基于Zigbee和GPRS的遠程精確灌溉系統設計

苑立娟 汪濤

摘 要：隨著我國經濟的迅速發展，農業生產勢必會采用各種先進的技術，以達到提高產量，節約資源的目的。文章采用Zigbee和GPRS技術來設計一個精確灌溉系統，系統通過中央監控服務器可實現精確灌溉、遠程管理、移動控制的功能，利用模糊控制方式對農作物進行灌溉，簡單可靠，節水增產。

關鍵詞：Zigbee；GPRS；精確灌溉

無線網絡傳感器（Wireless Sensor Networks，WSN）融合了傳感器技術、嵌入式計算技術、分布式信息處理技術和通信技術，是多學科高度交叉、知識高度集成的前沿熱點研究領域。ZigBee協議是無線傳感網絡中應用最廣泛的協議，它有著低功耗、低成本、時延短、網絡容量大、可靠性高、安全性強等優點。

GPRS是通用無線分組業務（General Packet Radio Service）的簡稱，是一種基于GSM（Global System for Mobile Communications）系統的無線分組交換技術，在GSM協議構架的基礎上增加了支持分組交換的協議，而實現基于分組的無線通信服務。相對于原有的GSM網絡，GPRS的傳輸速率有了很大的提升且覆蓋范圍廣、傳輸速率高、登錄接入時間短、提供實時在線功能、可與IP網無縫連接等優點，可以滿足各種小流量的遠程數據傳輸要求，對偶爾的大流量數據傳輸也能勝任。

1 精確灌溉系統介紹

1.1 工作原理

本系統基于Zigbee和GPRS技術設計了遠程精確灌溉系統，系統有三層結構。第一層：監控現場的ZigBee網絡，主要包括傳感器節點、閥門控制器節點和變頻器控制節點。拓撲結構采用星型網絡拓撲結構，傳感器節點釆集環境信息，具體包括：空氣溫度、空氣濕度、光照和土壤濕度。第二層：現場控制器節點，主要包括ZigBee網絡的匯聚節點，作為系統的網關節點，此節點由ZigBee單片機、GPRS模塊和ARM模塊共同構成。其中，ARM模塊作為主控模塊，ZigBee單片機與GPRS模塊通過串口與ARM進行通信。此節點的主要功能是集中管理現場各節點信息，并將各節點采集的數據封裝成TCP/IP格式的數據包，再通過GPRS網絡和Internet網絡傳送到監控中心。第三層：監控中心計算機、遠程計算機、移動終端均可作為監控中心，監控中心集中處理網關節點傳送過來的數據，并把數據存入數據庫。監控中心根據監測信息對監控現場進行分析，對現場各個電磁閥進行控制，以控制現場灌溉，進而達到實時控制灌溉的目的。

1.2 精確灌溉的優勢

精確灌溉按水出流的方式主要分成4種形式：滴灌、滲灌、微噴灌、脈沖灌溉。其主要特點都是在植物的株行距之間放置安裝了灌水器的聚乙烯軟管以及相應的管道系統組成的網絡，通過灌水器精確流量。本系統的精確灌溉采用自動滴灌形式。自動滴灌屬于全管道輸水和局部微量滴灌，使得水分的滲漏和損失減少到最低。滴灌系統的閥門采用自動控制，可以節省人工開銷，降低生產成本。使水分緩慢均勻地滲入土壤，對土壤結構能夠起到保持作用。減少水肥滲漏，節省化肥用量，減少污染。

2 系統總體架構介紹

根據精確灌溉系統的需求可以確定系統由遠程監測、遠程灌溉控制和遠程監控中心三層架構組成。

系統遠程監測的主要功能是采集農作物生長的環境信息，利用無線傳感器網絡釆集現場的環境信息并及時將數據傳輸給上位機，主要包括：底層傳感器、Zigbee數據傳輸模塊和Zigbee&GPRS模塊的鋪設，底層傳感器和Zigbee數據傳輸模塊之間的通信調試，Zigbee模塊組網，Zigbee&GPRS中心節點和遠程計算機之間的通信調試。設備鋪設可根據農作物的具體面積，植株密度來規劃，可通過調整功率方式來調整通信的距離。

遠程灌溉控制主要是通過控制各級電磁閥來實現對水量的控制，控制電磁閥需要提供一個開關量信號。Zigbee數據傳輸模塊和Zigbee&GPRS模塊均可提供此類開關量信號。遠程PC就可以通過控制Zigbee數據傳輸模塊和Zigbee&GPRS模塊的開關量輸出來控制電磁閥。為了提高控制的可靠性，可加大電磁閥的工作功率，可在電磁閥和Zigbee數據傳輸模塊或Zigbee&GPRS模塊之間添加繼電器隔離放大電路來保證安全。

遠程監控中心的設計主要包括：灌溉制度的設計和交互界面的設計。為實現系統的靈活灌溉，可將系統的灌溉模式分為自定義灌溉和自動灌溉2種。自定義灌溉指用戶可根據自己的判斷來決定何時灌溉、灌溉時長。自動灌溉指系統根據無線傳感器網絡采集到的土壤水分數據來判斷植株是否需要灌溉。按照各部分功能的不同設計交互界面的子界面。用戶通過交互界面實現灌溉控制，同時也可以查看農田的實時數據、歷史數據等監測情況。系統不僅可以將底層數據傳輸到遠程服務器上，還可以將遠程終端發出的指令傳輸給底層設備。即數據在各條通信鏈路上的傳輸都是雙向的。底層數據傳輸到服務器之后，不僅遠程PC可以得到數據，其他形式的移動終端可以得到。同樣，不僅遠程PC可以向底層設備發送指令，其他形式的移動終端也可以。系統總體結構如圖1所示。

3 系統硬件設計與實現

系統硬件設計主要包括了現場無線傳感網絡設計和電磁閥驅動電路設計。現場監測和遠程控制的實現，還需要對通信鏈路進行調試并根據通信協議編寫控制指令。以下主要對監測部分硬件設計與實現進行闡述。

監測部分的硬件主要包括幾部分：底層傳感器、Zigbee模塊、Zigbee、GPRS模塊、上位機和直流電源等。設計的主要任務是：選擇合適的傳感器，Zigbee組網，Zigbee&GPRS模塊與上位機的通信調試。系統選用 FDR法的土壤水分溫度傳感器，傳感器檢測出土壤溫度和含水量，一端可以引出4根接線，紅色和綠線接24V電源，黃色和藍色為RS485接口，傳感器通過此接口向Zigbee接口上傳數據，通信協議采用Modbus RTU協議。Zigbee網絡的組網過程：通過RS485接口Zigbee模塊可下掛若干傳感器。若干Zigbee模塊在Zigbee&GPRS模塊的協調下組成Zigbee網絡，數據最終匯集到Zigbee&GPRS模塊中。具體組網過程如圖2所示。

4 系統軟件設計與實現

系統軟件設計主要包括：監控界面設計、控制策略的設計、模糊控制器的設計研究、組態王與MATLAB通信的實現研究。

監控界面的主要功能包括：實時查看現場采集的數據，用戶通過界面向現場發送控制指令，灌溉異常時報警。監控界面的設計應遵循人性化，易操作的原則。系統軟件的設計采用組態軟件，組態軟件是專門針對工業自動監測控制系統開發的工控軟件，包含許多功能模塊，可直接調用功能模塊搭建完善的監控系統，不需復雜程序的編寫，大大縮短了軟件的開發周期并降低開發成本。本系統釆用亞控科技開發的組態王kingview6.55進行監控界面的設計。監控界面主要分以下幾部分：首頁（系統總體概況）、灌溉中心（灌溉形式的選擇）、監測中心（查看所有節點的實時監測數據）、控制中心（實時控制任意電磁閥）、數據中心（查詢實時數據、歷史數據）、節點工作狀態查詢（實時顯示節點的工作狀態）、幫助。

系統控制策略的本質是如何實現自動控制電磁閥。傳統灌溉中，人為以經驗判斷所需的灌溉水量，水量控制不準確，容易灌溉過量。本系使用閉環控制以準確的計算及數據為依據，保證了灌溉的準確度。閉環控制是以輸入信號與反饋信號之差作為控制信號作用于執行機構，同時及時反饋新的執行結果，直到執行結果達到預期標準為止。

影響灌溉控制精度的因素有很多。例如：土壤濕度、蒸騰量。建立數學模型時需要以土壤溫度和蒸騰量共同作為判斷條件來建立數學模型，這樣很難建立精確的數學模型。灌溉控制屬于非線性控制。模糊控制是模糊數學與控制理論相結合的產物，它可以對難以建立精確數學模型的復雜對象實現有效控制，它采用“不精確推理”，使用語言變量，使控制過程易于介入人的經驗，并且對過程參數的變化不敏感，所以非常適合處理非線性、時變及大滯后的控制問題。

組態王與MATLAB之間的通信可以通過COM組件技術或者DDE技術實現。組態王就可以不斷地將采集到的土壤水分數據傳送到MATLAB程序中，數據經過模糊控制器的處理后，MATLAB再將結果返回給組態王，完成整個控制。

5 結語

本文介紹了基于Zigbee和GPRS技術的精確灌溉系統的設計過程，在已有的技術基礎上，為現代農業提供了一個可參考可實施的自動化灌溉方案，具備一定的應用價值。隨著無線傳感器網絡技術的推廣，精確灌溉技術將會在農業上得到更廣泛的應用和發展。

Design of Remote Precision Irrigation System Based on Zigbee and GPRS

Yuan Lijuan， Wang Tao

（Department of Information Technology， Baoding University， Baoding 071000， China）

Abstract： With the fast economic development in China， agricultural production certainly will adopt various kinds of technology to increase production and save resources. This article adopts Zigbee and GPRS to design an accurate irrigation system. This system employs central monitor server to ensure accurate irrigation， remote management and mobility control， employs fuzzy control to irrigate crops， this method is simple and reliable， and is easy to achieve the goal of water saving and production increasing.

Key words： Zigbee； GPRS； accurate irrigation