基于ZigBee的水肥一體化智能灌溉系統設計

鄧曉棟 張文清 翁紹捷

摘要：針對農業灌溉過程中水資源浪費嚴重以及施肥造成的環境污染現象，設計了基于ZigBee的水肥一體化智能灌溉系統。系統將實時采集到的數據通過ZigBee網絡傳送至服務器，用戶在服務器端通過組態王軟件控制水池、肥料池或者混合池電磁閥的打開，進而用滴灌的方式對農田進行水或者水肥的灌溉。試驗結果表明，系統在1 500 m的范圍內能夠正常將數據采集模塊采集到的數據傳送至服務器，同時服務器的控制模塊在人為的條件下能夠對大田進行灌溉。

關鍵詞：ZigBee；水肥一體化；智能控制；灌溉系統

中圖分類號：TP29；S275 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）03-0690-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.03.048

Design of Intelligent Water and Fertilizer Irrigation System based on ZigBee Platform

DENG Xiao-dong， ZHANG Wen-qing， WENG Shao-jie

（College of Mechanic and Electronic Engineering， Hainan University， Haikou 570228， China）

Abstract： Aiming at the phenomena of wasting water and fertilizer which had caused environmental pollution in the process of agricultural irrigation， the intelligent irrigation system for integration of water and fertilizer based on ZigBee platform was designed. The real time data of farmlands collected by data acquisition module could be sent to the server through net of ZigBee where the users can control switches of water， fertilizer pool or mixing pit through the software of kingview. So the farms could be irrigated with water or the mixture of water and fertilizer to retrench water and fertilizer. Experiment of the system proved that the real data of farmlands collected by data acquisition module could be sent to the server well within 1 500 m， and the users can irrigate the farmland through the control module of the server.

Key words： ZigBee； integration of water and fertilizer； intelligent control； irrigation system

水資源分布不均、可利用的人均水資源較少以及水資源使用過程中造成的浪費現象是目前中國在農業灌溉方面所面臨的問題[1-3]。據統計，當前所采用的大水漫灌、溝灌等灌溉方式的水源利用率僅為40%[4]。與此同時，農業生產過程中所使用的肥料不僅利用率低而且還經常造成環境污染，例如土壤板結現象[5-7]、江河湖水富營養化[8，9]等問題。水肥一體化技術通過滴灌將水或水肥送至植物的根部，不僅能有效提高水肥的利用效率，減少資源浪費，同時還能提高糧食產量，增加農民的收入，進一步提高中國的農業綜合生產能力[10]。

ZigBee無線通信技術[11，12]具有智能化、信息的時效強、較廣的覆蓋區域以及支持同時同步采集多路傳感器數據等特點。為此，結合大田環境特點和對水分監測、灌溉控制的要求，設計了基于ZigBee的水肥一體化智能灌溉系統。該系統具有組網方便、低功耗性能以及較強的延展性，其設計改變了傳統的有線監測控制方式。系統工作時，觀測者通過網絡對大田各個位置的ZigBee協調器采集到的溫濕度數據進行監測，同時還可以通過網絡直接對大田進行水肥的澆灌。

1 系統總體結構設計

水肥一體化智能灌溉系統的設計采取C/S架構，其結構分為兩部分：監測控制中心和無線傳感器的組網。其中，無線傳感器的組網由ZigBee協調器節點、ZigBee路由節點以及ZigBee終端節點組成。組網方式采用樹型拓撲結構，其結構如圖1。ZigBee組網內部的結點分布在大田內部，用以完成溫濕度的實時采集和傳輸。監測控制平臺由組態王軟件構建，負責接收發送存儲協調器通過RS232串行總線發送給服務器的溫濕度，并將服務器反饋的控制信息傳送到電磁閥控制部分。

2 系統上位機的開發

上位機開發過程使用圖形語言和C語言對監控中心上位機軟件進行編譯。整個系統采取模塊化設計，利用組態王6.5軟件的圖形語言進行系統功能界面的設計，同時利用C語言實現界面控制、數據接收存儲等功能。整個上位機的運行過程為：監控中心接收數據采集模塊采集的數據并進行相應的解析，以獲取生產環境的實際情況，并顯示和儲存相應的數值。通過對數值的分析，利用組態王軟件中的控制模塊可以由人工或系統自動對大田進行水肥灌溉。系統的功能界面包括實時數據、歷史數據、超限警報以及對相應電磁閥的控制等。實時數據可以顯示大田當前土壤及空氣的溫濕度；歷史數據用來查詢過往數據；超限報警則對當前狀態下土壤和空氣溫濕度超過限定數值時自動報警，并啟動電磁閥控制模塊。系統工作流程如圖2。

3 系統下位機各部分設計

系統的硬件部分由數據采集、ZigBee節點硬件、電磁閥控制以及上位機四部分組成。數據采集模塊采集當前大田的實時數據，并由ZigBee節點完成無線傳輸，上位機則整理、顯示、保存經ZigBee網絡傳送的數據，分析后由人工或自動開啟相應電磁閥的開關。

3.1 數據采集模塊設計

系統的數據采集模塊由傳感器和調理電路等組成。此模塊為ZigBee終端節點，負責對周圍環境和土壤的溫濕度數據進行采集傳輸。傳感器選用瑞士Sensirion公司生產的具有I2C總線接口的溫濕度集成的傳感器SHT11[13]。其溫度的測量范圍為-40～120 ℃，精度為±0.9 ℃（0～40 ℃）或±0.5 ℃（25 ℃）；相對濕度的測量范圍為0%～100%，精度為±0.3%，滿足系統數據采集的需要。其內部的結構和接口如圖3。

3.2 ZigBee節點軟硬件的設計

ZigBee節點具有自組網、低功耗、自愈能力強等特點，由協調器節點、路由節點和終端節點組成，用于系統數據的接收和發送功能。系統ZigBee節點硬件部分選取的是TI公司生產的CC2430芯片。該芯片內置8051內核，符合2.4 GHz的ZigBee通信協議，能順利完成系統無線收發的過程[14]。ZigBee組網選用了樹型拓撲結構，數據采集模塊將采集的數據傳送至路由節點，路由節點將收集到的數據以自組網的形式傳送至協調器節點。協調器節點選用全功能設備，負責收集路由節點傳送來的參數，然后將其通過RS232串口傳輸至監控中心。

ZigBee節點軟件部分設計選用模塊開發的方式，主要包括數據收發模塊、事件處理和協調模塊、計算處理模塊、低功耗的底層驅動模塊以及傳感器數據采集模塊和封裝模塊。同時軟件部分設計結合多任務處理與消息循環機制，通過事件發送來觸發和完成各個模塊之間的數據通信[15]。系統ZigBee節點的軟件模塊和運行機制框圖如圖4。

3.3 電磁閥控制部分的設計

水肥一體化中的滴灌技術使得水或水肥的流量不用過快過猛，因此控制部分采取電磁閥即可。根據水池、肥料池和混合池內物質狀態，系統內需求液態和粉態兩種電磁閥。水池和廢料池選用ZCS DN25型液用電磁閥，其采用25 mm通徑和常閉操作，具有耐腐蝕性。廢料池介于混合池上方，打開電磁閥后依靠肥料自身重力倒入混合。為防止肥料堵塞采用ZQDF DN40型防腐蝕電磁閥，其采用50 mm通徑和常閉操作。電磁閥控制電路圖如圖5。

4 系統測試

4.1 ZigBee通信距離和丟包率的測試

為取得系統工作的最優參數，在海南大學儋州校區機電工程學院試驗基地進行系統測試。選取以100 m為間隔、直線距離為1 700 m長的距離測試，系統每秒發送13個數據包，根據系統反饋的情況得出ZigBee節點通信距離和丟包率的情況（表1）。從表1可以看出，系統工作的最優距離在1 500 m以內。

4.2 組態王軟件的測試

在試驗基地設置了7個數據采集監測點進行實時監測。系統設置為每10 min進行一次數據采集，組態王軟件采集的實時參數如圖6。同時，根據數據反饋的信息手動控制電磁閥，結果表明系統能夠正常運行。

5 小結

當前，在中國傳統的澆灌方式下，水資源和肥料在使用過程中利用率低且肥料還會造成一定程度上的環境污染。針對這一問題，設計的基于ZigBee的水肥一體化智能灌溉系統通過數據采集模塊采集農田的實時數據，再利用ZigBee網絡傳送至服務器，用戶在服務器端通過組態王軟件控制水池、肥料池或者混合池電磁閥的打開，進而用滴灌的方式對農田進行水或者水肥的灌溉，以達到節水節肥、增產增收的目的。

系統在海南大學儋州校區機電工程學院試驗基地應用，進行了ZigBee距離測試和丟包率的測試，并選取7個大田監測點進行了組態王軟件的測試。結果表明，系統在1 500 m的范圍內能夠正常工作。系統操作簡便、工作狀態穩定，為水肥一體化智能灌溉系統的進一步研究提供了參考。

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