基于ZigBee的智能灌溉裝置設計

崔佳民，郭 棟

（浙江水利水電學院 電氣工程學院，浙江 杭州 310018）

我國是一個水資源緊缺國，同時又是一個農林業大國，農林業用水所占比重較大，用水矛盾十分突出。另一方面，不管是農業灌溉還是城市綠化用水通常憑借經驗定時灌溉，是一種很粗放的方式，這種原始的灌溉方式既無法保證植物科學用水量，同時又大大浪費了寶貴的水資源。加強對土壤墑情的準確監測，并通過控制裝置實現自動灌溉，有助于做好科學的給水措施，實現水資源的合理利用及農林業的健康發展。

1 無線數據采集與傳輸

（1）無線傳感器節點。無線傳感器節點具有采集數據和無線傳輸的功能：一方面來實現土壤溫度、濕度等參數的測量采集和處理；另一方面實現數據的融合和收發。對自身采集的數據和收到的其他節點數據進行融合，再轉發到匯聚節點。所探測范圍內的土壤墑情，通過無線方式將數據傳送給網關。

無線傳感器節點由采集模塊、數據處理模塊、無線通信模塊和供電模塊四部分組成，如圖1所示。其中，采集模塊負責采集對應節點的土壤墑情；數據處理模塊轉換采集的原始數據；無線通信模塊主要完成與數據通信任務，供電模塊負責傳感器節點運行時能量供應。

圖1 無線傳感器節點框圖

本系統無線傳感器網絡方案擬采用ZigBee組網技術。無線傳感器節點硬件擬采用TI公司的CC2530作為主控芯片開發，它集成了ZigBee射頻前端、內存和微控制器，以及豐富的資源外設。主控芯片可以工作在休眠狀態，功耗極低，滿足無線傳輸低功耗的要求。為了使得采集覆蓋范圍廣，采用CC2591射頻放大芯片，加上6DB的高增益天線的作用，將無線傳感器網路的覆蓋范圍大大提高。

（2）數據采集傳感器選型。傳感器是進行數據采集的基礎和前提，組成物聯網的基本單位，對其選用，遵循實用、經濟、標準、耐用的原則。本系統用于檢測土壤溫濕度，綜合系統設計和對傳感器節點的設計要求，擬選擇Decagon公司研制的ECH2O土壤水分傳感器。其特性為探針阻抗隨土壤含水量的變化不同，造成傳輸線兩端電壓的不同，通過測量高頻傳輸線兩端電壓幅值差的方法得到土壤含水量。圖2為本項目擬選擇傳感器實物圖。

無線傳感器節點實現預期目標：

系統檢測范圍及其精度：

溫度：-20℃～50℃。精度±0.5℃

濕度：5%～95%。精度±2%

圖2 土壤水分傳感器

該項目根據節點位置將網絡劃分為區域，區域無線節點可以相互通信并有很強的協同能力，通過轉發其它節點的信息，節點之間構成多跳的通信網絡。每個區域內有一個首節點，可以克區域內的所有節點通信，它來發布管理節點的檢測任務，并負責將來自區域內節點采集的數據通過不同區域，通過多跳數據路由傳送給主控終端，實現收集網絡監測數據的目標。

2 控制策略研究

選取預實施精準灌溉的試驗田，劃定50m*50m和100m*100m兩種方式來采集2組土壤含水量的數據，應用試驗數據，從統計特征值和空間結構性兩個方面，對丘陵區小面積田塊的土壤含水量進行空間異性分析，得出土壤含水量樣本的平均值與采樣點的離散程度，結合無線傳感網絡組網的最大傳輸距離與田間土壤含水率采樣精度，確定采樣信息。

灌溉控制策略模糊推理算法，兩個輸入量：作物蒸散量和土壤含水量，一個輸出量：作物需水量?？刂埔巹t采用分段2段進行模糊控制，首先系統定時從傳感器獲得土壤含水量，如果土壤含水量高于上限值就停止灌溉，如果低于下限值，就對作物進行灌溉，直到高于下限值；如土壤含水量介于上、下限之間時，就采用模糊控制規則，對土壤含水量的偏差和偏差變化率進行規范化和模糊化處理，處理后的值帶入模糊控制規則庫，得出控制量。模糊控制器結構如圖3所示。

遠程監控中心是完整的節水灌溉控制系統，能夠通過網絡對現場進行遠程實時監控，了解當前灌溉情況和歷史記錄。

圖3 模糊控制器結構圖

4 結語

3 物聯網通信網絡

本系統采用無線通信方式，局域網采用ZigBee節點組網，實現低功耗、低成本的節點組成。遠程無線傳輸通過GPRS通信實現。節點信息通過局域網和GPRS遠程網絡傳輸至終端顯示，人們可以在有網絡的地方實時掌握現場環境動態，控制信息也可通過無線通信模塊傳送至節點，根據需要進行科學控制。通信模塊原理框圖如圖4所示。

實時監測是實現智能灌溉的必要基礎，通過無線傳感器節點，能夠進行數據采樣、組網并對采集的數據進行濾波與自適應加權運算，可以及時、準確的獲取土壤墑情。無線節點監測的土壤墑情信息，通過GPRS無線網絡上傳至主控節點。主控節點通過先進的數據融合方法對土壤溫度、環境溫度、以及各種不同作物的特性等因素進行融合，通過軟件模糊控制算法實現對無線節點的優化控制。無線節點的控制端根據設定的閾值及時控制電磁閥的開啟和關閉，實現智能灌溉控制。

圖4 通信模塊原理框圖

參考文獻

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