基于Zigbee技術(shù)的農(nóng)田自動灌溉系統(tǒng)的設(shè)計

◎劉立佳

基于Zigbee技術(shù)的農(nóng)田自動灌溉系統(tǒng)的設(shè)計

◎劉立佳

為解決傳統(tǒng)的灌溉方式費時費力，勞動效率低的現(xiàn)狀，本設(shè)計研究一種根據(jù)土壤實際情況來自動灌溉的智能化系統(tǒng)。自動灌溉方式有效節(jié)省了勞力，大大提高了農(nóng)民的工作效率，從而降低了農(nóng)業(yè)的投資成本。本設(shè)計采用Zigbee技術(shù)，該項技術(shù)憑借其功耗低、通信可靠、數(shù)據(jù)安全等優(yōu)點而在多個領(lǐng)域嶄露頭角。

隨著現(xiàn)代社會的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)發(fā)展必須緊跟步伐。種植農(nóng)業(yè)最基礎(chǔ)的就是農(nóng)田灌溉問題，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的灌溉方式是采用人工灌溉，人眼觀察土壤的含水情況，根據(jù)經(jīng)驗判斷是否需要實時灌溉。這種方式費時費力，使勞動效率大大降低，從而嚴重影響農(nóng)業(yè)的發(fā)展。為解決這一大農(nóng)業(yè)問題，本設(shè)計提出一種基于Zigbee技術(shù)的農(nóng)田自動灌溉系統(tǒng)的設(shè)計方案。

本設(shè)計硬件部分的布線工作主要將測量土壤含水率的傳感器安裝到合適的位置，再利用Zigbee無線傳輸?shù)膬?yōu)點，將采集到的土壤含水率信號無線傳輸?shù)叫畔⒐芾碇行模畔⒐芾碇行母鶕?jù)采集到的信號控制自動灌溉設(shè)備的工作狀況。這種設(shè)計方法節(jié)省了布線的麻煩，降低了投資成本，但可靠的實現(xiàn)了農(nóng)田自動灌溉的目的。

系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件部分的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。本設(shè)計的硬件部分主要包括三大模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、動作執(zhí)行模塊。硬件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計方案，便于整個系統(tǒng)的開發(fā)、調(diào)試、檢測及后期硬件的維護。

數(shù)據(jù)采集模塊。數(shù)據(jù)采集模塊的主要設(shè)計工作為安裝傳感器的位置，即選擇合適的測量位置安裝測量土壤含水率的傳感器。土壤濕度傳感器通過信號轉(zhuǎn)換電路與Zigbee終端節(jié)點連接，終端節(jié)點芯片選用TI公司推出兼容Zigbee 2007協(xié)議SoC芯片CC2530。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)傳輸模塊。系統(tǒng)中傳感器采集到的信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換后傳輸給Zigbee終端節(jié)點，Zigbee終端節(jié)點將數(shù)據(jù)處理后通過無線傳輸方式傳輸給信息匯總中心，即Zigbee協(xié)調(diào)器。

本設(shè)計中建立無線網(wǎng)絡(luò)非常關(guān)鍵，Zigbee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方式主要有星型網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)兩種拓撲結(jié)構(gòu)，不同的拓撲結(jié)構(gòu)使用于不同的領(lǐng)域。星型網(wǎng)絡(luò)中包含一個協(xié)調(diào)器和多個終端節(jié)點，終端節(jié)點可以定時休眠。自動灌溉系統(tǒng)采集土壤濕度信號不需要實時采集，可選擇在規(guī)定的時間點進行信號采集，所有不采集濕度信號的期間，自然不需要數(shù)據(jù)傳輸，因此在這個期間內(nèi)終端節(jié)點均進入休眠模式，以降低功耗，節(jié)約成本。根據(jù)本系統(tǒng)的使用環(huán)境本文選用星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。Zigbee網(wǎng)絡(luò)建立成功后，周期性的采集土壤濕度信號，采集完發(fā)送給協(xié)調(diào)器后自動進入睡眠模式。

動作執(zhí)行模塊。動作執(zhí)行模塊的設(shè)計主要是灌溉設(shè)備選型及安裝。灌溉設(shè)備的啟動、停止以及灌溉速度全部由信息匯總中心（Zigbee協(xié)調(diào)器）發(fā)出控制命令，控制相應(yīng)地繼電器完成灌溉任務(wù)。整個過程不需要人工干預(yù)，完全實現(xiàn)自動化。

系統(tǒng)軟件設(shè)計

農(nóng)田自動灌溉系統(tǒng)的軟件主要包含兩部分：Zigbee終端節(jié)點的應(yīng)用程序及協(xié)調(diào)器的應(yīng)用程序。軟件設(shè)計基于TI公司的Z-Stack協(xié)議棧編寫，Z-Stack協(xié)議棧已為用戶寫好驅(qū)動層部分代碼，開發(fā)人員只需將大部分精力投入在應(yīng)用層開發(fā)即可，省去了開發(fā)底層協(xié)議的繁重工作。

終端節(jié)點軟件部分程序，只需在Z-Stack協(xié)議應(yīng)用層實現(xiàn)將采集到到的土壤濕度信號做簡單處理后向協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)的功能，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)成功后自動進入睡眠模式；協(xié)調(diào)器軟件部分完成接收網(wǎng)絡(luò)中的各個端節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理，根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果控制灌溉設(shè)備的工作。

本文針對農(nóng)田灌溉技術(shù)落后的現(xiàn)狀，提出了一種基于Zigbee技術(shù)的農(nóng)田自動灌溉系統(tǒng)的設(shè)計方案，根據(jù)自動灌溉系統(tǒng)的使用環(huán)境及充分的理論研究，系統(tǒng)完全能夠滿足設(shè)計的要求。經(jīng)過實驗測試，試驗結(jié)果表明系統(tǒng)實現(xiàn)了穩(wěn)定、可靠地檢測土壤濕度情況、并將檢測數(shù)據(jù)可靠地傳輸?shù)搅诵畔R總中心，最終實現(xiàn)根據(jù)土壤的實際濕度情況控制灌溉設(shè)備的工作，實現(xiàn)了自動灌溉。

（作者單位：石家莊域聯(lián)視控控制技術(shù)有限公司）