基于Zigbee的校園草坪智能灌溉系統的設計

賴其濤

摘要 通過對傳統草坪養護方式的分析，提出了采用光伏供電、遠程可控的草坪養護方式，并且在設計中采用了分布式單元設計，解決了各種校園復雜地形的布局問題。在設計中充分考慮環境和工程因素，使設計簡單、可靠，易于施工等。同時對單元單體進行了測試和驗證，結果表明該工藝簡單，數據可靠，生產效率高。

關鍵詞 草坪；灌溉；智能

中圖分類號 S274.2；TP23 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2017）13-0218-02

Design of Intelligent Irrigation System for Campus Lawn Based on Zigbee

LAI Qi-tao

（College of Information Engineering， Shaoxing Vocational&Technical College， Shaoxing， Zhejiang 312000）

Abstract Through the analysis of the traditional turf maintenance mode， the photovoltaic power supply， lawn maintenance methods of remote control， and distributed unit design were adopted in the design to solve a variety of complex terrain of the campus layout problem. By full consideration of environmental and engineering factors， the design was simple， reliable and easy to construct. The unit cell was tested and verified. The results showed that the process was simple， reliable and efficient.

Key words Lawn；Irrigation；Intelligence

隨著經濟的發展，人們對生活品質的追求越來越高，學校管理者對校園環境的建設也越來越重視，各級政府每年也會對各級院校進行綠色校園等方面的考評，環保、節能、綠化是主要的考核內容。現在人們一進校園往往看到的是一大片綠油油的草坪，校園內其他的地方也基本上都鋪上了草坪，很少見到裸露的泥土，雖然環境相比20世紀90年代可以用“翻天覆地”來形容，但是為此所付出的代價也是巨大的[1]。特別是近幾年勞動力市場發生了較大的變化，人工成本大幅上升。既要美化生活，又要降低成本和節約能源，這

種理念不斷地推動著人們往人工智能的道路上前行，如何節

約能源、減少勞動力、降低成本變得非常有意義。筆者對校園智能灌溉系統的設計與實施做了較為詳細的闡述，設計了整個管路系統和通信控制系統，為了讓系統更加環保、綠色，還為系統設計了太陽能光伏系統，真正達到了綠色、環保、智能。

1 系統的結構設計

校園草坪一般分布范圍寬、形狀各異，為了安裝和維護比較簡單，采用了單元分布式結構設計，一個單元自成系統，然后通過積木式搭建構成系統，智能灌溉網結構示意如圖1所示。

圖1中共由4個智能灌溉單元構成，1個光伏發電單元，1個市政進水管網系統。每個單元擁有10個噴水接口，設計工作水壓0.04 MPa（國家自來水標準水壓0.06 MPa），噴射有效半徑為3 m（不留死角），這樣一個噴頭有效覆蓋面積為S=πr2=28.26 m2。

按此計算一個單元覆蓋的面積為282.60 m2，所以在實際工程中根據有效的草坪面積可以簡單計算出所需要的單元數量，使工程預決算變得簡單方便[2]。每個單元都放置了1個Zigbee通信控制系統，可以和網關直接通信，也可以作為路由器來進行數據包的轉發，控制系統可以接受上位機下達的指令進行操作，也可以根據土壤傳感器、水管壓力傳感器等采集回來的數據進行閉環自動控制，上位機也可以根據當地氣象數據，預判天氣情況，進行策略控制，節省能源和水資源，降低成本。為了讓系統安全、環保，整個系統全都采用光伏直流24 V供電，真正杜絕了用電安全事故，圖2為單元設計示意圖。

整個系統由控制器、無線通信模塊、電磁水閥、進水壓力傳感器、出水壓力傳感器、手動球閥、噴頭及管道組成。無線通信模塊和控制器集成在一起，用目前使用比較廣泛、由TI公司生產的CC2530芯片為主芯片設計而成，電磁水閥用24 V直流電磁閥，為了能夠獲得足夠的反饋信息，精確地控制系統，所以在水閥的進水和出水部位都安裝了水壓傳感器，但是這會增加整個工程的成本。

2 電氣控制系統設計

為了能讓整個系統具有智能化，特為校園草坪智能灌溉系統設計了具有Zigbee通信的電氣控制系統，控制結構框圖如圖3所示。

整個電控系統由光伏發電系統、控制器、土壤濕度傳感器、出水壓力檢測模塊、進水壓力檢測模塊、電磁水閥控制模塊、網關等模塊組成[3]。

光伏發電系統為整個控制單元提供可靠、安全的供電系統，由于整個控制系統采用工業24 V供電，所以為系統配置了最大電壓為30 V的光伏電池板，通過MPPT控制器給系統提供高效穩定的24 V直流電源。因為灌溉系統只在晴天的時候給系統澆水，晴天的時候太陽很好，陰天的時候沒必要進行灌溉，所以系統沒有備用蓄電池，整個系統中最耗電的就是電磁水閥，功率約為15 W，其他系統加起來也不超過10 W，為了留有足夠的余量，光伏發電系統最大發電功率為70 W。

水壓傳感器，為了更加精準地檢測出水和進水的情況在電磁閥的進水和出水都安裝了水壓傳感器來感知電磁閥開關的狀態和水管中水壓的情況，水壓傳感器選用24 V，4～20 mA電流型傳感器。

電磁閥是用來控制管道水開關的器件，由于澆水的時間不是很多，所以選用常閉電磁閥，電磁閥也選用24 V全銅直流電磁閥。

土壤濕度傳感器，由于要根據實際地形情況進行布設，為了使布設比較簡單，使用具有Zigbee通信的無線土壤濕度傳感器，采用電池供電，由于系統采用低功耗設計，電池可以保證2年以上的使用壽命[4]。

控制器負責整個灌溉系統的控制和數據轉發，核心控制的CPU采用目前市場的最常用的stm32 cortex-m3的核，該系列價格便宜、性能穩定、開發資料齊全[5]。

3 控制流程

圖4為控制系統開閥門控制流程圖，系統啟動首先載入自動策略控制模式，然后通過無線Zigbee通信系統檢測土壤濕度傳感器數據，帖數據決定系統是否進行澆灌。在開啟澆灌之前，先檢測水壓是否正常，如果不正常的話通過網關發

出告警通知維護人員進行維護，如果正常的話打開閥門，之后檢測出水壓力，如果異常的話也向網關發出告警信號通知維護人員進行維護[6]。澆灌系統打開之后，不斷地檢測土壤濕度是否達到關閉閾值，如果達到則關閉水閥。

4 結論

該設計在控制系統中增加了Zigbee通信方式解決了當前生產中維護費時、費力的工作方式，在一定程度上提高了生產效率。并且在設計中重視供電電源的安全、可靠，采用了光伏分布式供電方式，在用電上保證了安全，并且也解決了電路布線問題，真正做到了綠色環保，應用前景較好。

參考文獻

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[3] 于嵩，敖長林，袁成明.智能灌溉系統的可靠性仿真研究[J].農機化研究，2012，34（2）：63-65

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[6] 金宏智，嚴海軍，錢一超.國外節水灌溉工程技術發展分析[J].農業機械學報，2010，41（S1）：59-63.