基于物聯網架構的溫室節水自動灌溉系統研究

張素　劉宇

【摘 要】我國是一個水資源非常貧乏的國家，人均水資源量僅為世界平均水平的四分之一，同時中國又是一個農業大國，長期的粗放型農業生產方式大大的浪費了寶貴的水資源。本文旨在設計一套基于zigBee無線傳感器網絡技術，能對作物生長的土壤濕度進行自動監控的系統，它能對作物進行適時、適量的灌溉，起到高效灌溉，節水、節能的作用。

【關鍵詞】zigBee；自動監控；節水灌溉

【Abstract】China is a country poor in water resources， per capita water resources is only a quarter of the world average， while our country is an agricultural country， long-term extensive farming great waste precious water resources. The purpose of this paper is to design a set of based on zigBee wireless sensor network technology， to automatically crop growth of soil moisture monitoring system， it can timely， right amount of crop irrigation， and a high efficient irrigation， water saving， energy saving effect.

【Key words】zigBee； Automatic monitoring； Water-saving irrigation

0 引言

我國是個水資源非常缺乏的國家，傳統的溫室節水控制系統存著以下缺點：

1）單獨依靠灌溉流程的最后環節來解決，沒有將水資源的開發、輸送、分配等因素全盤綜合考慮，真正的做到按需精確的給水。

2）在實際的農業生產應用時，需要密布傳感器節點，才能實現對監測區域的有效覆蓋，這將導致農業設施內部線纜縱橫交錯，系統安裝及維護成本急劇增加。

本研究擬將物聯網架構的無線傳感器技術應用于節水灌溉系統中。以ZigBee無線網絡技術為依托構建物聯網架構的溫室節水灌溉系統。內容包括：利用ZigBee無線網絡技術的低功耗、低成本、免許可無線通信頻段等特點，將其引入到溫室灌溉系統中，避免了大量信號線的敷設；

另外，因為溫室是采光建筑，透光性較好，本項目將太陽能供電技術應用到溫室土壤溫、濕度檢測之中，利用太陽能供給環境檢測所需電力，在不利于電力線路敷設的區域也可以實現電力供給，并且節能、環保。

國外灌溉監控系統在運行、管理方面的自動化程度較高，并且系統也相對比較完善。在農業機械化和自動化程度較高的美國、日本、荷蘭、西班牙和以色列等國家中，很多灌溉控制的技術值得我們在農業灌溉現代化過程中借鑒。

1 系統設計原則

結合灌溉系統自身的特點和當前國內外各種精準灌溉的優劣，本系統的設計遵循以下原則：

1）能時時刻刻的監測灌溉區域的土壤含水量，這是我們做精準灌溉的基礎。如果做不到實時監測，空談精準就毫無根據可言。

2）能夠準確的讀取灌溉區域土壤含水量，這是精準灌溉的精髓所在，如果連含水量的監測都無法保證精確，就無從說起控制。

3）方便而實用。用戶不需要過于復雜的操作，而需要經過專業技術人員的培訓之后便能熟練的操作。

4）節能，低碳。系統不需要復雜的交流電連接，這樣既不破壞植被的美觀又能節約能源。

5）低成本。國外很多先進的精準灌溉系統雖然己經做的很好了，但是高昂的價格根本不是我國農民能承受得起的。因此只有價格低廉有利于推廣。

2 系統總體設計方案

3 溫室無線環境檢測系統的方案設計

整個檢測系統由zigbee無線傳感器網絡和上位機檢測平臺兩部分組成。zigbee無線傳感器網絡由傳感器節點、路由節點和協調器節點組成，分布在溫室的各個區域。無線傳感器節點分為傳感器節點和路由節點 協調器節點。系統運行時，傳感器節點周期性地完成數據采集并通過 Zig-Bee 網絡匯總到協調器，協調器將采集的數據通過多跳的方式匯聚到遠程監控中心的基地管理監測平臺。基地管理監測平臺收到所有節點周期性匯聚的數據后，采用 SQLite 數據庫對采集的數據進行存儲、查詢等管理，并可以通過 GPRS 或 Internet 網絡將監測數據發送到遠程監控中心的服務器上，使得用戶可以隨時通過 Internet 登錄到服務器網站查閱或分析處理數據，為多個區域的環境信息集中管理和和綜合應用提供支持。此外，還可以對寫入數據庫的數據進行判斷，當超過管理人員設置的閾值時，通過啟動聲光報警器、GSM 短信等多種方式預警，并根據設計的算法將不同的控制命令發送到控制節點，由控制節點驅動相應的執行機構，完成相應的策略。檢測系統的整體結構圖如圖1所示。

4 無線傳感器網絡節點的硬件設計

無線傳感器網絡節點有三種：傳感器節點、路由節點和協調器節點。這三種節點在硬件設計上有部分內容是重疊的。節點主要由數據處理模塊和無線通信模塊組成。本設計選用了CC2430芯片，從而簡化了電路的設計。傳感器節點采集與環境有關的數據，因此除完成數據收發外，還需要數據采集模塊。另外，所有節點均采用太陽能供電，網絡中節點的結構如圖2所示。

5 太陽能供電模塊

為了更好地解決傳感器節點的能量供給問題，提出了基于太陽能的能量供給系統，主要由太陽能電池組件、能量管理控制器、蓄電池（組）三部分組成。太陽能電池組件保證使用壽命長，設計在20年以上；蓄電池容量能滿足設備負載7天連續陰雨天供電。為了降低能耗，采用類似于智能手機的供電方式，即采用鋰電池的供電的設計方案。太陽能控制器控制整個系統的工作狀態，并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。供電模塊結構圖如圖3所示。

6 系統軟件設計

系統軟件的設計要實現預想的功能，除此之外應該考慮復雜度和功耗等一些優化措施。本系統的軟件設計包含這幾個部分：協調器節點（coordinator）軟件設計，控制功能節點（router）軟件設計，客戶端軟件設計。這幾部分的關系如圖4所示：

7 結論

針對溫室環境濕度大、基礎設施少、作物眾多且動態變化等特點，本文設計了基于 ZigBee 的溫室自動灌溉系統。設備基于太陽能供電，實現現場實時監測、遠程監控報警、灌溉閾值設置靈活以及休眠等功能，并為用戶提供直觀的系統管理平臺來完成節點管理和數據處理功能。設備使用證明，其具有良好的穩定性，并能滿足不同作物不同時期灌溉的需要。同時，具有系統誤差低、響應速度快、部署靈活、成本低廉、維護簡單等特點。該設備的研制和使用為建立大型遠程智能灌溉系統提供經驗和技術支持。

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[責任編輯：侯天宇]