曾澤良，郭金星，藍(lán)潘生，胡 潔

（桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004）

最近幾年，由于人口的增長(zhǎng)和城市化、工業(yè)化的發(fā)展，水資源嚴(yán)重缺乏，節(jié)能減排是關(guān)鍵的熱點(diǎn)。在現(xiàn)在的公園和果園中，需要人工對(duì)植物灌溉進(jìn)行護(hù)理，需要大量的人力和物力，并且在對(duì)植物進(jìn)行灌溉的時(shí)候，沒(méi)有對(duì)水的利用進(jìn)行有效的控制，大大浪費(fèi)了水資源[1]。本文設(shè)計(jì)一種用傳感器監(jiān)測(cè)土壤的濕度情況，對(duì)其進(jìn)行定點(diǎn)定量澆灌，作為無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能灌溉領(lǐng)域的探索性研究，可為以后建立大型的遠(yuǎn)程智能灌溉系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

1 方案設(shè)計(jì)

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)ZigBee的特征，本文設(shè)計(jì)的ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

根據(jù)對(duì)遠(yuǎn)程智能澆灌系統(tǒng)的功能需求調(diào)查結(jié)果，本文設(shè)計(jì)了如下功能。

（1）數(shù)據(jù)采集功能。通過(guò)ZigBee模塊對(duì)傳感器進(jìn)行讀取，獲取土壤溫濕度、空氣溫濕度和日照強(qiáng)度信息數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)通信功能。把傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)過(guò)多跳傳遞經(jīng)ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)，傳送到服務(wù)器上，以及把管理平臺(tái)的控制指令再發(fā)送到監(jiān)控節(jié)點(diǎn)完成整個(gè)數(shù)據(jù)間的雙向通信。

（3）遠(yuǎn)程控制功能。管理平臺(tái)遠(yuǎn)程發(fā)送指令，控制電磁閥門(mén)實(shí)現(xiàn)灌溉操作的遠(yuǎn)程控制。

（4）自動(dòng)控制功能。管理平臺(tái)根據(jù)傳感器信息分析環(huán)境狀態(tài)，自動(dòng)遠(yuǎn)程發(fā)送指令控制電磁閥門(mén)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)灌溉操作的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。

本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程智能澆灌系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要解決以下兩個(gè)方面的技術(shù)要求。

（1）電路系統(tǒng)的供電問(wèn)題。用于ZigBee無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和匯節(jié)點(diǎn)均采用電池供電，因此對(duì)功耗要求非?？量蹋瑢?duì)電池的容量也有較高的要求，并且根據(jù)實(shí)用性考慮尺寸也不能太大，因而要求能量密度大并且能滿(mǎn)足戶(hù)外的工作環(huán)境要求。

（2）無(wú)線通信的可靠性問(wèn)題。首先，要求本系統(tǒng)要有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的自組織功能，能夠在無(wú)需人工干預(yù)的情況下，各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠接收到其他節(jié)點(diǎn)的無(wú)線信號(hào)后確立連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的整體網(wǎng)絡(luò)。其次，要求本系統(tǒng)要有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的自愈功能，在對(duì)整體網(wǎng)絡(luò)增加或刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，或者在節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動(dòng)、節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障等情況下，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都能夠在無(wú)需人工干預(yù)的條件下通過(guò)自我修復(fù)，重新確立各個(gè)節(jié)點(diǎn)的連接關(guān)系，對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相應(yīng)地調(diào)整，保證網(wǎng)絡(luò)通信正常、系統(tǒng)正常工作。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的匯節(jié)點(diǎn)主要由GPRS模塊和ZigBee模塊構(gòu)成，ZigBee模塊用于連接無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，GPRS模塊用于進(jìn)行連接因特網(wǎng)。太陽(yáng)能電池板、電源管理模塊和電池用于提供穩(wěn)定可靠的電源[2]。匯節(jié)點(diǎn)原理框如圖2所示。

圖2 匯節(jié)點(diǎn)原理框

ZigBee無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)需考慮系統(tǒng)的主要功能，因此，需包含的傳感器包括土壤溫濕度檢測(cè)傳感器、電磁閥控制模塊、光照強(qiáng)度檢測(cè)傳感器和空氣溫濕度檢測(cè)傳感器。傳感器節(jié)點(diǎn)原理框如圖3所示。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)原理框

如圖3所示，電源部分，太陽(yáng)能電池板、電源管理模塊和電池用于提供穩(wěn)定可靠的電源。ZigBee模塊讀取傳感器數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)以ZigBee方式向匯節(jié)點(diǎn)發(fā)送。

空氣溫濕度采用DH11。DH11是非常常用的空氣溫濕度傳感器，以單總線方式與ZigBee模塊連接。

土壤溫濕度傳感器采用電阻式傳感器，利用電阻變化測(cè)量溫濕度，ZigBee模塊通過(guò)讀取AD信號(hào)可獲取土壤溫濕度信息。

光強(qiáng)傳感器采用TSL2561。TSL2561通過(guò)IIC與ZigBee模塊通信。

電磁閥門(mén)驅(qū)動(dòng)模塊可采用繼電器方式，也可采用MOS管方式。

3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)可采用面向?qū)ο笳Z(yǔ)言VB進(jìn)行編程。上位機(jī)界面如圖4所示。

在本系統(tǒng)中，上位機(jī)軟件主要包括界面設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)通信。界面設(shè)計(jì)并不復(fù)雜，主要用于顯示各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，顯示文字和數(shù)據(jù)可通過(guò)text控件，控制輸入可通過(guò)bottom控件，界面的規(guī)整可以采用容器控件，為便于編寫(xiě)程序，對(duì)相同數(shù)據(jù)類(lèi)型的控件可以使用控件數(shù)組[3]。數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，便于用戶(hù)查看記錄。網(wǎng)絡(luò)通信部分用于從以太網(wǎng)中獲取傳感器節(jié)點(diǎn)經(jīng)由匯節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的信息，并將數(shù)據(jù)從管理平臺(tái)發(fā)送到傳感器節(jié)點(diǎn)。后臺(tái)程序通過(guò)分析記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)的信息，判斷閾值，當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)達(dá)到閾值時(shí)向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令，從而自動(dòng)控制。

圖4 上位機(jī)界面示意

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)了一種遠(yuǎn)程智能澆灌系統(tǒng)，系統(tǒng)包括管理平臺(tái)、匯節(jié)點(diǎn)和無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)檢測(cè)土壤溫濕度、空氣溫濕度及光照強(qiáng)度，基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)經(jīng)由匯節(jié)點(diǎn)發(fā)送到管理平臺(tái)，管理平臺(tái)將數(shù)據(jù)記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中，并通過(guò)分析記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)的信息，判斷閾值，從而進(jìn)行自動(dòng)遠(yuǎn)程澆灌控制。

[1]劉娉婷.基于WSN的智能溫室大棚多參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)[D].唐山：華北理工大學(xué)，2015.

[2]車(chē)孝軒.太陽(yáng)能光伏發(fā)電及智能系統(tǒng)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2013.

[3]丁浩宸.基于ARM的遠(yuǎn)程可視化智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].大連：大連理工大學(xué)，2014.