基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)[圖]

摘要：針對(duì)國(guó)內(nèi)目前多數(shù)滴灌作業(yè)人工操作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力效果不佳，部分自動(dòng)滴灌系統(tǒng)實(shí)用性不強(qiáng)的情況，提出了基于ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)控制滴灌系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，軟件設(shè)計(jì)和工作過(guò)程。該系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)植物土壤濕度、環(huán)境溫度和光照的變化，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將傳感器信號(hào)反饋，結(jié)合傳感器融合技術(shù)可對(duì)滴灌動(dòng)作做出精確判斷，實(shí)施高效的節(jié)水灌溉措施。

0 引 言

滴灌技術(shù)是通過(guò)干管、支管和毛管上的滴頭，在低壓下向土壤經(jīng)常緩慢滴水，可直接向土壤供應(yīng)已過(guò)濾的水分、肥料或其他化學(xué)劑等的一種灌溉系統(tǒng)，其對(duì)水的利用率可達(dá)95 % ,較噴灌具有更高的節(jié)水增產(chǎn)效果。

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的滴灌系統(tǒng)大多靠人工進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)控制，由于沒(méi)有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集與分析，灌溉的隨意性較大。而基于計(jì)算機(jī)的滴灌測(cè)控系統(tǒng)，又由于布線不便，且成本較高、耗時(shí)較長(zhǎng)，往往難以在生產(chǎn)實(shí)際中推廣。近年來(lái)，隨著無(wú)線信息傳輸技術(shù)的發(fā)展，ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)以其低功耗、低成本、低速率、近距離、短時(shí)延、高安全等特點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到高度關(guān)注。

我國(guó)已有研究如基于ZigBee 技術(shù)的農(nóng)田信息采集節(jié)點(diǎn)、溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、作物精量灌溉系統(tǒng)，而將其用于大田滴灌的自動(dòng)控制則尚未見報(bào)道。本文的基于ZigBee 無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)控制的滴灌系統(tǒng)能克服在農(nóng)田中布線和維護(hù)的種種困擾及不可預(yù)知的因素，根據(jù)得到的田間信息對(duì)滴灌系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)施分區(qū)精確灌溉。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1. 1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 （a） 所示，由上位機(jī)（ PC） 、網(wǎng)關(guān)、路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，其中路由器及終端節(jié)點(diǎn)均可裝備傳感器；執(zhí)行機(jī)構(gòu)為控制滴灌開閉的電磁閥。

采用一臺(tái)計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，主要作用為監(jiān)測(cè)作物各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)并實(shí)施相應(yīng)的灌溉決策；網(wǎng)關(guān)為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，對(duì)于全功能設(shè)備，路由器和終端通過(guò)內(nèi)部程序進(jìn)行設(shè)置，且在一定距離內(nèi)均可與網(wǎng)關(guān)直接通信；網(wǎng)關(guān)與上位機(jī)通過(guò)RSO232 總線相連，下層節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，電磁閥連接至任意節(jié)點(diǎn)均可執(zhí)行控制。

基于灌溉時(shí)農(nóng)作物需水量主要由其所處環(huán)境的土壤濕度、溫度和光照度密切相關(guān)，因此本系統(tǒng)采用土壤濕度傳感器、空氣溫度傳感器和光照度傳感器。根據(jù)在田間應(yīng)用的實(shí)際情況，設(shè)置路由器節(jié)點(diǎn)連接至執(zhí)行機(jī)構(gòu)即電磁閥，上位機(jī)放置于距電磁閥較近的室內(nèi)，傳感器連接至終端節(jié)點(diǎn)，在田塊面積大、信號(hào)傳送不穩(wěn)定的情況下，可將部分連接傳感器的終端節(jié)點(diǎn)替換為路由節(jié)點(diǎn)。

1. 2 滴灌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

參考滴灌相應(yīng)要求，水源處加置節(jié)流閥、過(guò)濾器和壓力表，選用PVC Ф32 mm 作干管， Ф20 mm 的PE 管作支管，支管前端接電磁閥、壓力表，選用PVC Ф32 mm 作干管， Ф20 mm 的PE管作支管，支管前端接電磁閥、調(diào)壓閥和流量計(jì)，電磁閥選用直流24 V ,2 . 3 L/ h 壓力補(bǔ)償?shù)晤^，一棵作物加一個(gè)滴頭嵌入滴灌支管中。支管行距不可過(guò)小防止行間水分入滲造成干擾，本系統(tǒng)設(shè)定行距為1 m.滴灌管網(wǎng)設(shè)計(jì)如圖1 （ b） 所示。傳感器加在灌區(qū)內(nèi)生長(zhǎng)良好的植株上，土壤濕度傳感器埋于地表下植株根系附近，光照度傳感器和溫度傳感器安放于ZigBee 模塊并將模塊固定在植株邊的標(biāo)桿。電磁閥連接路由器節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)電路，網(wǎng)關(guān)通過(guò)RSO232 串口接至上位機(jī)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1. 3　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的ZigBee 芯片選用TI 的CC2430 ,功能強(qiáng)大，只需要很少的外圍部件配合就能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)功能，片上資源豐富、功能強(qiáng)大，使得無(wú)論是處于協(xié)調(diào)器位置的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，還是處于網(wǎng)絡(luò)末梢的傳感器節(jié)點(diǎn)， 其硬件結(jié)構(gòu)都非常簡(jiǎn)單、可靠、實(shí)用。

根據(jù)需要，系統(tǒng)選用STHO01 型土壤濕度傳感器， tc77 數(shù)字溫度傳感器， P9003 光敏電阻，執(zhí)行部分采用DC24V 電磁閥，驅(qū)動(dòng)電路如圖2 .STHO01 土壤濕度傳感器測(cè)量精度為±3 % ,量程0~100 % ,輸出信號(hào)4~20 mA ,工作電壓12 VDC ,穩(wěn)定時(shí)間為通電后2 s ,可進(jìn)行土壤濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，滿足系統(tǒng)要求。其輸出的電流信號(hào)通過(guò)高精度電阻轉(zhuǎn)為0~5 V 電壓后再由CC2430 進(jìn)行AD 轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)，通過(guò)傳輸所得不同電壓幅值即可確定土壤含水率。信號(hào)的接收與發(fā)送均由天線實(shí)現(xiàn)。

圖2 系統(tǒng)硬件圖

STHO01 土壤濕度傳感器需埋入地下，埋設(shè)位置和開始滴灌后的啟動(dòng)時(shí)間關(guān)系到數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及實(shí)時(shí)性，而一般作物根系深度在10~20 cm，因此在參考相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，做以下實(shí)驗(yàn)：取實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)泥土，烘干后置于一透明實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，上置滴頭按照上節(jié)同樣方法設(shè)定滴灌流速，記錄不同深度不同時(shí)段土壤濕度值，如此3 次取平均值，得到數(shù)據(jù)如表1 .圖3 為滴灌入滲濕潤(rùn)體分布圖。

圖3 入滲濕潤(rùn)體形狀（1/ 2 剖面）

表1 土壤濕度值

由表1 知，各深度土壤濕度值差異不大，而實(shí)驗(yàn)用作物根系在10 cm 水平，因此即選擇在10 cm 處埋設(shè)土壤濕度傳感器。此外各深度數(shù)據(jù)均在5 min 及20 min 時(shí)出現(xiàn)較大變化，其余時(shí)段變化相對(duì)較小，考慮5 min 時(shí)距滴灌結(jié)束尚有較多時(shí)間，因此將傳感器開啟時(shí)間設(shè)定為滴灌后20 min.

1. 4 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee 技術(shù)以ZigBee 協(xié)議棧為核心，是基于標(biāo)準(zhǔn)的7 層開放式系統(tǒng)互聯(lián)模型[6 ] ,協(xié)議套件緊湊且簡(jiǎn)單，相比于常見的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)要求較低。

ZigBee 規(guī)范定義了3 種類型的設(shè)備，每種都有自己的功能要求：ZigBee 協(xié)調(diào)器是啟動(dòng)和配置網(wǎng)絡(luò)的一種設(shè)備，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)正常工作以及保持同網(wǎng)絡(luò)其他設(shè)備的通信，一個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)只允許有一個(gè)ZigBee 協(xié)調(diào)器； ZigBee 路由器是一種支持關(guān)聯(lián)的設(shè)備，能夠?qū)⑾�息轉(zhuǎn)發(fā)到其他設(shè)備； ZigBee 終端設(shè)備可以執(zhí)行它的相關(guān)功能，并使用ZigBee 網(wǎng)絡(luò)到達(dá)其他需要與其通信的設(shè)備。它的存儲(chǔ)器容量要求最少。本設(shè)計(jì)采用的節(jié)點(diǎn)均為全功能設(shè)備，因此除網(wǎng)關(guān)在硬件結(jié)構(gòu)上也有區(qū)別外，路由器和終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)植入不同程序，執(zhí)行不同功能。

考慮到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與環(huán)境的特殊性，單一的傳感器不能保證采集數(shù)據(jù)的合理性和準(zhǔn)確性，本系統(tǒng)采用分布式多傳感器體系結(jié)構(gòu)，3 個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)作信息融合處理，以融合后的數(shù)據(jù)作為模糊控制器的輸入決策判據(jù)如圖4 所示。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸失敗時(shí)，借助其他正常節(jié)點(diǎn)提供的信息，還是能獲得更加準(zhǔn)確的結(jié)果。融合后對(duì)溫度、濕度和光照度這3 個(gè)主要環(huán)境參數(shù)進(jìn)行模糊控制，對(duì)滴灌做出較精確的判斷。多傳感器彼此獨(dú)立但并不孤立，它們通過(guò)信息交換，相互影響，消除彼此之間可能存在的冗余和矛盾，加以互補(bǔ)，從而降低了測(cè)量、控制的不確定性。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，協(xié)調(diào)器和傳感器節(jié)點(diǎn)首先上電初始化，啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)后自動(dòng)進(jìn)行組網(wǎng)，傳感器節(jié)點(diǎn)收到信號(hào)采集數(shù)據(jù)后判斷數(shù)據(jù)是否在系統(tǒng)要求范圍，若不在則表明需要進(jìn)行滴灌，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電磁閥開啟至設(shè)定時(shí)間，之后再次采集數(shù)據(jù)判斷，直至滿足系統(tǒng)要求。節(jié)點(diǎn)空閑時(shí)處于休眠狀態(tài)，最大限度降低功耗。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1. 5 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中監(jiān)控軟件起著至關(guān)重要的作用，采用C # 語(yǔ)言編寫，通過(guò)該監(jiān)控軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)監(jiān)控，信息提取和控制輸出等功能。

首先，軟件界面顯示無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)鋱D，確認(rèn)無(wú)誤后開始按預(yù)定程序接收節(jié)點(diǎn)傳感器信號(hào)，信號(hào)可由兩種方式顯示，分別是數(shù)值顯示和曲線顯示，采集步長(zhǎng)可設(shè)置為1~60 min ,此外也可手動(dòng)操作獲取當(dāng)前信息。對(duì)同區(qū)內(nèi)作物采得的信息進(jìn)行處理，同種傳感器信號(hào)取均值，再對(duì)3 種傳感器信號(hào)綜合計(jì)算，設(shè)定閾值，根據(jù)控制方法，在傳感器信號(hào)到達(dá)設(shè)定值后，輸出對(duì)電磁閥的開關(guān)信號(hào)。獲取的傳感器信號(hào)和輸出的控制信號(hào)可定時(shí)自動(dòng)保存，并可導(dǎo)出至界面以供觀察和對(duì)比。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

監(jiān)控軟件調(diào)試完畢后，將本系統(tǒng)移至室外實(shí)際運(yùn)作，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地選擇南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院農(nóng)機(jī)實(shí)驗(yàn)室旁院試驗(yàn)田，選取面積約10 m ×30 m ,土壤為普通黃土，2009 年6 月種植玉米（香糯品種） 6 行，其中2 行為一組，組內(nèi)行距0. 4 m ,組間行距1 m ,每組均有一行使用本系統(tǒng)滴灌及一組人工澆灌；每行長(zhǎng)度約15~16 m ,行內(nèi)每株間距0. 3 m 左右。

選取每組采用滴灌的一顆生長(zhǎng)良好玉米，以其融合數(shù)據(jù)代表整片試驗(yàn)田，設(shè)定土壤濕度在任何狀況下均不可低于20 %或高于50 %;采樣步長(zhǎng)設(shè)為30 min ,當(dāng)監(jiān)測(cè)值達(dá)到灌溉要求，即滴灌20 min ,若未滿20 min 時(shí)已達(dá)到濕度上限，則提前停止灌溉，若滴灌結(jié)束后濕度仍未達(dá)要求，則根據(jù)測(cè)得數(shù)據(jù)再次滴灌，監(jiān)控軟件每60 min 顯示一次測(cè)定結(jié)果。

3 結(jié)果分析

圖5 所示為2009 年8 月18~20 日試驗(yàn)田內(nèi)玉米土壤濕度的變化情況，系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄良好無(wú)丟失。由于天氣炎熱，18 日及19 日分別有1 次次達(dá)到灌溉閾值下限，最小值24 % ,最大值為49 % ,基本在理想范圍內(nèi)。這表明在作物缺水時(shí)，系統(tǒng)能及時(shí)灌溉，當(dāng)濕度達(dá)到作物要求上限時(shí)則適時(shí)停止灌溉，減少了不必要的浪費(fèi)，即達(dá)到節(jié)水目的。此外，作物所處土壤濕度基本保持在設(shè)定值附近，保證其生長(zhǎng)所需的水分，提高產(chǎn)量和質(zhì)量。

圖5 2009 年8 月18~20 日土壤濕度變化

4 結(jié) 語(yǔ)

如今精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的研究和應(yīng)用越來(lái)越廣泛，節(jié)水灌溉也是其中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本系統(tǒng)將ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)運(yùn)用于滴灌，設(shè)計(jì)了基于ZigBee 的無(wú)線滴灌控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)有靈活性強(qiáng)、安全可靠、低功耗的特點(diǎn)，無(wú)需人為操作，免除有線接入的繁瑣過(guò)程和種種隱患，能夠長(zhǎng)期、穩(wěn)定的工作，是對(duì)有線控制方法的有益補(bǔ)充。通過(guò)監(jiān)控軟件可以實(shí)時(shí)觀測(cè)田間墑情和控制水閥開啟及關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)土壤水分及溫度、光照的在線監(jiān)測(cè)和控制，讓本來(lái)難于了解的情況一目了然，進(jìn)一步減輕種植人員的負(fù)擔(dān)�？梢哉f(shuō)ZigBee 技術(shù)的引進(jìn)，提高了自動(dòng)灌溉的實(shí)用性及灌溉用水的使用效率，為我國(guó)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)工程提供了強(qiáng)有力的工具。

作者：楊婷 汪小旵 來(lái)源：《節(jié)水灌溉》