基于Zigbee的校園草坪智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

賴其濤

摘要 通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)草坪養(yǎng)護(hù)方式的分析，提出了采用光伏供電、遠(yuǎn)程可控的草坪養(yǎng)護(hù)方式，并且在設(shè)計(jì)中采用了分布式單元設(shè)計(jì)，解決了各種校園復(fù)雜地形的布局問(wèn)題。在設(shè)計(jì)中充分考慮環(huán)境和工程因素，使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠，易于施工等。同時(shí)對(duì)單元單體進(jìn)行了測(cè)試和驗(yàn)證，結(jié)果表明該工藝簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)可靠，生產(chǎn)效率高。

關(guān)鍵詞 草坪；灌溉；智能

中圖分類號(hào) S274.2；TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）13-0218-02

Design of Intelligent Irrigation System for Campus Lawn Based on Zigbee

LAI Qi-tao

（College of Information Engineering， Shaoxing Vocational&Technical College， Shaoxing， Zhejiang 312000）

Abstract Through the analysis of the traditional turf maintenance mode， the photovoltaic power supply， lawn maintenance methods of remote control， and distributed unit design were adopted in the design to solve a variety of complex terrain of the campus layout problem. By full consideration of environmental and engineering factors， the design was simple， reliable and easy to construct. The unit cell was tested and verified. The results showed that the process was simple， reliable and efficient.

Key words Lawn；Irrigation；Intelligence

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)生活品質(zhì)的追求越來(lái)越高，學(xué)校管理者對(duì)校園環(huán)境的建設(shè)也越來(lái)越重視，各級(jí)政府每年也會(huì)對(duì)各級(jí)院校進(jìn)行綠色校園等方面的考評(píng)，環(huán)保、節(jié)能、綠化是主要的考核內(nèi)容?，F(xiàn)在人們一進(jìn)校園往往看到的是一大片綠油油的草坪，校園內(nèi)其他的地方也基本上都鋪上了草坪，很少見(jiàn)到裸露的泥土，雖然環(huán)境相比20世紀(jì)90年代可以用“翻天覆地”來(lái)形容，但是為此所付出的代價(jià)也是巨大的[1]。特別是近幾年勞動(dòng)力市場(chǎng)發(fā)生了較大的變化，人工成本大幅上升。既要美化生活，又要降低成本和節(jié)約能源，這

種理念不斷地推動(dòng)著人們往人工智能的道路上前行，如何節(jié)

約能源、減少勞動(dòng)力、降低成本變得非常有意義。筆者對(duì)校園智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施做了較為詳細(xì)的闡述，設(shè)計(jì)了整個(gè)管路系統(tǒng)和通信控制系統(tǒng)，為了讓系統(tǒng)更加環(huán)保、綠色，還為系統(tǒng)設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)，真正達(dá)到了綠色、環(huán)保、智能。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

校園草坪一般分布范圍寬、形狀各異，為了安裝和維護(hù)比較簡(jiǎn)單，采用了單元分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一個(gè)單元自成系統(tǒng)，然后通過(guò)積木式搭建構(gòu)成系統(tǒng)，智能灌溉網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1中共由4個(gè)智能灌溉單元構(gòu)成，1個(gè)光伏發(fā)電單元，1個(gè)市政進(jìn)水管網(wǎng)系統(tǒng)。每個(gè)單元擁有10個(gè)噴水接口，設(shè)計(jì)工作水壓0.04 MPa（國(guó)家自來(lái)水標(biāo)準(zhǔn)水壓0.06 MPa），噴射有效半徑為3 m（不留死角），這樣一個(gè)噴頭有效覆蓋面積為S=πr2=28.26 m2。

按此計(jì)算一個(gè)單元覆蓋的面積為282.60 m2，所以在實(shí)際工程中根據(jù)有效的草坪面積可以簡(jiǎn)單計(jì)算出所需要的單元數(shù)量，使工程預(yù)決算變得簡(jiǎn)單方便[2]。每個(gè)單元都放置了1個(gè)Zigbee通信控制系統(tǒng)，可以和網(wǎng)關(guān)直接通信，也可以作為路由器來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)，控制系統(tǒng)可以接受上位機(jī)下達(dá)的指令進(jìn)行操作，也可以根據(jù)土壤傳感器、水管壓力傳感器等采集回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行閉環(huán)自動(dòng)控制，上位機(jī)也可以根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髷?shù)據(jù)，預(yù)判天氣情況，進(jìn)行策略控制，節(jié)省能源和水資源，降低成本。為了讓系統(tǒng)安全、環(huán)保，整個(gè)系統(tǒng)全都采用光伏直流24 V供電，真正杜絕了用電安全事故，圖2為單元設(shè)計(jì)示意圖。

整個(gè)系統(tǒng)由控制器、無(wú)線通信模塊、電磁水閥、進(jìn)水壓力傳感器、出水壓力傳感器、手動(dòng)球閥、噴頭及管道組成。無(wú)線通信模塊和控制器集成在一起，用目前使用比較廣泛、由TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片為主芯片設(shè)計(jì)而成，電磁水閥用24 V直流電磁閥，為了能夠獲得足夠的反饋信息，精確地控制系統(tǒng)，所以在水閥的進(jìn)水和出水部位都安裝了水壓傳感器，但是這會(huì)增加整個(gè)工程的成本。

2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了能讓整個(gè)系統(tǒng)具有智能化，特為校園草坪智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)了具有Zigbee通信的電氣控制系統(tǒng)，控制結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

整個(gè)電控系統(tǒng)由光伏發(fā)電系統(tǒng)、控制器、土壤濕度傳感器、出水壓力檢測(cè)模塊、進(jìn)水壓力檢測(cè)模塊、電磁水閥控制模塊、網(wǎng)關(guān)等模塊組成[3]。

光伏發(fā)電系統(tǒng)為整個(gè)控制單元提供可靠、安全的供電系統(tǒng)，由于整個(gè)控制系統(tǒng)采用工業(yè)24 V供電，所以為系統(tǒng)配置了最大電壓為30 V的光伏電池板，通過(guò)MPPT控制器給系統(tǒng)提供高效穩(wěn)定的24 V直流電源。因?yàn)楣喔认到y(tǒng)只在晴天的時(shí)候給系統(tǒng)澆水，晴天的時(shí)候太陽(yáng)很好，陰天的時(shí)候沒(méi)必要進(jìn)行灌溉，所以系統(tǒng)沒(méi)有備用蓄電池，整個(gè)系統(tǒng)中最耗電的就是電磁水閥，功率約為15 W，其他系統(tǒng)加起來(lái)也不超過(guò)10 W，為了留有足夠的余量，光伏發(fā)電系統(tǒng)最大發(fā)電功率為70 W。

水壓傳感器，為了更加精準(zhǔn)地檢測(cè)出水和進(jìn)水的情況在電磁閥的進(jìn)水和出水都安裝了水壓傳感器來(lái)感知電磁閥開(kāi)關(guān)的狀態(tài)和水管中水壓的情況，水壓傳感器選用24 V，4～20 mA電流型傳感器。

電磁閥是用來(lái)控制管道水開(kāi)關(guān)的器件，由于澆水的時(shí)間不是很多，所以選用常閉電磁閥，電磁閥也選用24 V全銅直流電磁閥。

土壤濕度傳感器，由于要根據(jù)實(shí)際地形情況進(jìn)行布設(shè)，為了使布設(shè)比較簡(jiǎn)單，使用具有Zigbee通信的無(wú)線土壤濕度傳感器，采用電池供電，由于系統(tǒng)采用低功耗設(shè)計(jì)，電池可以保證2年以上的使用壽命[4]。

控制器負(fù)責(zé)整個(gè)灌溉系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，核心控制的CPU采用目前市場(chǎng)的最常用的stm32 cortex-m3的核，該系列價(jià)格便宜、性能穩(wěn)定、開(kāi)發(fā)資料齊全[5]。

3 控制流程

圖4為控制系統(tǒng)開(kāi)閥門控制流程圖，系統(tǒng)啟動(dòng)首先載入自動(dòng)策略控制模式，然后通過(guò)無(wú)線Zigbee通信系統(tǒng)檢測(cè)土壤濕度傳感器數(shù)據(jù)，帖數(shù)據(jù)決定系統(tǒng)是否進(jìn)行澆灌。在開(kāi)啟澆灌之前，先檢測(cè)水壓是否正常，如果不正常的話通過(guò)網(wǎng)關(guān)發(fā)

出告警通知維護(hù)人員進(jìn)行維護(hù)，如果正常的話打開(kāi)閥門，之后檢測(cè)出水壓力，如果異常的話也向網(wǎng)關(guān)發(fā)出告警信號(hào)通知維護(hù)人員進(jìn)行維護(hù)[6]。澆灌系統(tǒng)打開(kāi)之后，不斷地檢測(cè)土壤濕度是否達(dá)到關(guān)閉閾值，如果達(dá)到則關(guān)閉水閥。

4 結(jié)論

該設(shè)計(jì)在控制系統(tǒng)中增加了Zigbee通信方式解決了當(dāng)前生產(chǎn)中維護(hù)費(fèi)時(shí)、費(fèi)力的工作方式，在一定程度上提高了生產(chǎn)效率。并且在設(shè)計(jì)中重視供電電源的安全、可靠，采用了光伏分布式供電方式，在用電上保證了安全，并且也解決了電路布線問(wèn)題，真正做到了綠色環(huán)保，應(yīng)用前景較好。

參考文獻(xiàn)

[1] 郁曉慶，吳普特，韓文霆，等.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2013，31（1）：66-69.

[2] 黃建軍，陳西曲. 基于Modbus TCP/IP通信的研究與實(shí)現(xiàn)[J].信息技術(shù)，2014（5）：162-164.

[3] 于嵩，敖長(zhǎng)林，袁成明.智能灌溉系統(tǒng)的可靠性仿真研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2012，34（2）：63-65

[4] 寇恒.西門子PLC與HMI的以太網(wǎng)通訊的應(yīng)用[J].天津職業(yè)院校聯(lián)合學(xué)報(bào)，2014（5）：51-52.

[5] 肖克輝，肖德琴，羅錫文.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精細(xì)農(nóng)業(yè)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（11）：170-175.

[6] 金宏智，嚴(yán)海軍，錢一超.國(guó)外節(jié)水灌溉工程技術(shù)發(fā)展分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010，41（S1）：59-63.