基于ZigBee和GPRS的遠程果園智能灌溉系統的設計與實現

張觀山，束懷瑞，高東升，侯加林，3*

(1.農業大學機械與電子工程學院，山東泰安 271018;2.國家蘋果工程技術研究中心，山東泰安 271018 3.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東泰安 271018)

1 系統整體結構設計

系統分四個子系統:ZigBee無線傳感器網絡、GPRS遠程數據傳輸、Internet數據服務器、客戶端，其結構示意圖如圖1所示。

ZigBee無線傳感器網絡由多個ZigBee無線節點匯集而成，無線節點定時通過土壤水分傳感器采集土壤中水分含量，與設定的閥值進行比較得出相應的控制指令，開啟或關閉電磁閥實現自動澆灌。同時單片機把采集的數據通過CC2430實現ZigBee無線網絡傳送到GPRS數據終端。

GPRS遠程數據傳輸系統由內置工業級GPRS無線模塊并帶有標準RS232/485數據接口的GPRS DTU組成。GPRS無線模塊負責把數據打包上傳給服務器，在服務器端運行的mServer控制臺應用程序負責把GPRS數據進行解析并把數據影射到服務器的虛擬串口。服務器運行的應用程序獲取到虛擬串口的數據，儲存到SQL數據庫中。

Internet服務器網絡架構在Widows Server 2003操作系統上，Internet數據服務器動態網頁由VS2003和Microsoft.Net3.0編寫，并有SQL Server2000數據庫支持，進程之間的通信運用了Stock套接字，實現客戶端與服務器的數據交互。用戶可以方便的通過IE瀏覽GPRS傳輸的遠程數據，并且也能通過瀏覽器發送控制命令到服務器，實現對果園土壤水分含量的遠程監控與管理。

圖1 系統結構Fig.1 The System structure

圖2 無線傳感器子節點設計硬件結構Fig.2 Sub－structure of wireless sensor node hardwar

2 無線傳感器網絡設計

2.1 ZigBee技術及特點

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低成本的雙向無線通信技術，工作在國際授權的2.4G、歐洲868MHz和美國915MHz三個免費頻段［3］。ZigBee以一個個獨立的工作節點為依托，通過無線通信組成星狀、串狀或網狀網絡，因此每個節點的功能并非都相同。系統采用內置ZigBee協議的CC2430 Zig-Bee模塊，實現自動組網和信息的無線路由，通過SPI總線與CC2430進行數據交換［4］。

2.2 無線傳感器子節點設計

每個ZigBee無線節點由單片機、土壤水分傳感器、零壓啟動電磁閥、CC2430組成，結構如圖2。

單片機采用美國ATMEL公司生產的ATmega128產品作為主控芯片。ATmega128是基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器，具有快速、靈活、集成度高，加密性強和易實現等諸多優點。它是連接傳感器與無線網絡的紐帶，它定時采集土壤水分數據并與設定閥值進行比較，判斷出該地的干旱情況，通過控制零壓啟動電磁閥實現相應的灌溉控制。同時它通過SIP總線向CC2430發送采集數據。

土壤水分傳感器選用北京智海電子儀器廠生產的SWR－3型，具有測量精度高、響應速度快、互換性好、價格低廉等特點。其工作電壓為10～30 V，響應時間小于1秒，在0～50%(m3/m3)范圍內的精度為±2%(m3/m3)［6］，輸出信號電壓0～2.5 V，通過單片機AD口讀出當前土壤水分含量。灌溉系統通過零壓啟動電磁閥實現，當電磁閥接通時啟動水泵實現滴灌。

2.3 無線傳感器節點信息采集流程

無線傳感器節點信息采集流程如圖3所示，系統上電后先進行ZigBee模塊和系統的初始化，讀出當前系統的運行模式、采集時間和上下限，啟動定時器。采集當前土壤中水分信息，與設定值進行比較結合現在系統所處的工作模式執行相應的操作命令。同時這些數據通過SPI總線傳送到CC2430模塊，該模塊經過ZigBee無線網絡層層路由到GPRS數據終端。

圖3 無線傳感器節點采集信息流程圖 Fig.3 The flow chart of wireless sensor nodes Collectioned of information

圖4 GPRS數據通信組成結構Fig.4 GPRS data communication composition

2.4 GPRS 數據終端

GPRS數據終端包括:CC2430模塊和GPRS DTU。GPRS DTU模塊采用北科驛唐公司生產的609G高性能GPRS DTU。MD－609G基于ARM平臺、嵌入式操作系統，內置工業級GPRS無線模塊;提供標準RS232/485數據接口;支持多點到多中心應用。它具有高穩定性，能夠實現無線數據實時傳輸，內嵌TCP/IP協議，具有高傳輸速率、永遠在線的特點［5］。

CC2430模塊接收無線傳感器節點發送的數據信息，通過串口與GPRS DTU進行數據交互。當GPRS DTU接收到數據信息后，按照GPRS數據格式進行信息打包，上傳到Internet數據服務器，實現數據的遠程傳輸。同時接收來自數據服務器的控制指令，由CC2430模塊發送給各個無線傳感器節點。圖4為GPRS數據通信組成結構。

3 服務器GPRS數據接收與Internet動態網頁開發

3.1 無線數據傳輸與服務器軟件設計

服務器軟件分兩部分:mSever控制臺和數據存儲后臺。mSever控制臺即無線通信服務軟件，是無線數據終端與用戶控制端進行連接的樞紐，也是它們之間相互通信的橋梁。無線數據終端通過GPRS網絡和互連網連接到mSever控制臺。

數據后臺程序首先完成系統的初始化然后開始監聽虛擬串口中的數據和檢測SQL儲存的命令數據。當接收完一個完整的數據包，程序首先進行數據校驗，校驗通過將其存入SQL數據庫中，如果數據有異常就回復數據重發命令。命令數據通過SQL數據庫進行傳遞，數據后臺程序定時檢測SQL狀態數據的變化，如有新的數據就把數據進行詮釋，傳遞給mSever控制臺并發送給GPRS數據終端，如圖5所示。

3.2 Internet動態網頁開發

Internet動態網頁開發包括:WEB數據管理和Internet網絡應用兩個部分。WEB數據管理是基于SQL Server2000設計實現的，SQL Server2000對數據的管理提供了完美的接口，使得開發周期大大縮短。并且對系統的穩定性有良好的保障。動態網頁的數據瀏覽通過ZedGraph控件實現，可以根據任意數據集創建2D曲線、bar、和pie圖。ZedGraph具有高度的靈活性，可以定制圖形的每個方面。通過它來實現每一塊果園中的土壤水分數據曲線的繪制。

圖5 服務器GPRS數據接收流程圖Fig.5 Servers Receive GPRS data flow chart

表1 2010年04月25日上傳的土壤水分數據(m3/m3)Table 1 Thesoil moisture data in April 25，2010(m3/m3)

5 實驗分析

首先在實驗室對軟硬件進行測試，達到設計要求后，安裝到實際果園中進行綜合測試。目前本系統安裝在山東省肥城市邊院鎮的蘋果園內，總體性能達到了預期的設計目標。根據設計要求，每個節點安裝了四個土壤水分傳感器，分別埋在地表下10 cm、20 cm、40 cm和60 cm處［7］。用戶通過網絡瀏覽器，就能實現數據的瀏覽和分析。管理者可將數據下載到本地機器中，對數據進行分析，通過發現問題、總結經驗，幫助用戶建立科學的管理模式，建立數字化的灌溉理念，對指導果樹灌溉具有重要意義，表1是2010年04月25日上傳的一段數據。

6 結論和分析

本文設計了基于ZigBee和GPRS網絡、WEB數據管理的遠程監控系統，系統使用了GPRS無線方案，大幅度提高了系統的移動性、便攜性、組網靈活性，在農業應用領域有很好的發展前景。系統完成了以下幾個功能。(1)無人遠程監控;(2)數據定時離散采集;(3)全年長期對果園土壤含水量監控;(4)實現對果園土壤含水量的自動分析與處理。(5)實現了大面積果園灌溉遠程控制的自動化。

［1］于海斌，曾 鵬，梁韋華.智能無線傳感器網絡系統［J］.北京:科學出版社，2006

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［3］王慶華，屈玉貴，趙保華，等.無線傳感器開發系統的設計及實現［J］.計算機技術，2009，34(6):37－40

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［5］顧 群，陸春華.計算機遠程監控系統在水產養殖中的應用［J］.儀表技術與傳感器，2004(10):38－40

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［7］孫 凱，王一鳴，楊紹輝.墑情監測取樣方法的研究［J］.農業工程學報，2004，20(4):74－78