基于無線傳感網絡的枸杞園智能灌溉系統設計

賈艷玲，朱瑜紅，劉思遠

摘要：為了實現枸杞園用水效率的提高，提出了一種基于無線傳感網絡的枸杞園智能灌溉系統設計方案。首先對傳感器節點的硬件進行設計，討論了各個模塊的元器件選擇，其次給出了匯聚節點及傳感器節點的軟件設計流程，對自動灌溉實現過程進行了分析，最終實現了由傳感器節點、匯聚節點、電控閥門及上位機等組成的智能節水灌溉系統。系統性能穩定、可靠，對枸杞園實施大范圍節水灌溉具有一定的參考價值。

關鍵詞：無線傳感網絡;枸杞園;智能灌溉

中圖分類號：TP29;S126 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2014）23-5861-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.23.061

枸杞是寧夏回族自治區“紅、黃、藍、白、黑”五寶之首，而中寧縣則是寧夏枸杞的原產地。2002年“中寧枸杞”獲得原產地證明商標，2009年被批準為“中國馳名商標”，2011年獲得“消費者最喜愛的100個中國農產品區域公用品牌”稱號[1]，該地區也成為寧夏的枸杞種植基地之一。由于種植時間較長，中寧縣大部分老基地存在以下兩個主要問題：一是基地由眾多面積較小的單個枸杞園組成，實施模塊化統一管理較困難，造成人力資源的極大浪費;二是枸杞園的灌溉方式較落后，仍舊以明渠、人工漫灌為主，不僅妨礙了枸杞樹的生長，影響了枸杞的產量，且嚴重浪費了水資源。土壤水分是枸杞樹吸收水分的主要來源，不論是土壤濕度過低造成枸杞樹根系吸水困難，還是濕度過高造成枸杞樹根系腐爛，都會嚴重影響枸杞的品質及產量。為此，建立可實時對枸杞園環境及土壤水分信息進行采集與分析，判斷枸杞樹是否缺水，并可自動進行合理灌溉的枸杞園智能灌溉系統，不僅可有效節約水資源及人力資源，且對枸杞基地的發展具有良好的借鑒意義。

傳統的基于有線方式的灌溉控制系統在枸杞園智能灌溉系統中應用存在明顯不足，一方面單個枸杞園面積小且分布較分散，不利于電纜的鋪設;另一方面枸杞園內土壤酸堿性較高，易導致通信電纜老化，造成系統可靠性降低。ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術，具有自組織、高數據速率、低復雜度等特點，滿足無線傳感網絡的組網要求[2-6]，可有效避免基于有線方式系統的不足，較適合基地枸杞園智能灌溉系統的設計。為此，基于無線傳感網絡，提出了一種利用ZigBee技術的枸杞園智能灌溉系統設計方案，首先對環境參數采集節點的硬件進行設計，包括硬件結構圖及各個模塊的元器件選擇，其次對節點（傳感器節點和匯聚節點）的軟件進行設計，然后對根據環境參數如何實現自動灌溉進行了詳細討論，最終實現了由傳感器節點、匯聚節點、電控閥門及上位機等組成的智能灌溉系統。

1 ?系統總體結構

枸杞園智能灌溉系統總體結構如圖1所示，主要由傳感器節點（群）、匯聚節點、上位機和灌溉渠道等組成。

傳感器節點合理布置在枸杞園內，完成枸杞園環境參數及土壤水分參數的實時采集，所有傳感器節點均通過自組網方式構成網絡，以ZigBee方式將采集到的參數信息傳送到匯聚節點;匯聚節點通過RS232串口與上位機相連，將收集到的參數信息保存到上位機數據庫中，實現數據的統一管理;用戶通過對存儲數據的計算和分析，采用預設的控制算法控制電控閥門的開啟或關閉，實現精細灌溉;系統中的灌溉網絡是在原有灌溉明渠基礎上加裝電控閥門改造而得到的，可極大地減少投入成本。

2 ?系統硬件設計

電控閥門的開啟或閉合主要由傳感器節點采集到的枸杞園環境參數及土壤水分參數控制，即傳感器節點采集信息的準確與否對整個灌溉系統的性能有極大影響，所以傳感器節點的設計至關重要。

2.1 ?傳感器節點硬件設計

利用ZigBee技術的無線傳感網絡由布置在枸杞園的數量眾多的傳感器節點組成。傳感器節點可以分為與應用相關和與應用不相關兩部分，前一部分包括微處理器模塊、射頻模塊及電源模塊等，后一部分主要包括傳感器模塊（在采集不同參數時，傳感器模塊會有所不同）。傳感器節點硬件框架如圖2所示。匯聚節點與傳感器節點相比，不具有參數采集功能，所以不包括傳感器模塊。

2.2 ?傳感器節點各模塊元器件選擇

傳感器節點是構成枸杞園智能灌溉系統的基本組成單元[7]，實現枸杞園環境及土壤水分參數的實時采集、參數信息數據預處理及發送等功能。由于枸杞園環境參數信息采集量大，所以需要布設的傳感器數目較多，且枸杞園無線傳輸環境較復雜，這就要求傳感器節點不僅要成本低，并且應具有體積小、功耗低、適應性強等特點。根據枸杞園智能節水灌溉系統的需要，傳感器節點各模塊選擇元器件如下。

1）微處理器模塊。以ATmega128單片機為核心，該單片機是ATMEL公司的8位系列單片機中最高配置的一款，基于AVR內核，采用先進的RISC結構，具有片內128 K程序存儲器，與SPI總線兼容的編程接口，8個10位ADC通道和雙可編程串行USART接口，除正常操作模式外，還具有6種不同等級的低能耗操作模式[8]。該款單片機不僅硬件結構簡單、體積小，還可用軟件設計控制采用何種節能模式，極易實現節點的節能降耗要求。

2）射頻模塊。選用TI公司的CC2430。該芯片延用了CC2420芯片的架構，在單個芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內存和微控制器，使用1個8 位MCU（8051），具有128 kB可編程閃存和8 kB的RAM，包含模擬數字轉換器（ADC）、定時器（Timer）、協同處理器、看門狗定時器（Watchdog timer）、休眠模式定時器以及21個可編程I/O引腳[9，10]等，僅需很少的外圍部件配合就能實現信號的收發功能，可有效降低系統的功耗[11]。endprint

3）傳感器模塊。傳感器主要采集土壤水分及空氣溫濕度參數，綜合系統設計和傳感器節點低功耗的要求，土壤水分測量傳感器選用美國Decagon公司研制的ECH2O型土壤水分傳感器EC-5。EC-5的外層物質受鹽堿度影響較小，便于掩埋在土壤的不同深度，并且具有0.002 m3/m3的高分辨率，可以長時間測量[12]。空氣溫濕度測量傳感器選用EHT數字型空氣溫濕度傳感器，其溫度測量范圍-40～60 ℃，精度為±1.0 ℃，濕度測量范圍0%～100% RH，精度≤3%[13]。

4）電源模塊。采用太陽能電池與備用電池組合，每個節點通過太陽能電池（或備用電池）供電，不必頻繁更換，有效地降低了系統功耗。

3 ?系統軟件設計

系統軟件設計主要指匯聚節點和傳感器節點的軟件設計。匯聚節點主要負責建立無線網絡，對其進行維護，網絡建成后允許傳感器節點加入，并給加入網絡的傳感器節點分配網絡地址，接收傳感器節點傳送的數據，處理后發送給上位機。設計的匯聚節點軟件流程圖如圖3。

大量的傳感器節點組成無線傳感器網絡，每個傳感器節點具有網絡內惟一的網絡地址[14]，傳感器節點可以讀取/發送各個傳感器所采集的環境參數信息數據。設計的傳感器節點軟件流程圖如圖4。

4 ?自動灌溉控制流程

系統每個傳感節點通過土壤水分測量傳感器自動采集土壤水分濕度信息，結合預設的濕度上、下限警戒值，判斷是否需要灌溉及采用何種方式灌溉。系統中濕度上限警戒值為土壤飽和含水量[15]，下限警戒值為枸杞樹枯萎含水量。當采集的土壤水分濕度值位于上、下限警戒值之間，采用自動灌溉方式開啟電控閥門灌溉，當達到預先設定的流量時關閉閥門，停止灌溉;當采集的土壤濕度值低于下限警戒值，系統報警，用戶可以以手動方式開啟閥門進行灌溉。具體流程如圖5。

5 ?小結

為了對枸杞園實施精細灌溉，有效節約水資源，提出了一種基于無線傳感網絡的枸杞園智能灌溉系統設計方案，選擇低能耗、低成本、適應性強的器件實現了傳感器節點的硬件設計，給出了匯聚節點及傳感器節點的軟件設計流程，對自動灌溉方式進行了詳細討論。經過在實驗農場枸杞園實地檢測，系統性能穩定、可靠，滿足設計要求。

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