基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)田滴灌自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盛 會(huì)，郭 輝

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院，烏魯木齊 830052)

我國(guó)西北地區(qū)由于水資源短缺，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在很大程度上依賴于滴灌技術(shù)。滴灌技術(shù)作為目前世界上最先進(jìn)的節(jié)水灌溉技術(shù)之一，屬于全管道輸水和局部微量滴灌，使水分的滲漏和損失減少到最低[1]。

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)滴灌技術(shù)一直沒(méi)有田間信息的實(shí)時(shí)采集與分析，導(dǎo)致灌溉對(duì)人工經(jīng)驗(yàn)的依賴程度過(guò)高，嚴(yán)重影響了滴灌效益的發(fā)揮。而基于計(jì)算機(jī)的滴灌測(cè)控系統(tǒng)，又由于繁瑣的布線和較高成本，難以在生產(chǎn)實(shí)際中推廣。近年來(lái)，隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的較快發(fā)展，ZigBee以其低功耗、低成本、自動(dòng)配置組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用[2]。逐步提出了基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能節(jié)水滴灌控制系統(tǒng)。通過(guò)ZigBee和GPRS技術(shù)在智能灌溉系統(tǒng)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)灌溉的遠(yuǎn)程控制與監(jiān)控[3]。同時(shí)隨著模糊控制、調(diào)虧理論以及相關(guān)軟件在智能灌溉中的應(yīng)用，使灌溉更加智能合理[4,5]。Ning Wang等[6]將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在精細(xì)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用主要概括為以下4個(gè)方面：空間數(shù)據(jù)采集、精準(zhǔn)灌溉、變量作業(yè)、提供數(shù)據(jù)給農(nóng)民。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體可分為室內(nèi)控制中心和傳感器節(jié)點(diǎn)兩部分。傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的溫度、濕度、光照等田間信息通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)绞覂?nèi)控制中心，控制中心根據(jù)作物水分運(yùn)移理論和農(nóng)田水分調(diào)度原理進(jìn)行智能分析，判斷農(nóng)作物是否缺水，然后通過(guò)指令做出相應(yīng)決策。灌溉過(guò)程中，系統(tǒng)還將實(shí)時(shí)對(duì)輸水管路中的水壓和水流進(jìn)行檢測(cè)。以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，準(zhǔn)確、科學(xué)地確定作物最佳灌水時(shí)間的灌水量，達(dá)到自動(dòng)灌溉的要求。根據(jù)新疆多數(shù)滴灌系統(tǒng)中每個(gè)出水樁分左右兩個(gè)出水口的實(shí)際情況，每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)置兩組傳感器分別采集田間信息。為省去繁瑣的布線問(wèn)題，系統(tǒng)采用太陽(yáng)能電池板進(jìn)行供電。其系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖

1.1 檢測(cè)因素的確定

(1)溫度和濕度。土壤溫度與土壤濕度作為影響作物生長(zhǎng)和灌溉的最主要因素，首先被確定為系統(tǒng)檢測(cè)因素。

(2)光照強(qiáng)度。光照對(duì)作物的蒸騰作用具有一定影響。如果夏季光照強(qiáng)烈時(shí)灌溉，將導(dǎo)致作物出現(xiàn)“生理干旱”，對(duì)作物生長(zhǎng)造成較大影響。因此將光照強(qiáng)度作為一個(gè)重要檢測(cè)因素。

(3)灌溉水壓。受到泵站供水、地形起伏和局部水頭損失等因素的影響，灌溉水壓會(huì)發(fā)生一定變化。而水壓又會(huì)對(duì)滴管帶壽命、滴灌穩(wěn)定性和自動(dòng)施肥器工作造成影響，因此將水壓作為系統(tǒng)灌溉過(guò)程中的一個(gè)重要監(jiān)控因素。

(4)滴灌帶水流。水流大小檢測(cè)主要用于對(duì)滴灌帶堵塞情況的監(jiān)控。

1.2 硬件的選取

1.2.1 主控芯片的選取

ZigBee芯片選用TI公司推出的新一代CC2530標(biāo)準(zhǔn)芯片。CC2530 集成了一個(gè)高性能2.4 GHz直接序列擴(kuò)頻射頻收發(fā)器和一顆8位MCU(8051)控制器，以及21個(gè)可編程I/O引腳，2 個(gè)支持多種串行通信協(xié)議的USART。以該芯片為核心器件的PCB天線模塊，功耗低、抗干擾能力強(qiáng)，相近節(jié)點(diǎn)間通信距離為10～100 m，在加大模塊發(fā)射功率后，通信距離可增至1～3 km[7]。該芯片滿足農(nóng)田節(jié)點(diǎn)間通信需求。

1.2.2 傳感器的選取

(1)溫濕度傳感器。選用瑞士Sensirion 公司生產(chǎn)具有I2C 總線接口的數(shù)字式傳感器SHT20。它是基于4C 代CMOSens?芯片的新型智能低功耗傳感器，可直接將檢測(cè)結(jié)果轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)輸出，簡(jiǎn)化了外圍硬件的設(shè)計(jì)[8]。供電電壓為DC 2.1～3.6 V。

(2)光照傳感器。選用集成了光電二極管和ADC(即模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器)的環(huán)境光傳感器MAX44009。其具有I2C數(shù)字接口，測(cè)量范圍0.045～188 000 lux，供電電壓為DC 1.7～3.6 V。

(3)壓力變送器。選用RS485輸出信號(hào)的通用型壓力變送器CYYZ11-H。其符合標(biāo)準(zhǔn) Modbus-RTU協(xié)議，分辨率為0.05%，測(cè)試范圍為0～0.6 MPa，供電電壓為DC 9～36 V。

(4)水流量傳感器。選用YF-S201流量傳感器。允許耐壓水壓1.75 MPa，工作電壓DC 5～18 V。

1.2.3 執(zhí)行元件的選取

執(zhí)行部分采用DC12V4分常閉電磁閥。硬件報(bào)警器采用普通DC5V聲光報(bào)警器。

2 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

為節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本，控制節(jié)點(diǎn)采用開(kāi)發(fā)板模塊，電路設(shè)計(jì)主要針對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)。為解決傳感器節(jié)點(diǎn)繁瑣的布線問(wèn)題，采用12V太陽(yáng)能電池板對(duì)其供電。傳感器節(jié)點(diǎn)的電路組成主要包括：電源模塊、傳感器檢測(cè)電路、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路、PCB模塊和輔助電路等。

(1)電源模塊。由于傳感器和執(zhí)行元件的電壓要求不同，因此需要設(shè)計(jì)12 V-5 V-3.3 V直流穩(wěn)壓電路。主要使用正電壓穩(wěn)壓芯片LM7805和低壓降線性穩(wěn)壓器芯片AMS1117-3.3 V來(lái)完成電壓轉(zhuǎn)換。

(2)傳感器檢測(cè)電路。其主要的RS485轉(zhuǎn)換電路采用SP485EEN-L/TR芯片對(duì)壓力變送器的RS485輸出信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。其電路圖如圖2所示。

圖2 RS485轉(zhuǎn)換電路

(3)電磁閥驅(qū)動(dòng)電路。采用光耦EL817C芯片，使CC2530芯片和電磁閥的驅(qū)動(dòng)部分在電氣上完全隔離, 避免了強(qiáng)電干擾或損壞芯片。其電路圖如圖3所示。

圖3 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路

傳感器節(jié)點(diǎn)電路還包含按鍵、發(fā)光二極管和接口組成的輔助電路。其整體電路圖如圖4所示。

圖4 傳感器節(jié)點(diǎn)電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)議中物理設(shè)備分全功能設(shè)備(FFD)和精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD)兩種[9]。FFD擁有完整的協(xié)議功能，支持任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和通信方式；RFD通常只用于星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中作為終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)，相互之間只能通過(guò)FFD通信。

控制節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)器使用全功能設(shè)備，在網(wǎng)絡(luò)中有且只有一個(gè)，主要負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)、發(fā)送網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、對(duì)消息進(jìn)行路由選擇等功能[10]。實(shí)現(xiàn)向主控制器返回田間信息及向傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令。

傳感器節(jié)點(diǎn)作為路由器也使用全功能器件，具體數(shù)量可根據(jù)灌溉面積和網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性能決定。作為多跳路由，輔助其他節(jié)點(diǎn)完成通信，在進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，也接受協(xié)調(diào)器的命令控制系統(tǒng)的執(zhí)行端。

為滿足實(shí)際運(yùn)行要求，系統(tǒng)采用自動(dòng)控制和手動(dòng)控制相結(jié)合的方式進(jìn)行管控，同時(shí)加入軟硬件輔助報(bào)警功能。為解決農(nóng)田大面積種植以及地塊分散等原因?qū)W(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性能的影響，系統(tǒng)采用具有動(dòng)態(tài)組網(wǎng)和自動(dòng)路由功能的網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3.1 ZigBee模塊編程

ZigBee作為一種短距離、低功耗、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，其模塊的軟件開(kāi)發(fā)是基于IAR Embedded Workbench (簡(jiǎn)稱EW) 平臺(tái)在ZigBee 2007 協(xié)議棧的基礎(chǔ)上進(jìn)行的[11]。協(xié)議?；跇?biāo)準(zhǔn)的7層開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)模型[12]。每一層為其上層提供特定的服務(wù)。系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

3.2 上位機(jī)編程

上位機(jī)在本系統(tǒng)中具有較為重要的作用，采用VS2015/MFC進(jìn)行編寫。上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)兩方面的功能：一方面對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)傳回的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和記錄；另一方面將各組傳感器數(shù)據(jù)與設(shè)定值進(jìn)行比較分析，判斷田間信息和灌溉系統(tǒng)是否正常，然后做出相應(yīng)決策。

系統(tǒng)采用自動(dòng)控制和手動(dòng)控制相結(jié)合的管控方式，可同時(shí)對(duì)溫度、濕度、光照和灌溉水壓4個(gè)因素進(jìn)行設(shè)定，并采用了界面窗口顯示和硬件相結(jié)合的報(bào)警方式。系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過(guò)Access2016數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行記錄，以滿足后期數(shù)據(jù)分析的需求。上位機(jī)主界面如圖6所示。

圖6 上位機(jī)主界面

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)實(shí)際測(cè)試，上位機(jī)可正常顯示和記錄各傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。手動(dòng)模式下，可以通過(guò)按鈕手動(dòng)控制閥門開(kāi)關(guān)；自動(dòng)模式下，在滿足溫度、濕度和光照的設(shè)定參數(shù)時(shí)，閥門自動(dòng)開(kāi)啟關(guān)閉，否則閥門將處于常閉狀態(tài)。并對(duì)光照強(qiáng)度過(guò)高、閥門打開(kāi)后管道壓力過(guò)低或無(wú)水流等情況做了報(bào)警處理。

本文所設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)田滴灌自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)田間信息的顯示和記錄，可以按照設(shè)定的系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行灌溉，滿足了對(duì)特殊情況的軟硬件報(bào)警需求。符合設(shè)施農(nóng)業(yè)智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的趨勢(shì), 具有一定的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景[13]。較好地解決了，傳統(tǒng)滴灌系統(tǒng)中因無(wú)田間信息采集，對(duì)人工經(jīng)驗(yàn)的過(guò)度依賴問(wèn)題。同時(shí)ZigBee的無(wú)線技術(shù)也解決了有線通信方式帶來(lái)的繁瑣布線、難以維護(hù)和 不便擴(kuò)展等突出問(wèn)題。該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,抗干擾性強(qiáng),在通信速度和通信距離上均能滿足實(shí)際需求,且能較大降低安裝和維護(hù)成本。

[1] 王曉峰，李菲. 設(shè)施滴灌的優(yōu)點(diǎn)及存在問(wèn)題[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，2012，(7):83.

[2] 楊 婷，汪小旵. 基于CC2430的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2010，(6):1 332-1 334,1 338.

[3] 陳 輝. 基于ZigBee與GPRS的溫室番茄遠(yuǎn)程智能灌溉系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 杭州：浙江大學(xué)，2013.

[4] 張伶鳦，王潤(rùn)濤，張長(zhǎng)利，等. 基于調(diào)虧理論和模糊控制的寒地水稻智能灌溉策略[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2016，(13):52-58.

[5] 孫 靜. 基于模糊控制的智能灌溉系統(tǒng)的研究[D]. 濟(jì)南：山東大學(xué)，2014.

[6] Ning Wang，Naiqian Zhang，Maohua Wang. Wireless sensors in agriculture and food industry-Recent development and future perspective[J]. Computers and Electronics in Agriculture，2006，50(1):1-14.

[7] 龐 娜，程德福. 基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版)，2010，(1):55-60.

[8] 滕志軍，李國(guó)強(qiáng)，王中寶，等. 基于ZigBee的溫室大棚遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2012，(4):148-151.

[9] 馮平鴿，馮 琳，魏振春. ZigBee技術(shù)在家庭網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用的一種網(wǎng)絡(luò)模型[J]. 河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2005，(6):43-46,3.

[10] 耿 萌. ZigBee路由協(xié)議研究[D]. 鄭州：解放軍信息工程大學(xué)，2006.

[11] 柴淑娟，趙建平. 基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J]. 通信技術(shù)，2010，(8):30-31,34.

[12] 宋麗偉. 基于CC2530的智能家居內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)ZigBee協(xié)議棧的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2013.

[13] 方旭杰，周益明，程文亮，等. 基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線智能灌溉系統(tǒng)的研制[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2009，(1):114-118.