智能灌溉系統的設計與實現

濮少翔，周　愷

（南京曉莊學院　信息工程學院，江蘇　南京　211171）

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智能灌溉系統的設計與實現

濮少翔，周愷

（南京曉莊學院信息工程學院，江蘇南京211171）

摘要：綜合目前水資源匱乏，人工灌溉效率低下并容易對水資源造成浪費等原因，為了改進傳統的灌溉方法，提供對水資源的利用率、降低人工成本，本文對現在所推廣的智能灌溉系統進行了總結，并以農場灌溉為例提出了一套基于ZigBee無線傳感器網絡的智能灌溉系統的硬件和軟件設計.該系統可以根據農作物土壤濕度，通過數據分析控制灌溉狀況.系統穩定性高，減少人工投入，節約水資源，提高經濟效益.

關鍵詞：智能灌溉；無線傳感器；節水

1　序言

水是農作物生長必不可少的條件，在自然條件下，農作物對水分的要求明顯要高于土壤中所含有的水分含量，為解決這一問題，尤其是水資源匱乏的地區，先進的灌溉技術顯的尤為重要.

就目前來說，我國的灌溉技術與農業較為發達的國家相比還處于落后階段，大多數地區還停留在以往的人工灌溉階段，人工灌溉都是通過農民的經驗來判斷灌溉的時間和灌溉的水量，科技含量較低，生產效率也取決于農民的個人經驗；人工灌溉精確度低，容易造成水資源的浪費.

現代智能灌溉技術不僅可以提高水資源的利用率，有效緩解目前水資源匱乏的情況，還能夠通過與精確施肥技術的結合，改善農作物的生長條件，提高產量和品質，社會效益和經濟效益跟人工灌溉相比都有顯著的提高.

實現智能灌溉的一個有效手段就是精確灌溉，利用無線傳感器網絡來實現精確灌溉是本文研究的主要方向.無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks WSN）是一種分布式傳感網絡，它的末梢是一顆感知和檢查外部世界的傳感器.WSN中的傳感器通過無線方式通信，因此網絡設置靈活，設備位置可以隨時更改，還可以跟互聯網進行有線或無線方式的連接.通過無線通信方式行成一個多跳自組織網絡.本文利用Zigbee無線傳輸協議技術，構建無線傳感器網絡，通過實時采集土壤中水分含量，經PC端分析處理，及時控制灌溉閥門的開閉，從而達到精確智能灌溉的目的.

2　智能灌溉技術的發展現狀

發達國家目前的灌溉水資源利用率達到百分之七十.在節水技術的研究應用方面，美國﹑澳大利亞﹑法國﹑日本等國家均采用先進的噴灌和微灌以及自動化控制灌水技術.美國的節水灌溉面積約占其總耕地面積的百分之四十，噴﹑滴灌面積占百分之四十，并在其占耕地百分之十二的灌溉面積上生產出全國糧食的四分之一.澳大利亞是世界上目前推廣微灌面積較多的國家之一，開發出了許多種補償式滴頭及微噴頭，其地下滴灌技術處于世界領先水平，澳大利亞近來還研制出T-TAPE滴灌帶.其他諸如俄羅斯﹑英國﹑奧地利﹑西班牙﹑法國﹑丹麥﹑瑞士等國家的噴灌和微灌化程度也都達到了百分之八十左右.

我國目前的灌溉水利用率僅為百分之四十三，與發達國相比還存在較大差距（發達國家的灌溉水利用率達到百分之七十）.我國目前主要的節水灌溉技術包括低壓管道輸水技術﹑噴灌技術及微灌技術﹑渠道防滲等.在農村，尤其是水資源匱乏的西北地區，由于地區經濟條件薄弱和技術條件上的落后，使得節水灌溉技術的研究和發展受到了很大的限制.從總體上來說，現對于其他發達國家我國目前的節水灌溉技術還處于起步階段.

從早期的水力控制﹑機械控制開始，到后來的機械電子混合協調控制，還有如今興起的計算機控制﹑模糊智能控制及神經網絡控制等，灌溉控制技術一直在不斷的發展，最近的20年，為了節省人力物力，提高灌溉效率，增加經濟效益，我國從國外引進了微灌用灌溉自動控制系統﹑水稻灌溉節水增產自動檢測技術﹑電子自動控制灌溉配水系統等自動控制系統.2003年，智能化半變量節水管理系統在中國科學院欒城農業生態系統試驗站建成，它的主體工程是全自動的智能化農田節水噴灌系統.江蘇省泰興市綜合當地經濟條件和農業節水灌溉發展現狀，率先試用節水灌溉遠程自動控制系統，取得了良好的效果.就目前來說，我國在開發灌溉自動控制系統方面與發達國家還有一些差距，還處于研制和試用階段.

3　系統整體結構設計

本文所設計的智能灌溉系統采用的是基于ZigBee標準的無線傳感器網絡，網絡采用樹狀結構，整個系統包括PC客戶端，ZigBee協調設備（網關節點），無線路由設備，無線傳感器（WSN）節點，閥門控制等設備組成.系統整體結構如圖1所示.

根據PC端所設定的采樣間隔時間來采集傳感器的數據并通過無線路由設備傳送至ZigBee協調設備，該設備需要檢查該網絡中所有節點的狀態，如是否在線，上傳數據間隔，健康狀態等，ZigBee協調設備接收數據后通過USB接口上傳至PC客戶端，PC端負責接收各個節點的工作數據，進行分析﹑處理﹑儲存，并根據分析結果確定只夠需要發送閥門控制命令，從而改變閥門的狀態.閥門控制設備隨時接收閥門控制命令，根據命令開啟或者關閉電磁閥.

圖1　系統基本結構圖

4　系統硬件設計

本文所設計的系統主要包括ZigBee協調設備節點﹑無線路由設備節點和數據采集控制節點三種ZigBee節點，三種節點采用相同的電路設計，通過寫入不同的程序來完成個子不同的功能，它們的硬件都是由集成ZigBee模塊構成.

4.1ZigBee模塊

本文設計所采用的ZigBee模塊是國產的ZM5168工業級ZigBee無線通訊模塊，ZM5168的主要特點是高性能﹑低功耗.該模塊不僅啟動速度﹑響應速度﹑數據傳輸效率出眾，而且網絡容量終端節點數達到六萬多個，終端節點功耗地址100mA，網絡具備自調整﹑自修復性等特性，具有更大的鏈路預算，該模塊支持協調器﹑路由器﹑終端多角色配置.不僅如此，該模塊在射頻收發電路上保證了實行最優的匹配，在實測中該模塊的最大通信距離達到了2.5km.

4.2存儲器模塊

目前市面上可供選擇的存儲器很多，本文設計最終選擇了FM25L256鐵存儲器，該存儲器具有讀寫速度快﹑低功耗﹑結構簡單易操作等優點.

4.3電磁閥選擇

控制閥是智能灌溉系統中重要的一個部件，因為農場的灌溉面積較大，地形也較為復雜，所以本設計選擇了脈沖式電磁閥作為灌溉系統的開關.脈沖式電磁閥無需持續供電，可以通過瞬間的脈沖來實現電磁閥的開關控制.

脈沖式電磁閥的工作電壓為12～40V DC，用于常溫﹑中溫等場合.該電磁閥的特點是防水﹑防潮﹑使用壽命長﹑體積小﹑外形美觀等.

4.4傳感器接口模塊

土壤中的水分傳感器是灌溉系統是否能到達精確灌溉的關鍵，本設計所采用的是國產的SE-103V土壤水分傳感器，SE-103V土壤水分傳感器，該傳感器是基于頻域反射原理，通過測量土壤中的介電常數，能夠按照預期要求反映出所測量土壤中真實水分的含量.該傳感器還可以與溫室環境監測﹑自動灌溉控制等系統集成，從而達到土壤水分的長期動態連續監測的目的.

該傳感器采用高精元器件，具有良好的溫度穩定特性和寬廣的工作溫度區間，穩定性高.同時該傳感器的密封性好，外殼材料采用先進的ABS工程塑料，探針采用優質不銹鋼制成，可經受長期電解，不受土壤中的酸堿腐蝕，可長期埋放在土壤中使用.

該傳感器的工作電壓為10.8～14.4V DC，響應時間小于1秒，測量穩定時為間1秒，電耗為27mA（特征值），其工作溫度范圍在-30℃～70℃

4.5系統軟件設計

本文系統的軟件設計主要包括PC端程序設計，傳感器節點程序設計，網關節點程序設計，閥門控制程序設計四個部分.

PC端主要的任務是完成數據的處理顯示，監測節點狀態，控制閥門和記錄數據等功能.

傳感器節點的主要任務是按要求定時對土壤中的水分的含量進行采集并把采集到的數據上傳到網關節點，同時還需要按照要求定時上傳自己的網絡狀態，以免因為系統故障影響數據的監測.

閥門控制程序的主要任務是隨時接手來自網關控制的命令，按要求控制閥門的閉合，并按照要求定時上傳自己當前的網絡狀態.

網關節點程序的主要任務是在所組建的網絡中分析該網絡中各節點的信息，并按照要求把所收集的信息進行處理和存儲，能夠按照要求將所需要的數據上傳至PC端，并且能夠隨時接收PC端所發出的相應命令.

5　結語

科技快速發展的今天，農業的智能化灌溉已經變成現代農業的一個重要發展方向，本文結合無線傳感器網絡的發展和當前國內農業灌溉技術的現狀，綜合運用了ZigBee無線傳輸等技術，設計了一套基于無線傳感器網絡的遠程農田智能灌溉系統，對大面積農田的灌溉信息實行遠程的實時監測與控制，可以有效地提高智能節水灌溉系統的性能.通過實驗和數據整理分析后，大部分的數據都可靠，系統對閥門的控制也符合要求，可以滿足目前絕大多數地區對智能灌溉系統的要求.本文所設計的系統成本較低，節水效果頗為明顯，可以大規模機械化生產，具有較高的社會效益和經濟效益，有較大的推廣價值.

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收稿日期：2015-10-10

中圖分類號：TP391

文獻標識碼：A

文章編號：1673-260X（2016）03-0028-02