ZigBee技術在昌吉市棉花智能化滴灌中的應用

范治璇，楊樹楠，彭朝暉

（1.昌吉市濱湖鎮農機管理站 新疆 昌吉市 831102；2.昌吉市濱湖鎮林業站 ）

智能化加壓滴灌是一種高效節能省水增產的微灌技術，它具有很多優點，適合新疆自然氣候條件，具有良好的推廣前景。昌吉市濱湖鎮作為昌吉市北片區2萬hm2高效節水核心示范鎮，2013年共完成節水灌溉面積3 100 hm2，其中重點實施的66.7 hm2棉花智能化滴灌項目采用了ZigBee無線自組網控制技術。該技術方便的實現了灌溉的全自動控制，并且施工難度小，軟硬件支撐好，節省人力物力，取得良好的社會效益和經濟效益。先進的無線控制技術的應用進一步加速了農業節水灌溉智能化進程，起到良好的示范效應。

1 昌吉市濱湖鎮棉花智能化滴灌項目概況

濱湖鎮位于昌吉市以北9公里處，下轄7個村委會，共有11 025人口，總耕地面積5 700 hm2，主要種植作物為棉花。隨著土地整合的順利推進、集約化大農業的不斷發展，棉花種植實現全程機械化自動化，已成為濱湖鎮農業現代化的新亮點。棉花智能化滴灌項目選定在濱湖鎮下泉子村實施，示范區地塊面積66.7 hm2，項目內容主要以棉花智能化滴灌為主并且積極推廣棉花機械化采摘綜合配套技術，每塊條田寬600～650 m，水源為機井供水（蓄水池儲水），種植作物為棉花，株行距66+10 cm，確定滴灌工程的布置形式為:地表水源→首部→地埋干管→地埋支管→滴灌管的形式。考慮滴灌與自動化工程的結合，確定分干管兩邊鋪設支管為長短管形式。

濱湖鎮實施的棉花智能化灌溉項目是通過Zig－Bee無線通訊控制組件實現灌溉自動化控制系統和灌溉信息、多媒體信息傳輸系統的連接，形成了更高層次的農業灌溉物聯網平臺。棉花智能化灌溉系統由主控計算機、控制器和現場數據采集設備等組成，整合了自動氣象站和中央控制器及田間控制器。各類傳感器、控制器通過ZigBee數傳模塊對田間土壤溫濕度、空氣溫濕度等技術參數進行采集，實時監測土壤和氣象參數，輸入計算機，通過灌溉管理計算機軟件自動分析，按最優方案產生控制命令，控制各個閥門的開啟及水泵的運行狀態，科學有效地控制灌水時間、灌水量、灌水均勻度，實現灌溉的智能化。

圖1 智能滴灌無線傳輸控制信息運行示意

2 ZigBee無線控制技術在棉花智能化滴灌項目中的應用情況

2.1 ZigBee技術介紹

ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術，它是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術提案。主要用于近距離無線連接。ZigBee依據802.15.4標準，可在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個網絡節點傳到另一個節點，所以通信效率非常高。

ZigBee作為一種低速率的短距離無線通信技術，適合應用于傳感和控制領域。ZigBee數傳模塊類似于移動網絡基站，通訊距離從標準的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。在IEEE802.15.4規范下，工作頻率為2.4 GHZ和868/915 MHZ，作為一種高可靠的無線數傳網絡，類似于CDMA和GSM網絡。

2.2 項目采用的ZigBee性能參數及無線控制模塊的類型

濱湖鎮建設實施的棉花智能化滴灌項目區面積為66.7 hm2，田間灌溉自動化控制設備均采用高性能的工業級ZigBee應用設計方案，提供SMT與DIP接口，可直接連接TTL接口設備，實現數據透明傳輸功能；電源輸入DC 2.0～3.6 V，具備WDT看門狗設計，保證系統穩定可靠；提供UART串口，低功耗設計，支持多級休眠和喚醒模式，最大限度降低功耗，最低功耗小于1 uA；提供5路I/O，可實現數字量輸入輸出、脈沖輸出；其中有3路I/O還可實現模擬量采集、脈沖計數等功能。

棉花智能化滴灌系統中使用F8913D ZigBee模塊并采用2.4 HZ無線自組網自動控制技術。各控制接收設備中使用的F8913D ZigBee模塊已經包含了所有外圍電路和完整協議棧能夠立即投入使用的產品，模塊經過了廠家的優化設計和老化測試，有很好的質量保證。F8913D zigBee應用模塊通訊距離在100～2 500 m之間，在硬件上設計緊湊，體積小，采用貼片式焊盤設計，可以內置Chip或外置SMA天線，還包含了ADC、DAC比較器，多個IO、I2C等接口與相應器材對接。

2.3 ZigBee無線傳輸控制模塊的優點

棉花智能化滴灌系統中使用ZigBee無線傳輸控制模塊有以下優點：

（1）低功耗。在低耗電待機模式下，4節5號干電池可支持1個節點工作12個月以上。這是Zig－Bee的突出優勢。相比較同等能耗下，藍牙可工作數周、WiFi只能工作數小時。

（2）低成本。通過大幅簡化協議（不到藍牙的1/10），降低了對通信控制器的要求，ZigBee免協議專利費，每塊芯片的價格大約為13元。

（3）低速率。ZigBee工作在20～250 kbps的速率，分別提供 250 kbps(2.4GHz)、40 kbps(915 MHz)和20 kbps(868 MHz)的原始數據吞吐率，滿足低速率傳輸數據的應用需求。

（4）近距離。相鄰節點間的傳輸距離范圍一般介于10～100m之間，在增加發射功率后，亦可增加到1～3 km。如果通過路由和節點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠。

（5）短時延。ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15ms，節點連接進入網絡只需30ms，進一步節省了電能。相比較，藍牙需要3～10 s、WiFi需要 3 s。

（6）高容量。ZigBee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構，由一個主節點管理若干子節點，一個主節點最多可管理254個子節點；同時主節點還可由上一層網絡節點管理，最多可組成65 000個節點的大網。

2.4 基于ZigBee的棉花智能化滴灌系統的工作方式

基于ZigBee無線技術的智能化滴灌系統包含“田間自動控制+遠程網絡監管系統”兩級工作方式。

第一，滴灌自動化系統應用ZigBee模塊通訊技術和2.4 G無線自主組網技術。系統采用的F8913D ZigBee模塊是一種物聯網無線數據終端，利用ZigBee自組網功能提供無線數據傳輸，無任何通信費，能源采用2節普通1.5 V干電池，可使用6個月以上，實現了節能降耗；田間自動控制可根據授權獨立運行，也可實現遠程監管。

第二,遠程信息監管系統采用“GPRS/3G+Internet”技術。將土壤墑情測報系統、農田氣象環境檢測系統、作物長勢視頻監測系統、泵前壓力流量能效監管系統與田間灌溉自動化控制系統進行有機集成的統一平臺，形成灌溉專家決策系統，可進行遠程訪問。田間布設的ZigBee無線設備采集或監測氣候信息、土壤信息、田間信息和作物生長信息，并將監測數據傳到控制中心，在相應系統軟件分析決策下，對終端發出相應灌溉管理指令。

圖2 智能化灌溉系統中央控制室

2.5 基于ZigBee的棉花智能化滴灌系統的運行

各類傳感器及監測設備將土壤、作物、氣象狀況等數據通過ZigBee無線控制模塊傳輸到墑情信息采集站，再傳到計算機中央控制系統，中央控制系統中的各類軟件將匯集的數值進行分析，比如將含水量與灌溉飽和點和補償點比較后確定是否應該灌溉或停止灌水，然后將開啟或關閉閥門的信號通過中央控制系統傳輸到閥門控制系統，再由閥門控制系統實施某個輪灌區的閥門開啟或關閉，以此來實現滴灌的智能化。

圖3 基于ZigBee技術的氣象監測站

圖4 由ZigBee無線模塊遠程控制的田間監測灌溉設備

3 應用效果分析

3.1 ZigBee無線控制滴灌技術優勢

（1）農田信息及作物長勢遠程監測與灌溉自動化無線控制功能，解決了“兩高一低”即高頻率、高強度、低流量的難題，為作物增產提供科技支撐，為項目區作物提供一個良好的地、水、肥、氣、熱條件，促使其高產、穩產。

（2）應用軟件包含了完整的ZigBee協議棧，并有自己的PC上的配置工具，采用串口和其他設備進行通訊，并可對模塊進行發射功率，信道等網絡拓撲參數的配置，使用起來簡單快捷。

（3）電磁閥開/關狀態可實時反饋顯示，具有防透水、防爆管功能。

（4）可進行輪灌組編制及自動執行，控制不同灌溉設備的開閉，具有墑情測報功能。

（5）具備灌溉時間及灌溉水量自動統計分析、系統故障自動診斷、電壓自動報警功能。

3.2 ZigBee技術應用產生的效益分析

由于ZigBee模塊技術高靈敏度的傳感和有效的遠程傳輸控制，監測敏感性大幅提高，水量控制到位，產生了良好的經濟效益、社會效益、環保效益。

（1）精確供水大幅提高了水的有效利用率。在智能滴灌條件下，灌溉水濕潤部分土壤表面，可有效減少土壤水分的無效蒸發。同時，由于滴灌僅濕潤作物根部附近土壤，其他區域土壤水分含量較低，因此，可防止雜草的生長。滴灌系統不產生地面徑流，且易掌握精確的施水深度，節水效果達50%~90%，水的有效利用率可高達95%~97%。

（2）智能化供水創造了良好的水肥環境，節藥增效。通過傳感器ZigBee模塊反饋土壤養分、溫濕度信息給計算機，分析并自動灌水后，作物根系土壤水分適宜，通透條件良好。注入水中的肥料，還可以提供足夠的養分，使土壤水分處于能滿足作物要求的穩定和較低吸力狀態，節肥達20%~40%。灌水區域地面蒸發量也小，這樣可以有效控制土壤的濕度，使棉田中作物的病蟲害的發生頻率大大降低，也降低了農藥的施用量，節省農藥10%以上。

（3）作物產量和農產品品質有所提高，經濟效益突出。由于智能化滴灌少量、均勻、持續的高頻自動灌溉技術促進了作物穩健、持續生長和高產，產量提高8%以上。及時適量的供水、供肥在提高農作物產量的同時，提高和改善農產品的品質，使農產品商品率大大提高，經濟效益高。

（4）智能化控制提高了勞動生產率，降低了勞動強度。棉花智能化滴灌項目區人均管理定額由傳統滴灌的3.33 hm2提高到智能化滴灌的20 hm2，管理費則由1 800元/hm2降到300元/hm2。

（5）具有良好的生態效益。采用智能化滴灌技術在同等種植條件下減少機械施肥、打藥、除草工序，提高化肥農藥利用率，減少對環境的污染。由于灌溉定額大幅降低，可減少對地下水的補給，防止土壤再鹽堿化，有利于土壤生態環境的改善。

4 ZigBee無線控制技術應用于智能化滴灌系統的意義

ZigBee技術應用于智能化滴灌系統是將無線通信及信息技術與農業生產技術相結合的一種創新理念，是精準農業實施的基礎。安裝ZigBee芯片的無線控制設備無需埋設線纜連接監測控制器件，系統造價低，配備的各種感應器監測精度高，提高了灌水均勻度，不影響機械作業。灌溉過程不需人工手動操作，通過無線傳感和自動控制功能即可實施土壤、氣象（溫濕度）、作物監測及灌水、施肥等農田作業，減輕人員的勞動強度。