基于ZigBee无线传感网络的自动滴灌系统设计

　　摘 要：针对国内目前多数滴灌作业人工操作，费时费力效果不佳，部分自动滴灌系统实用性不强的情况，提出了基于ZigBee 无线传感器网络的自动控制滴灌系统，介绍了系统的硬件构成，软件设计和工作过程。该系统能够监测植物土壤湿度、环境温度和光照的变化，通过无线网络将传感器信号反馈，结合传感器融合技术可对滴灌动作做出判断，实施高效的节水灌溉措施。

　　0  引 言

　　滴灌技术是通过干管、支管和毛管上的滴头，在低压下向土壤经常缓慢滴水，可直接向土壤供应已过滤的水分、肥料或其他化学剂等的一种灌溉系统，其对水的利用率可达95 % ,较喷灌具有更高的节水增产效果。

　　长期以来，我国的滴灌系统大多靠人工进行经验控制，由于没有实时数据的采集与分析，灌溉的随意性较大。而基于计算机的滴灌测控系统，又由于布线不便，且成本较高、耗时较长，往往难以在生产实际中推广。近年来，随着无线信息传输技术的发展，ZigBee 无线网络以其低功耗、低成本、低速率、近距离、短时延、高安全等特点，在农业生产中得到高度关注。

　　我国已有研究如基于ZigBee 技术的农田信息采集节点、温室环境远程监控系统、作物精量灌溉系统，而将其用于大田滴灌的自动控制则尚未见报道。本文的基于ZigBee 无线传感网络控制的滴灌系统能克服在农田中布线和维护的种种困扰及不可预知的因素，根据得到的田间信息对滴灌系统进行控制，实施分区灌溉。

　　1  系统的设计

　　1. 1  系统组成

　　系统结构如图1 （a） 所示，由上位机（ PC） 、网关、路由节点、终端节点和执行机构组成，其中路由器及终端节点均可装备传感器；执行机构为控制滴灌开闭的电磁阀。

　　采用一台计算机作为上位机，主要作用为监测作物各项环境指标并实施相应的灌溉决策；网关为整个网络的协调器，对于全功能设备，路由器和终端通过内部程序进行设置，且在一定距离内均可与网关直接通信；网关与上位机通过RSO232 总线相连，下层节点通过ZigBee 无线网络联系，电磁阀连接至任意节点均可执行控制。

　　基于灌溉时农作物需水量主要由其所处环境的土壤湿度、温度和光照度密切相关，因此本系统采用土壤湿度传感器、空气温度传感器和光照度传感器。根据在田间应用的实际情况，设置路由器节点连接至执行机构即电磁阀，上位机放置于距电磁阀较近的室内，传感器连接至终端节点，在田块面积大、信号传送不稳定的情况下，可将部分连接传感器的终端节点替换为路由节点。

　　1. 2  滴灌系统结构设计

　　参考滴灌相应要求，水源处加置节流阀、过滤器和压力表，选用PVC Ф32 mm 作干管， Ф20 mm 的PE 管作支管，支管前端接电磁阀、压力表，选用PVC Ф32 mm 作干管， Ф20 mm 的PE管作支管，支管前端接电磁阀、调压阀和流量计，电磁阀选用直流24 V ,2 . 3 L/ h 压力补偿滴头，一棵作物加一个滴头嵌入滴灌支管中。支管行距不可过小防止行间水分入渗造成干扰，本系统设定行距为1 m.滴灌管网设计如图1 （ b） 所示。传感器加在灌区内生长良好的植株上，土壤湿度传感器埋于地表下植株根系附近，光照度传感器和温度传感器安放于ZigBee 模块并将模块固定在植株边的标杆。电磁阀连接路由器节点的驱动电路，网关通过RSO232 串口接至上位机。

图1  系统结构

　　1. 3  无线传感器网络硬件设计

　　本系统的ZigBee 芯片选用TI 的CC2430 ,功能强大，只需要很少的外围部件配合就能实现信号的收发功能，片上资源丰富、功能强大，使得无论是处于协调器位置的网络节点，还是处于网络末梢的传感器节点， 其硬件结构都非常简单、可靠、实用。

　　根据需要，系统选用STHO01 型土壤湿度传感器， tc77 数字温度传感器， P9003 光敏电阻，执行部分采用DC24V 电磁阀，驱动电路如图2 .STHO01 土壤湿度传感器测量为±3 % ,量程0~100 % ,输出信号4~20 mA ,工作电压12 VDC ,稳定时间为通电后2 s ,可进行土壤湿度的实时监测，满足系统要求。其输出的电流信号通过高电阻转为0~5 V 电压后再由CC2430 进行AD 转换成为数字信号，通过传输所得不同电压幅值即可确定土壤含水率。信号的接收与发送均由天线实现。

图2  系统硬件图

　　STHO01 土壤湿度传感器需埋入地下，埋设位置和开始滴灌后的启动时间关系到数据准确性及实时性，而一般作物根系深度在10~20 cm，因此在参考相关资料的基础上，做以下实验：取实验地点泥土，烘干后置于一透明实验箱内，上置滴头按照上节同样方法设定滴灌流速，记录不同深度不同时段土壤湿度值，如此3 次取平均值，得到数据如表1 .图3 为滴灌入渗湿润体分布图。

图3  入渗湿润体形状（1/ 2 剖面）

表1  土壤湿度值

　　由表1 知，各深度土壤湿度值差异不大，而实验用作物根系在10 cm 水平，因此即选择在10 cm 处埋设土壤湿度传感器。此外各深度数据均在5 min 及20 min 时出现较大变化，其余时段变化相对较小，考虑5 min 时距滴灌结束尚有较多时间，因此将传感器开启时间设定为滴灌后20 min.

　　1. 4  节点软件设计

　　ZigBee 技术以ZigBee 协议栈为，是基于标准的7 层开放式系统互联模型[6 ] ,协议套件紧凑且简单，相比于常见的无线通信标准，实现要求较低。

　　ZigBee 规范定义了3 种类型的设备，每种都有自己的功能要求：ZigBee 协调器是启动和配置网络的一种设备，负责网络正常工作以及保持同网络其他设备的通信，一个ZigBee 网络只允许有一个ZigBee 协调器； ZigBee 路由器是一种支持关联的设备，能够将消息转发到其他设备； ZigBee 终端设备可以执行它的相关功能，并使用ZigBee 网络到达其他需要与其通信的设备。它的存储器容量要求少。本设计采用的节点均为全功能设备，因此除网关在硬件结构上也有区别外，路由器和终端节点通过植入不同程序，执行不同功能。

　　考虑到系统结构与环境的特殊性，单一的传感器不能保证采集数据的合理性和准确性，本系统采用分布式多传感器体系结构，3 个点数据作信息融合处理，以融合后的数据作为模糊控制器的输入决策判据如图4 所示。当某个节点传输失败时，借助其他正常节点提供的信息，还是能获得更加准确的结果。融合后对温度、湿度和光照度这3 个主要环境参数进行模糊控制，对滴灌做出较的判断。多传感器彼此独立但并不孤立，它们通过信息交换，相互影响，消除彼此之间可能存在的冗余和矛盾，加以互补，从而降低了测量、控制的不确定性。

　　系统运行时，协调器和传感器节点首先上电初始化，启动网络后自动进行组网，传感器节点收到信号采集数据后判断数据是否在系统要求范围，若不在则表明需要进行滴灌，此时驱动电磁阀开启至设定时间，之后再次采集数据判断，直至满足系统要求。节点空闲时处于休眠状态，限度降低功耗。

图4  系统软件设计

　　1. 5  上位机监控软件设计

　　本系统中监控软件起着至关重要的作用，采用C # 语言编写，通过该监控软件来实现对ZigBee 网络的组网监控，信息提取和控制输出等功能。

　　首先，软件界面显示无线网络的拓扑图，确认无误后开始按预定程序接收节点传感器信号，信号可由两种方式显示，分别是数值显示和曲线显示，采集步长可设置为1~60 min ,此外也可手动操作获取当前信息。对同区内作物采得的信息进行处理，同种传感器信号取均值，再对3 种传感器信号综合计算，设定阈值，根据控制方法，在传感器信号到达设定值后，输出对电磁阀的开关信号。获取的传感器信号和输出的控制信号可定时自动保存，并可导出至界面以供观察和对比。

　　2  实验验证

　　监控软件调试完毕后，将本系统移至室外实际运作，实验场地选择南京农业大学工学院农机实验室旁院试验田，选取面积约10 m ×30 m ,土壤为普通黄土，2009 年6 月种植玉米（香糯品种） 6 行，其中2 行为一组，组内行距0. 4 m ,组间行距1 m ,每组均有一行使用本系统滴灌及一组人工浇灌；每行长度约15~16 m ,行内每株间距0. 3 m 左右。

　　选取每组采用滴灌的一颗生长良好玉米，以其融合数据代表整片试验田，设定土壤湿度在任何状况下均不可低于20 %或高于50 %;采样步长设为30 min ,当监测值达到灌溉要求，即滴灌20 min ,若未满20 min 时已达到湿度上限，则提前停止灌溉，若滴灌结束后湿度仍未达要求，则根据测得数据再次滴灌，监控软件每60 min 显示测定结果。

　　3  结果分析

　　图5 所示为2009 年8 月18~20 日试验田内玉米土壤湿度的变化情况，系统数据记录良好无丢失。由于天气炎热，18 日及19 日分别有1 次次达到灌溉阈值下限，值24 % ,值为49 % ,基本在理想范围内。这表明在作物缺水时，系统能及时灌溉，当湿度达到作物要求上则适时停止灌溉，减少了不必要的浪费，即达到节水目的。此外，作物所处土壤湿度基本保持在设定值附近，保证其生长所需的水分，提高产量和质量。

图5  2009 年8 月18~20 日土壤湿度变化

　　4  结 语

　　如今精准农业的研究和应用越来越广泛，节水灌溉也是其中一项关键技术。本系统将ZigBee 无线传感器网络技术运用于滴灌，设计了基于ZigBee 的无线滴灌控制系统。该系统有灵活性强、安全可靠、低功耗的特点，无需人为操作，免除有线接入的繁琐过程和种种隐患，能够长期、稳定的工作，是对有线控制方法的有益补充。通过监控软件可以实时观测田间墒情和控制水阀开启及关闭，实现土壤水分及温度、光照的在线监测和控制，让本来难于了解的情况一目了然，进一步减轻种植人员的负担。可以说ZigBee 技术的引进，提高了自动灌溉的实用性及灌溉用水的使用效率，为我国精准农业工程提供了强有力的工具。

参考文献:

[1]. tc77  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/tc77+_1100985.html.
[2]. CC2430  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/CC2430+_1055132.html.