基于ZigBee物聯網技術的智能農業灌溉系統設計

羅嘉龍 劉衛星 陳正銘 林佳煜

摘要：傳統農業灌溉技術如畦灌、溝灌、淹灌和漫灌所需水資源多，水資源短缺與需水量逐年增加之間矛盾日益加劇，為解決傳統農業灌溉技術存在的問題，通過對物聯網與智能農業的近期狀況研究與分析，提出了基于ZigBee物聯網技術的智能農業灌溉系統設計方案，該方案采用溫度、濕度、光照等專業傳感器采集數據，基于ZigBee無線通信方式進行設備連接，ARM處理器實現數據處理和智能控制。經實驗驗證，該方案可實現無線數據采集與智能灌溉功能。

關鍵字：物聯網；智能農業；無線數據采集；節水灌溉；CC2430；ZigBee

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）30-0186-04

Abstract： Traditional agricultural irrigation technologies such as border irrigation， furrow irrigation， flooding irrigation and flooding irrigation need more water resources， and the contradiction between water shortage and water demand is increasing year by year. In order to solve the problems of traditional agricultural irrigation technology， this paper puts forward the technology based on ZigBee Internet of Things through the research and analysis of the recent situation of Internet of Things and intelligent agriculture. The design scheme of intelligent agricultural irrigation system is based on ZigBee wireless communication， and the ARM processor realizes data processing and intelligent control. Experimental results show that the scheme can achieve wireless data acquisition and intelligent irrigation function.

Key words： Internet of Things； intelligent agriculture； wireless data collection； water-saving irrigation； CC2430；ZigBee

物聯網（Internet of Things，IOT）在2000年左右已被提及，國際電信聯盟于2005年正式提出其定義：通過射頻識別（RFID）、全球定位系統、紅外感應器以及激光掃描器等一系列通信設備，根據約定協議，完成數據交流和信息識別，實現智能化監管、定位、跟蹤等功能的一種物與物之間相互連接網絡。智能農業（Smart Agriculture） 又稱智慧農業、工廠化農業，是在傳統農業現有條件下結合當下新型物聯網技術，集科研、生產、加工以及銷售于一體，在相對可控的環境條件下實現集約高效可持續發展的現代化生產模式。以廣東省韶關市為例，當前農業發展正在走向職業化、集約化、智能化，大量的名特新優當地農產品種植、加工及銷售均需大量的高素質職業農民，但隨著老年化的來臨與城鎮化的加劇，農業企業必須走向只需少量人員即可自動化種植生產的道路才能實現可持續化發展。為提升農產品灌溉效率，本文對當前市場主流物聯網技術做了詳細分析，設計了一個基于ZigBee技術的智能農業灌溉系統，并對系統做了實驗驗證。[1]

1 國內外智能農業灌溉系統應用概述

目前，荷蘭、英國、德國、日本等發達國家的智能農業已形成設施制造、環境調節、生產資材一體化的產業體系，現代化溫室是國外智能農業灌溉系統應用的主要表現形式。國外灌溉控制器已趨于成熟階段，智能農業灌溉系統更是被用于不同地域、不同環境以達到節水灌溉等成效。如美國政府在城市推廣智能灌溉系統，每年節省8.52億噸水量。以色列根據國內需求，利用智能農業澆灌，實現荒漠上發展灌溉農業，緩解水資源不足問題。法國設立農作物區域范圍監控網絡，并已可通過衛星通信技術對災害性氣象進行預控，對危害疾病蟲害實現監管。雨鳥、摩托羅拉等幾家商業科技公司共同開發并研制出智能化中央計算機灌溉控制系統，目前，全美平均每個州已安裝該系統達30套左右。其中著名項目包括有微軟總部、英特爾總部、摩托羅拉總部、迪士尼世界及迪士尼樂園、世界之最的拉斯維加斯米高梅（MGM）大飯店以及斯坦福高校等。

而我國于2015年7月4日，國務院印發《關于積極推進“互聯網+”行動的指導意見》，為智能農業灌溉發展方向奠基。目前，相對國外在這發面發展，我國處于起步階段。國外灌溉控制器性能優越，但價格昂貴，在開發研制的過程中并沒有考慮中國特殊的地形、土壤資源、基層經濟狀況等因素，因此，國內農業灌溉發展多數集中在農業示范區、高校、科研單位。如江蘇省的智能農業物聯網平臺，以及北京航空航天大學體育場引進國外智能化中央計算器灌溉系統。[2]

2 物聯網技術簡介

2.1射頻識別（RFID）技術

射頻識別，又稱無線射頻識別（RFID，Radio Frequency Identification）技術，是自動識別技術在無線電技術上具體發展的一種通訊技術。其技術原理為當射頻標簽進入磁場，接收射頻信號，以感應電流形式發送儲存信息，然后通過頻率，由閱讀器獲取信息并解碼后，送至中央信息管理系統進行數據處理。技術組成包括：

1） 應答器：由天線、耦合元件以及芯片組成，又稱射頻標簽，原理是將幾塊主要模塊集成在一塊芯片中，完成通訊。芯片內含EEPROM用于儲存識別碼或數據?？捎糜诠ぷ魅藛T身份識別卡或者貨物識別卡。區別于傳統的條碼、磁卡、IC卡識別技術，射頻電子標簽具備非接觸、適應惡劣環境、效應距離遠等優勢。

2） 閱讀器：由天線、耦合原件和芯片組成，讀取或者被寫入標簽信息的設備，在一定區域范圍內發射電磁波（區域大小取決于天線尺寸和工作頻率），與應答器內L C串聯諧振電路發生頻率共振，從而讀取信息。

3） 應用軟件系統：主要為應用層軟件，是RFID技術的信息處理中心，將收集到的數據進一步處理優化，方便人們使用。[3]

2.2 WiFi技術

2008年，中國走進3G時代，WLAN（無線網絡）技術成為主流，而作為WLAN的重要的一員，WIFI技術憑借自身優勢逐漸得到廣泛的認知與認可。WIFI（Wireless Fidelity）又稱IEEE802.11協議，高速傳輸是WIFI技術優勢特點，在具備54Mbit/s傳輸速度基礎上有較長的有效距離，可兼容已有的IEEE802.11DSSS設備。其中IEEE802.11b最高技術達11Mbps，IEEE802.11a與IEEE802.11g最高速度可達54Mbps，現多用IEEE802.11b和IEEE802.11g設備在2.4～2.4835GHz頻段的免許可頻段，頻段資源不受限制，成本低廉成為WIFI技術又一大優勢。WIFI無線網絡由AP（Access Point）和無線網卡組成，組成方式簡單，具有根據信號強弱自動調整帶寬功能，可保證網絡的穩定性與可靠性。但WIFI技術存在以下局限性：

1） 覆蓋范圍有限，開放性區域通訊距離可達305米，封閉性區域則在76～122米范圍內。

2） 移動性不佳，靜止或步行情況下才可保證通訊質量，高速移動下會出現通訊中斷情況。

3） 無線信號易受建筑物墻體阻礙，傳播易受同頻段信號干擾。

4） 安防措施技術有待提高。[4]

2.3 Zigbee技術

2000年12月，IEEE設立IEEE802.15.4工作組，力求命名一種提供小型設備 、低配置成本設備的無線連接技術—ZigBee技術。ZigBee是基于IEEE802.15.4設立標準相對耐耗能性強的局域網協議，擁有位移短、耐耗能性強、自我管理等特點，致力于較小型裝置系統，使用期限可達6個月甚至兩年。[5]ZigBee協議自下而上可分為會聚層（APL）、網絡管理層（NWK）、邏輯鏈路控制層（TL）、媒質接入控制層（MAC）、物理層（PHY）等，基層原理基于IEEE 802.15.4，相對應的物理層和媒質接入控制層要求根據IEEE 802.15.4標準運行并直接使用。[6]

2002年，英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司、荷蘭飛利浦半導體等公司聯合組成Zigbee聯盟，迄今已吸引上百家芯片公司、產品開發商及無線設備公司，引領著Zigbee技術高速發展。

Zigbee是一種低成本、商業型應用技術，其無線裝置解決了近距離安裝問題，消除了傳統無線技術不可靠性和穩定性等技術問題，隨著技術的不斷完善，它將在數據化無線技術領域愈加重要。

2.4 傳感器技術

傳感器，是對能夠感應（或響應）與檢出對象某一準確信息，并按照一定規律形式轉換成對應可輸出信號的元器件或裝置的總稱。由三部分組成：敏感元件、轉換原件、測量電路。不同場所對傳感器需求不同，但均需滿足基本要求：高抗干擾性、高精度、高敏銳性、無滯性、壽命時間長等。主要作用可分為兩種：完成信號傳遞和實現非電量到電量轉換效果。[7]

3 基于ZigBee技術的智能農業灌溉系統設計

3.1 系統功能概述

基于ZigBee技術的智能農業灌溉系統通過利用多種傳感器分別對不同的影響因素進行信號的采集，并對數據做初步處理后，通過ZigBee無線通信技術將數據傳輸到數據中心計算機中，由計算機對數據進行分析和管理，根據農業專家給出的灌溉指導，反饋到灌溉控制系統，進而實現精準灌溉。

3.1.1 溫室環境實時監控

用戶可通過電腦或者手機遠程查找溫室的實時環境數據，例如空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、氧氣濃度、二氧化碳濃度等。

3.1.2 智能報警系統

系統可針對不同溫室環境參數靈活設置上下閥值。一旦出現異常現象，系統將根據配置，通過手機短信、系統信息等形式提醒管理員。報警提醒內容將根據不同客戶需求設置不同提醒內容。管理員可根據報警記錄查看關聯設備，快速遠程控制溫室設備，更加及時、高效處理溫室環境問題。

3.1.3 遠程自動化控制

系統提供手機客戶端，通過遠程自動化控制技術，客戶可以通過手機遠程控制溫室設備。系統可制定自定義規則，實現溫室設備自動化管理，例如當土壤溫濕度過低時，溫室灌溉系統自動澆水。

3.1.4 歷史數據分析

系統可通過不同條件組合分析對比及查詢歷史環境數據。系統支持列表和圖標兩種形式查詢，用戶能夠更直觀觀看到歷史數據曲線圖。系統提供與農業生產數據建立統一的數據模型，通過數據統計、數據挖掘等技術更好的分析數據，得出更適合農作物生長、有效提高農作物產量的輔助決策。

3.2 實驗系統的總體結構設計

智能農業灌溉控制系統以ZigBee技術為基礎綜合Internet通信技術、GPRS無線通信建立而成的一套完整的智能農業控制系統。目的在于將各設備鏈接在網絡之中，使傳統農業設備具備自、動化、網絡化、智能化等新特征。系統包含多個農業設備之上安裝與之對應的節點模塊，包括了傳感器、通信模塊和執行器。從功能層次可將系統分為農業設備節點、主節點、網關、終端控制。

3.3 主體硬件或設備選型

目前市場上基于ZigBee技術的硬件平臺有Chipcon公司的CC2420、CC2430，FreeScale公司的MCl3192，MCl3193和Jennie和HelicoIll等公司開發的符合ZigBee規范的芯片和模塊。基于系統集成度、成本以及性能等各方面進行綜合考慮，選擇了由Chipcon（目前已被TI公司收購）推出的CC2430作為本系統硬件選擇。

CC2430芯片主要特性如下：

·具備高配置和相對其他器核更好耐耗能性的51微控制器核；

·擁有比較寬廣的電流壓強作用域（2.0"--3.6 v）

·具備集合成了14位模數信號優質轉換的ADC；

·擁有集合成AES安全協處理器；

·具備集合成并符合IEEE 802.15.4基本標準的2.4 GHz無線電收發機；

·擁有良好的遠程無線通訊靈敏度和較為強大的抵抗外界干擾信號的能力；

·具備數字轉化的RSSFLQl支持和較強的DMA功能；

·擁有外界可突暫停或RTC的可喚醒系統；

·具備可兼容RollS的7x7ram QLP48封裝設備；

·擁有較為強大且靈敏性高的研發設備。[8]

CC2430 芯片采用0.18 μm CMOS 部件合成；在通訊狀態下，電場流能損失低于27 mA 或25 mA，可待機模式和快速喚醒特點，對電池要求較高的設備具有高匹配性。CC2430芯片在延用以往CC2420芯片架構之上，融合了ZigBee 的內部儲存和低微控制器和基于射頻技術（RF）的前端，實現系統高性能配置并提供了以ZigBee為標準的2.4GHz ISM波段設備需求，同時兼備高耗能性和低成本等優勢。

3.4 系統軟件界面簡介

系統軟件操作界面（如下圖5）分為三部分，分別是監控區、自控區以及遙控區。

監控區：實時獲取濕度傳感器與土水分傳感器反饋信息，獲取灌溉區域實時數據與閥門狀態情況，如土壤濕度、瞬時流量等數據，并分析出累計流量。管理人員可通過這些數據預測灌溉情況，根據數據進行監管工作。

自控區：管理人員根據農作物最適濕度環境進行自控，設定灌溉區域濕度上下限，并通過傳感器實時反饋信息，確保土壤濕度處于最適環境。

遙控區：當灌溉區域土壤環境低于或超過自控區設定的預警值時，系統操作界面遙控區將根據管理人員提前設置進行遠程遙控，自動化調控，確保灌溉區域農作物處于生長最適環境。

4 結語

本文講述了在物聯網浪潮中智能農業研發中基于物聯網技術的智能農業灌溉系統的設計總體流程方案，其中重點闡述了該智能系統實例的框架構建、技術選型以及功能實現。系統目前可完成基本智能化灌溉需求功能，后期將擴展更多市場需求功能，逐步實現系統優化，進而投入市場。

參考文獻：

[1] 管繼剛.物聯網技術在智能農業中的應用[J].通信管理與技術，2010（3）：24-27+42.

[2] 劉家玉，周林杰，荀廣連，吳愛民，陳磊.基于物聯網的智能農業管理系統研究與設計——以江蘇省農業物聯網平臺為例[J].江蘇農業科學，2013，41（5）：377-379.

[3] 余麗佳.淺析射頻識別技術及其發展前景[J].成都電子機械高等?？茖W校學報，2007（3）：23-25+22.

[4] 唐思敏.WIFI技術及其應用研究[J].福建電腦，2009，25（10）：59+82.

[5] 虞志飛，鄔家煒.ZigBee技術及其安全性研究[J].計算機技術與發展，2008（8）：144-147.

[6] 陳仁安，鄭新旺，莊鳳彬.基于物聯網的高校大型儀器設備智能管理系統研究[J].實驗技術與管理，2017，34（04）：268-271.

[7] 谷有臣，孔英，陳若輝.傳感器技術的發展和趨勢綜述[J].物理實驗，2002（12）：40-42.

[8] 張恩平，劉希民.基于CC2510的無線液位變送器設計[J].化工自動化及儀表，2010，37（4）：49-53.

【通聯編輯：梁書】