溫室大棚的無線自動控制灌溉系統設計與實現

杜佳豪++王筱雨++高原++周鋒

摘 要為了滿足溫室大棚節水灌溉的迫切需求，本文設計了一種基于ZigBee的自動控制灌溉系統。該系統用濕度傳感器采集數據，用ZigBee實現無線采集、發送、接收等工作。如果溫室大棚內濕度低于作物所需時，自動進行灌溉，可以有效地對作物的生長進行監控。

【關鍵詞】溫室灌溉 ZigBee 無線

1 引言

目前大部分溫室大棚主要采用傳統粗放灌溉方式，水資源利用效率低，并且很難保證合理準確地調節土壤濕度。因此，采用先進的無線自動化控制技術實施精準灌溉，能夠有效地提高灌溉準確度和提高水的利用率。隨著物聯網技術的發展，無線網絡技術逐漸運用到遠程控制領域。

2 系統整體框架設計

整個系統網絡主要由終端節點，主節點，上位機組成。終端節點與YL-69土壤濕度傳感器相連，主要接收傳感器采集到的數據，并且存儲和發送數據。主節點也就是協調器節點，可以修改ZigBee協議棧讓更多的終端節點尋址加入，它主要負責轉發終端節點接收到的數據到上位機。上位機主要負責數據的接收、處理和顯示。將終端節點放在待測地點采集土壤濕度，讓協調器節點與上位機相連。當打開上位機自動控制灌溉系統界面時，通過上位機界面的對話框來修改土壤濕度閾值等參數，協調器開始工作，初始化網絡配置。每一個子網絡都通過尋址加入到協調器上來，此時終端節點加入到網絡，并采集傳輸數據。

3 主節點和終端節點硬件設計

主節點和終端節點的硬件結構上都是一樣的，硬件框圖如圖1所示。它們不參與數據采集，只是對傳感器采集到的數據進行記錄和傳輸以及接收。此硬件系統的核心模塊為美國TI公司的CC2530，此芯片具有基于ZigBee2007協議棧的模板。本系統采用2.4GHz的標準無線頻段，信號穩定，抗干擾能力強。

4 管理系統流程設計

灌溉系統的主程序結構如圖2所示。系統主程序主要實現控制算法編程，協調器、路由器、控制節點相關程序由C語言編程，主要是ZigBee 協議的移植，實現控制命令的發送、接收和執行。傳感器節點采集土壤濕度數據，并將這些數據發送給協調器，協調器再發送給管理平臺，然后與設定值進行比較，若超出濕度閾值，給出對應的控制信號，控制信號經協調器、路由器，傳送給控制節點，驅動相關控制設備，從而實現對灌溉系統的自動控制。

5 系統測試

本系統在當地溫室大棚內進行了初步試驗，該溫室大棚采用地面固定式滴灌系統，每塊地采用一主管加多支管的梳狀輸配水管網，本系統將灌溉閥門安裝于主管道末端，每個灌溉閥門通過電纜與一個控制節點相連接，并由該控制節點控制該溫室的灌溉策略的執行。溫室大棚一共布置了24個設備，其中1個協調器節點，4個路由節點，4個控制節點，15個監測節點。系統具有與一階慣性系統相似的響應特性，表明系統的穩定性很好，系統運行56min 即能將溫室內土壤濕度由30%提高到設定的56%，系統超調量≤8%。而一般果蔬類植物對水分的脅迫的忍耐時間至少在1h以上，可見本系統可以滿足現代農業技術的要求。

6 結論

本文設計了溫室大棚自動控制灌溉系統，采用8051單片機內核的無線頻射芯片CC2530和土壤濕度傳感器YL-69組成網絡節點。本文給出了無線濕度系統各模塊的設計方案，并對整個系統進行了實地測試。測試證明，系統具有良好的穩定性，并能滿足不同蔬菜不同時期灌溉的需要。

參考文獻

[1]程文鋒，楊祥龍，王立人等.PLC和觸摸屏在自動噴灌控制器中的應用[J].農機化研究，2009，31（05）：128-131.

[2]薛艷亮，胡建萍，王江柱.基于分布式編址機制的ZigBee組網技術研究[J].杭州電子科技大學學報，2008，28（02）：33-36.

作者簡介

杜佳豪（1996-），男，江蘇省南通市人。鹽城工學院本科生。主要研究方向為信號與信息處理。

王筱雨（1995-），男，江蘇省鹽城市人。鹽城工學院本科生。主要研究方向為信號與信息處理。

高原（1996-），男，江蘇省徐州市人。鹽城工學院本科生。主要研究方向為信號與信息處理

周鋒（1981-），男，江蘇省鹽城市人。鹽城工學院信息工程學院，博士在讀，講師。主要研究方向為信號與信息處理、圖像與語音信號處理等。

作者單位

鹽城工學院信息工程學院 江蘇省鹽城市224051