析，導致灌溉對人工經(jīng)驗的依賴程度過高，嚴重影響了滴灌效益的發(fā)揮。而基于計算機的滴灌測控系統(tǒng)，又由于繁瑣的布線和較高成本，難以在生產(chǎn)實際中推廣。近年來，隨著無線傳感器網(wǎng)絡的較快發(fā)展，ZigBee以其低功耗、低成本、自動配置組網(wǎng)等優(yōu)點，得到了廣泛應用[2]。逐步提出了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的智能節(jié)水滴灌控制系統(tǒng)。通過ZigBee和GPRS技術在智能灌溉系統(tǒng)中的應用，實現(xiàn)了對灌溉的遠程控制與監(jiān)控[3]。同時隨著模糊控制、調(diào)虧理論以及相關軟件在智能灌溉中的應用，使灌溉更加智能合理[4,5]。Ning Wang等[6]將無線傳感器網(wǎng)絡在精細農(nóng)業(yè)中的應用主要概括為以下4個方面：空間數(shù)據(jù)采集、精準灌溉、變量作業(yè)、提供數(shù)據(jù)給農(nóng)民。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)整體可分為室內(nèi)控制中心和傳感器節(jié)點兩部分。傳感器節(jié)點將采集到的溫度、濕度、光照等田間信息通過ZigBee網(wǎng)絡傳輸?shù)绞覂?nèi)控制中心，控制中心根據(jù)作物水分運移理論和農(nóng)田水分調(diào)度原理進行智能分析，判斷農(nóng)作物是否缺水，然后通過指令做出相應決策。灌溉過程中，系統(tǒng)還將實時對輸水管路中的水壓和水流進行檢測。以實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)控，準確、科學地確定作物最佳灌水時間的灌水量，達到自動灌溉的要求。根據(jù)新疆多數(shù)滴灌系統(tǒng)中每個出水樁分左右兩個出水口的實際情況，每個傳感器節(jié)點設置兩組傳感器分別采集田間信息。為省去繁瑣的布線問題，系統(tǒng)采用太陽能電池板進行供電。其系統(tǒng)整體設計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設計框圖

1.1 檢測因素的確定

(1)溫度和濕度。土壤溫度與土壤濕度作為影響作物生長和灌溉的最主要因素，首先被確定為系統(tǒng)檢測因素。

(2)光照強度。光照對作物的蒸騰作用具有一定影響。如果夏季光照強烈時灌溉，將導致作物出現(xiàn)“生理干旱”，對作物生長造成較大影響。因此將光照強度作為一個重要檢測因素。

(3)灌溉水壓。受到泵站供水、地形起伏和局部水頭損失等因素的影響，灌溉水壓會發(fā)生一定變化。而水壓又會對滴管帶壽命、滴灌穩(wěn)定性和自動施肥器工作造成影響，因此將水壓作為系統(tǒng)灌溉過程中的一個重要監(jiān)控因素。

(4)滴灌帶水流。水流大小檢測主要用于對滴灌帶堵塞情況的監(jiān)控。

1.2 硬件的選取

1.2.1 主控芯片的選取

ZigBee芯片選用TI公司推出的新一代CC2530標準芯片。CC2530 集成了一個高性能2.4 GHz直接序列擴頻射頻收發(fā)器和一顆8位MCU(8051)控制器，以及21個可編程I/O引腳，2 個支持多種串行通信協(xié)議的USART。以該芯片為核心器件的PCB天線模塊，功耗低、抗干擾能力強，相近節(jié)點間通信距離為10～100 m，在加大模塊發(fā)射功率后，通信距離可增至1～3 km[7]。該芯片滿足農(nóng)田節(jié)點間通信需求。

1.2.2 傳感器的選取

(1)溫濕度傳感器。選用瑞士Sensirion 公司生產(chǎn)具有I2C 總線接口的數(shù)字式傳感器SHT20。它是基于4C 代CMOSens?芯片的新型智能低功耗傳感器，可直接將檢測結(jié)果轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號輸出，簡化了外圍硬件的設計[8]。供電電壓為DC 2.1～3.6 V。

(2)光照傳感器。選用集成了光電二極管和ADC(即模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器)的環(huán)境光傳感器MAX44009。其具有I2C數(shù)字接口，測量范圍0.045～188 000 lux，供電電壓為DC 1.7～3.6 V。

(3)壓力變送器。選用RS485輸出信號的通用型壓力變送器CYYZ11-H。其符合標準 Modbus-RTU協(xié)議，分辨率為0.05%，測試范圍為0～0.6 MPa，供電電壓為DC 9～36 V。

(4)水流量傳感器。選用YF-S201流量傳感器。允許耐壓水壓1.75 MPa，工作電壓DC 5～18 V。

1.2.3 執(zhí)行元件的選取

執(zhí)行部分采用DC12V4分常閉電磁閥。硬件報警器采用普通DC5V聲光報警器。

2 系統(tǒng)電路設計

為節(jié)省開發(fā)時間和成本，控制節(jié)點采用開發(fā)板模塊，電路設計主要針對傳感器節(jié)點。為解決傳感器節(jié)點繁瑣的布線問題，采用12V太陽能電池板對其供電。傳感器節(jié)點的電路組成主要包括：電源模塊、傳感器檢測電路、電磁閥驅(qū)動電路、PCB模塊和輔助電路等。

(1)電源模塊。由于傳感器和執(zhí)行元件的電壓要求不同，因此需要設計12 V-5 V-3.3 V直流穩(wěn)壓電路。主要使用正電壓穩(wěn)壓芯片LM7805和低壓降線性穩(wěn)壓器芯片AMS1117-3.3 V來完成電壓轉(zhuǎn)換。

(2)傳感器檢測電路。其主要的RS485轉(zhuǎn)換電路采用SP485EEN-L/TR芯片對壓力變送器的RS485輸出信號進行轉(zhuǎn)換。其電路圖如圖2所示。

圖2 RS485轉(zhuǎn)換電路

(3)電磁閥驅(qū)動電路。采用光耦EL817C芯片，使CC2530芯片和電磁閥的驅(qū)動部分在電氣上完全隔離, 避免了強電干擾或損壞芯片。其電路圖如圖3所示。

圖3 電磁閥驅(qū)動電路

傳感器節(jié)點電路還包含按鍵、發(fā)光二極管和接口組成的輔助電路。其整體電路圖如圖4所示。

圖4 傳感器節(jié)點電路圖

3 系統(tǒng)軟件設計

ZigBee協(xié)議中物理設備分全功能設備(FFD)和精簡功能設備(RFD)兩種[9]。FFD擁有完整的協(xié)議功能，支持任何拓撲結(jié)構(gòu)和通信方式；RFD通常只用于星形網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)中作為終端設備節(jié)點，相互之間只能通過FFD通信。

控制節(jié)點作為協(xié)調(diào)器使用全功能設備，在網(wǎng)絡中有且只有一個，主要負責建立網(wǎng)絡、發(fā)送網(wǎng)絡信標、管理網(wǎng)絡節(jié)點、對消息進行路由選擇等功能[10]。實現(xiàn)向主控制器返回田間信息及向傳感器節(jié)點發(fā)送控制指令。

傳感器節(jié)點作為路由器也使用全功能器件，具體數(shù)量可根據(jù)灌溉面積和網(wǎng)絡的穩(wěn)定性能決定。作為多跳路由，輔助其他節(jié)點完成通信，在進行環(huán)境數(shù)據(jù)采集的同時，也接受協(xié)調(diào)器的命令控制系統(tǒng)的執(zhí)行端。

為滿足實際運行要求，系統(tǒng)采用自動控制和手動控制相結(jié)合的方式進行管控，同時加入軟硬件輔助報警功能。為解決農(nóng)田大面積種植以及地塊分散等原因?qū)W(wǎng)絡穩(wěn)定性能的影響，系統(tǒng)采用具有動態(tài)組網(wǎng)和自動路由功能的網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)。

3.1 ZigBee模塊編程

ZigBee作為一種短距離、低功耗、低成本的雙向無線通信技術，其模塊的軟件開發(fā)是基于IAR Embedded Workbench (簡稱EW) 平臺在ZigBee 2007 協(xié)議棧的基礎上進行的[11]。協(xié)議?；跇藴实?層開放式系統(tǒng)互聯(lián)模型[12]。每一層為其上層提供特定的服務。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 上位機編程

上位機在本系統(tǒng)中具有較為重要的作用，采用VS2015/MFC進行編寫。上位機主要實現(xiàn)兩方面的功能：一方面對傳感器節(jié)點傳回的數(shù)據(jù)進行實時顯示和記錄；另一方面將各組傳感器數(shù)據(jù)與設定值進行比較分析，判斷田間信息和灌溉系統(tǒng)是否正常，然后做出相應決策。

系統(tǒng)采用自動控制和手動控制相結(jié)合的管控方式，可同時對溫度、濕度、光照和灌溉水壓4個因素進行設定，并采用了界面窗口顯示和硬件相結(jié)合的報警方式。系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過Access2016數(shù)據(jù)庫進行記錄，以滿足后期數(shù)據(jù)分析的需求。上位機主界面如圖6所示。

圖6 上位機主界面

4 結(jié) 語

通過實際測試，上位機可正常顯示和記錄各傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)。手動模式下，可以通過按鈕手動控制閥門開關；自動模式下，在滿足溫度、濕度和光照的設定參數(shù)時，閥門自動開啟關閉，否則閥門將處于常閉狀態(tài)。并對光照強度過高、閥門打開后管道壓力過低或無水流等情況做了報警處理。

本文所設計的基于ZigBee技術的農(nóng)田滴灌自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對田間信息的顯示和記錄，可以按照設定的系統(tǒng)參數(shù)進行灌溉，滿足了對特殊情況的軟硬件報警需求。符合設施農(nóng)業(yè)智能化、網(wǎng)絡化發(fā)展的趨勢, 具有一定的推廣價值和應用前景[13]。較好地解決了，傳統(tǒng)滴灌系統(tǒng)中因無田間信息采集，對人工經(jīng)驗的過度依賴問題。同時ZigBee的無線技術也解決了有線通信方式帶來的繁瑣布線、難以維護和 不便擴展等突出問題。該系統(tǒng)運行穩(wěn)定,抗干擾性強,在通信速度和通信距離上均能滿足實際需求,且能較大降低安裝和維護成本。

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