基于Zigbee技術的農田自動灌溉系統的設計

◎劉立佳

基于Zigbee技術的農田自動灌溉系統的設計

◎劉立佳

為解決傳統的灌溉方式費時費力，勞動效率低的現狀，本設計研究一種根據土壤實際情況來自動灌溉的智能化系統。自動灌溉方式有效節省了勞力，大大提高了農民的工作效率，從而降低了農業的投資成本。本設計采用Zigbee技術，該項技術憑借其功耗低、通信可靠、數據安全等優點而在多個領域嶄露頭角。

隨著現代社會的快速發展，農業發展必須緊跟步伐。種植農業最基礎的就是農田灌溉問題，現在廣泛應用的灌溉方式是采用人工灌溉，人眼觀察土壤的含水情況，根據經驗判斷是否需要實時灌溉。這種方式費時費力，使勞動效率大大降低，從而嚴重影響農業的發展。為解決這一大農業問題，本設計提出一種基于Zigbee技術的農田自動灌溉系統的設計方案。

本設計硬件部分的布線工作主要將測量土壤含水率的傳感器安裝到合適的位置，再利用Zigbee無線傳輸的優點，將采集到的土壤含水率信號無線傳輸到信息管理中心，信息管理中心根據采集到的信號控制自動灌溉設備的工作狀況。這種設計方法節省了布線的麻煩，降低了投資成本，但可靠的實現了農田自動灌溉的目的。

系統硬件設計

系統硬件部分的總體結構圖如圖1所示。本設計的硬件部分主要包括三大模塊：數據采集模塊、數據傳輸模塊、動作執行模塊。硬件系統采用模塊化設計方案，便于整個系統的開發、調試、檢測及后期硬件的維護。

數據采集模塊。數據采集模塊的主要設計工作為安裝傳感器的位置，即選擇合適的測量位置安裝測量土壤含水率的傳感器。土壤濕度傳感器通過信號轉換電路與Zigbee終端節點連接，終端節點芯片選用TI公司推出兼容Zigbee 2007協議SoC芯片CC2530。

圖1　系統總體結構

數據傳輸模塊。系統中傳感器采集到的信號經過轉換電路轉換后傳輸給Zigbee終端節點，Zigbee終端節點將數據處理后通過無線傳輸方式傳輸給信息匯總中心，即Zigbee協調器。

本設計中建立無線網絡非常關鍵，Zigbee網絡組網方式主要有星型網絡和網型網絡兩種拓撲結構，不同的拓撲結構使用于不同的領域。星型網絡中包含一個協調器和多個終端節點，終端節點可以定時休眠。自動灌溉系統采集土壤濕度信號不需要實時采集，可選擇在規定的時間點進行信號采集，所有不采集濕度信號的期間，自然不需要數據傳輸，因此在這個期間內終端節點均進入休眠模式，以降低功耗，節約成本。根據本系統的使用環境本文選用星型網絡拓撲結構。Zigbee網絡建立成功后，周期性的采集土壤濕度信號，采集完發送給協調器后自動進入睡眠模式。

動作執行模塊。動作執行模塊的設計主要是灌溉設備選型及安裝。灌溉設備的啟動、停止以及灌溉速度全部由信息匯總中心（Zigbee協調器）發出控制命令，控制相應地繼電器完成灌溉任務。整個過程不需要人工干預，完全實現自動化。

系統軟件設計

農田自動灌溉系統的軟件主要包含兩部分：Zigbee終端節點的應用程序及協調器的應用程序。軟件設計基于TI公司的Z-Stack協議棧編寫，Z-Stack協議棧已為用戶寫好驅動層部分代碼，開發人員只需將大部分精力投入在應用層開發即可，省去了開發底層協議的繁重工作。

終端節點軟件部分程序，只需在Z-Stack協議應用層實現將采集到到的土壤濕度信號做簡單處理后向協調器轉發的功能，將數據轉發成功后自動進入睡眠模式；協調器軟件部分完成接收網絡中的各個端節點發送的數據，并且將數據進行相應的處理，根據數據處理結果控制灌溉設備的工作。

本文針對農田灌溉技術落后的現狀，提出了一種基于Zigbee技術的農田自動灌溉系統的設計方案，根據自動灌溉系統的使用環境及充分的理論研究，系統完全能夠滿足設計的要求。經過實驗測試，試驗結果表明系統實現了穩定、可靠地檢測土壤濕度情況、并將檢測數據可靠地傳輸到了信息匯總中心，最終實現根據土壤的實際濕度情況控制灌溉設備的工作，實現了自動灌溉。

（作者單位：石家莊域聯視控控制技術有限公司）