基于ZigBee的遠程智能澆灌系統設計

曾澤良，郭金星，藍潘生，胡 潔

（桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004）

最近幾年，由于人口的增長和城市化、工業化的發展，水資源嚴重缺乏，節能減排是關鍵的熱點。在現在的公園和果園中，需要人工對植物灌溉進行護理，需要大量的人力和物力，并且在對植物進行灌溉的時候，沒有對水的利用進行有效的控制，大大浪費了水資源[1]。本文設計一種用傳感器監測土壤的濕度情況，對其進行定點定量澆灌，作為無線傳感器網絡技術在智能灌溉領域的探索性研究，可為以后建立大型的遠程智能灌溉系統奠定基礎。

1 方案設計

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議。根據ZigBee的特征，本文設計的ZigBee無線傳感器網絡結構如圖1所示。

圖1 ZigBee無線傳感器網絡結構

根據對遠程智能澆灌系統的功能需求調查結果，本文設計了如下功能。

（1）數據采集功能。通過ZigBee模塊對傳感器進行讀取，獲取土壤溫濕度、空氣溫濕度和日照強度信息數據，通過無線傳感器網絡發送傳感器數據。

（2）數據通信功能。把傳感器節點監測到的數據進過多跳傳遞經ZigBee傳感器網絡、GPRS網絡、互聯網，傳送到服務器上，以及把管理平臺的控制指令再發送到監控節點完成整個數據間的雙向通信。

（3）遠程控制功能。管理平臺遠程發送指令，控制電磁閥門實現灌溉操作的遠程控制。

（4）自動控制功能。管理平臺根據傳感器信息分析環境狀態，自動遠程發送指令控制電磁閥門，進而實現灌溉操作的遠程自動控制。

本文設計的遠程智能澆灌系統的實現主要解決以下兩個方面的技術要求。

（1）電路系統的供電問題。用于ZigBee無線傳感器節點和匯節點均采用電池供電，因此對功耗要求非常苛刻，對電池的容量也有較高的要求，并且根據實用性考慮尺寸也不能太大，因而要求能量密度大并且能滿足戶外的工作環境要求。

（2）無線通信的可靠性問題。首先，要求本系統要有無線網絡的自組織功能，能夠在無需人工干預的情況下，各網絡節點能夠接收到其他節點的無線信號后確立連接關系，組成結構化的整體網絡。其次，要求本系統要有無線網絡的自愈功能，在對整體網絡增加或刪除一個節點時，或者在節點位置發生變動、節點發生故障等情況下，無線網絡系統都能夠在無需人工干預的條件下通過自我修復，重新確立各個節點的連接關系，對網絡拓撲結構相應地調整，保證網絡通信正常、系統正常工作。

2 硬件電路設計

本文所設計的ZigBee無線網絡的匯節點主要由GPRS模塊和ZigBee模塊構成，ZigBee模塊用于連接無線傳感器節點進行通信，GPRS模塊用于進行連接因特網。太陽能電池板、電源管理模塊和電池用于提供穩定可靠的電源[2]。匯節點原理框如圖2所示。

圖2 匯節點原理框

ZigBee無線傳感器節點的設計需考慮系統的主要功能，因此，需包含的傳感器包括土壤溫濕度檢測傳感器、電磁閥控制模塊、光照強度檢測傳感器和空氣溫濕度檢測傳感器。傳感器節點原理框如圖3所示。

圖3 傳感器節點原理框

如圖3所示，電源部分，太陽能電池板、電源管理模塊和電池用于提供穩定可靠的電源。ZigBee模塊讀取傳感器數據后，將數據通過網絡以ZigBee方式向匯節點發送。

空氣溫濕度采用DH11。DH11是非常常用的空氣溫濕度傳感器，以單總線方式與ZigBee模塊連接。

土壤溫濕度傳感器采用電阻式傳感器，利用電阻變化測量溫濕度，ZigBee模塊通過讀取AD信號可獲取土壤溫濕度信息。

光強傳感器采用TSL2561。TSL2561通過IIC與ZigBee模塊通信。

電磁閥門驅動模塊可采用繼電器方式，也可采用MOS管方式。

3 上位機程序設計

上位機可采用面向對象語言VB進行編程。上位機界面如圖4所示。

在本系統中，上位機軟件主要包括界面設計、數據庫和網絡通信。界面設計并不復雜，主要用于顯示各個傳感器節點的數據信息，顯示文字和數據可通過text控件，控制輸入可通過bottom控件，界面的規整可以采用容器控件，為便于編寫程序，對相同數據類型的控件可以使用控件數組[3]。數據庫用于存儲各個傳感器節點的數據信息，并對數據進行統計處理，便于用戶查看記錄。網絡通信部分用于從以太網中獲取傳感器節點經由匯節點發送來的信息，并將數據從管理平臺發送到傳感器節點。后臺程序通過分析記錄在數據庫的信息，判斷閾值，當傳感器數據達到閾值時向傳感器節點發送控制指令，從而自動控制。

圖4 上位機界面示意

4 結語

本文基于ZigBee技術設計了一種遠程智能澆灌系統，系統包括管理平臺、匯節點和無線傳感器節點。無線傳感器節點檢測土壤溫濕度、空氣溫濕度及光照強度，基于ZigBee無線網絡經由匯節點發送到管理平臺，管理平臺將數據記錄到數據庫中，并通過分析記錄在數據庫的信息，判斷閾值，從而進行自動遠程澆灌控制。

[1]劉娉婷.基于WSN的智能溫室大棚多參數監控系統[D].唐山：華北理工大學，2015.

[2]車孝軒.太陽能光伏發電及智能系統[M].武漢：武漢大學出版社，2013.

[3]丁浩宸.基于ARM的遠程可視化智能灌溉系統設計與實現[D].大連：大連理工大學，2014.