基于Zig Bee網絡的溫室節水灌溉系統設計*

陳曉燕，龐 濤

（四川農業大學信息與工程技術學院，四川雅安 625014）

0 引言

隨著世界性水資源的日趨緊張，推廣節水灌溉已成為世界各國為緩解水資源危機和實現農業現代化的必然選擇。研究溫室中作物節水灌溉理論與技術，有效控制實施溫室作物的灌溉量，對指導溫室作物按需灌溉，進一步提高灌溉用水的利用效率，改善溫室作物的生長環境和提高作物品質與產量具有很重要的意義。

在國外，溫室大棚具有規模大、自動化程度高，對溫室大棚內光、水、氣、肥等均實現了智能化控制，并可根據作物對環境的要求不同，通過計算機對溫室內部環境進行自動監控，實現全天候、周期性的高效生產［1］。而國內溫室大棚灌溉自動化程度落后，因此，加速開發適合我國國情的自動節水灌溉控制系統是今后節水灌溉設備發展的主要方向［2］。隨著無線信息傳輸技術的發展，Zig Bee無線網絡以其近距離、低成本、低速率、低功耗、短時延、高可靠性等特點，在農業生產中得到高度關注［3～7］。本文設計的溫室大棚節水灌溉系統，利用Zig Bee網絡實現溫室內各個節點的無線連接、數據采集和實時顯示，并根據作物的需水狀況進行實時自動灌溉，提高了水資源的利用效率。

1 系統總體結構

按照Zig Bee網絡的特點，本系統主要包括4個部分:傳感器節點、控制節點、協調器節點和監控計算機，系統總體結構如圖1所示。

圖1 節水灌溉系統總體結構Fig 1 Overall structure of water-saving irrigation system

傳感器節點對本地土壤含水量進行采集并傳送給協調器節點。控制節點根據監控計算機給出的灌溉策略實現對閥門控制器的操作。為了簡化結構，沒有專門設置路由節點，當測控面積大且信號不穩定的時候，節點之間可協助進行多跳轉發。協調器節點負責檢測、組建傳感器網絡，并容許其他節點加入網絡，同時把收集的數據轉發到監控計算機，并發布監控計算機的監控任務。監控計算機根據采集的數據做出灌溉策略，并傳遞給控制節點，實現精確灌溉。協調器節點與監控計算機之間通過RS—232串口連接，也可以通過GPRS網絡和Internet對接，實現遠距離無線通信。

2 系統硬件設計

2．1 傳感器節點設計

傳感器節點主要由處理器模塊、無線射頻收發模塊、傳感器模塊、電源管理模塊組成。處理器模塊和無線射頻模塊選用TI公司的CC2430芯片。該芯片是首款符合Zig Bee標準的的2．4GHz系統單芯片，內部結合了一個高性能的射頻收發器和8051微控制器。只需要很少的外圍部件配合就能實現信號的收發功能，片上資源豐富，CC2430的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合無線傳感器網絡的應用［8］，CC2430的應用電路原理圖如圖2所示。

傳感器模塊采用TDR—3土壤水分傳感器，具有精度高、穩定性好、結構簡單、能耗低等特點。輸出電壓為0～2．5 V，不用外加信號調理電路。由于CC2430芯片內具有AD器件，所以傳感器輸出可直接與控制器連接。

電源模塊采用3 V鈕扣電池，為了保證電池長時間工作，在設計中必須確保傳感器節點低功耗。根據CC2430芯片具有休眠模式的特性，僅當需要收發數據時再喚醒傳感器節點，其他時間則進入休眠模式，從而讓節點功耗降到最低。

圖2 CC2430應用電路圖Fig 2 Application circuit diagram of chip CC2430

信號的接收與發送都是通過天線完成，為了保證數據存儲的安全性，在傳感器節點上增加了存儲器，對短期采集的土壤含水量進行保存。傳感器節點的硬件結構圖見圖3所示。

圖3 傳感器節點硬件結構Fig 3 Hardware structure of sensor node

2．2 控制節點設計

控制節點和協調器節點設計基本與傳感器節點相同，區別在于控制節點沒有傳感器模塊，增加了電磁閥和流量傳感器。電磁閥的開關與打開的時間決定灌溉量。控制器的端口通過繼電器來間接控制電磁閥的開關。灌溉用水的總量通過流量傳感器計算。當水經過流量傳感器的時候，數據線就不斷產生脈沖，根據脈沖數得到用水量。控制節點的硬件結構圖見圖4所示。協調器節點負責將傳感器網絡與外部網絡進行連接，既要將監控計算機的任務向下發送，又要將收集的數據上傳。在接口上增加了與監控計算機相連的RS—232接口。

圖4 控制節點硬件結構Fig 4 Hardware structure of control node

3 系統軟件設計

系統軟件主要包括3個部分:底層節點數據的采集和傳送模塊、協調器節點數據接收和發送模塊、監控終端管理模塊，這幾部分的關系如圖5所示。

圖5 軟件總體結構Fig 5 Overall structure of software

3．1 底層節點軟件設計

底層節點包括傳感器節點和控制節點。傳感器節點軟件的任務包括定時間間隔上傳自己的當前網絡狀態，并定時采集土壤濕度信息，發送給協調器節點，同時還兼有路由功能，轉發其他傳感器節點的數據。在不采集數據的期間，節點處于休眠狀態，以節省能耗。其流程圖見圖6所示。

圖6 傳感器節點流程圖Fig 6 Flow chart of sensor node

數據傳送中，對于多個傳感器節點通過編號進行區分。土壤水分傳感器的電壓值由2個byte構成，以滿足數據的測量范圍。為了保證數據傳輸的準確性，每幀數據加上包頭、包尾和校驗字符。數據幀格式如表1所示。

表1 數據幀格式Tab 1 Data frame format

控制節點軟件的任務包括定時間間隔上傳自己的當前網絡狀態，接收監控計算機通過網關節點傳來的命令，并采取相應的灌溉措施，打開或關閉電磁閥。通過流量傳感器將灌溉用水量反饋給協調器。

3．2 協調器節點軟件設計

協調器節點軟件的任務是組建與維護網絡，接收網絡中所有節點（無線傳感器節點，閥門控制節點）發出的網絡狀態信息包，為有入網請求的節點分配地址，并接收分析數據后上傳至監控計算機。另外，通過串口接收監控計算機發出的命令并做相應處理。流程圖見圖7。

圖7 協調器節點流程圖Fig 7 Flow chart of coordinator node

3．3 監控終端軟件設計

監控終端軟件系統采用LabVIEW進行開發。人機接口采用圖標創建，很容易建立友好的人機交互界面。監控軟件主要包含:數據顯示模塊、串口通信模塊和數據庫訪問模塊。本系統可以實時監測溫室大棚多節點的土壤濕度信息，以動態實時曲線圖的形式顯示監測點的變化信息，并能夠根據采集到的信息做出灌溉策略。利用NI公司的免費工具包LabSQL進行數據庫訪問，可實現將采集到的數據存放到Access數據庫中并對數據進行管理，包括數據查詢、打印、分析和統計。另外，通過LabVIEW中的Matlab Script節點調用Matlab的模糊控制工具箱，可以進一步開發溫室節水模糊控制系統。采用LabVIEW中提供的DataSocket的數據傳輸方式，實現用戶的Interent網絡遠程訪問。DataSocket包含兩部分:DataSocketServer和DataSocket API。DataSocket API提供統一的編程接口。LabVIEW中的DataSocket函數庫包含Write和Read等一些函數，Write函數用來在網上發布數據，而Read函數可從網上下載數據。

4 實驗與結果分析

實驗地點為四川農業大學農場溫室大棚，面積約50 m2。溫室內設置了10個節點，其中，6個傳感器節點，3個控制節點，1個協調器節點。其中，傳感器節點1，3，5周圍帶有3個控制節點（采取受自動灌溉系統控制），傳感器節點2，4，6不帶控制節點（即只采集土壤含水量，不進行自動灌溉調節），測試時間為早上9:00～下午17:00，期間每60 min采集一次土壤濕度，設定土壤濕度范圍在60%～80%RH之間。測得的數據如表2、表3。

由表2可以看出:在自動灌溉區域，當土壤濕度超出設定區間時，3個控制節點均能夠根據監控計算機的灌溉指令驅動電磁閥進行灌溉，土壤濕度基本能保持在設定范圍。由表3可知，在非自動灌溉區域，土壤濕度不能很好地保持在設定范圍間。

表2 自動灌溉節點土壤濕度數據表Tab 2 Soil moisture data of automatic irrigation node

表3 非自動灌溉節點土壤濕度數據表Tab 3 Soil moisture data of nonautomatic irrigation node

5 結論

1）該系統以溫室的土壤濕度作為控制對象，完成了無線傳感器節點、閥門控制節點和協調器節點的軟硬件開發。

2）該系統實現了監測信號的實時采集、數據顯示、控制信號的輸出，達到了節水灌溉的目的，并具有無需布線、低功耗、低成本、可靠性好、安裝維護方便等特點。

3）結合數據庫技術，將LabVIEW與Microsoft Access數據庫相連，實現了對數據的存儲、查詢、圖形顯示等功能。

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