基于ZigBee的智能滴灌控制系統

劉悅沆，熊瑞平，陳貴全，彭 博，徐毅松

（四川大學 機械工程學院，四川 成都 610065）

0 引 言

近年來“精準農業”的概念在全國范圍內大力推廣，精準農業的有效實現取決于農業灌溉技術的發展，其中農業滴灌的方式日趨流行，實現智能化滴灌是主要研究內容[1]。國內外大部分農業地區仍采用傳統滴灌模式，不僅布線復雜，往往還會因為電力傳輸的損耗或電纜接觸不良等問題導致滴灌無法正常進行[2]，同時傳統滴灌模式的滴灌水量依賴于人工控制，導致水資源利用率低下，浪費較大，運行成本高。

現如今，無線傳感技術ZigBee發展迅速，它具有功耗低、成本低、網絡節點容量大、組網方便快捷等優點[3]，數據能夠通過ZigBee協議進行無線傳輸，解決了因環境復雜而導致的布線困難問題；模糊控制智能算法參考了專家經驗建立了模糊控制規則[4]，系統能夠自動決定滴灌水量和滴灌時間，智能化程度較高，減少了人工干預，適用于類似滴灌系統的控制系統；上位機軟件LabVIEW具有可視化的圖形式編程語言[5]，能夠在較短時間內開發出一套簡潔、明了、易操作的上位機軟件，方便相關人員學習上位機軟件的操作。

1 系統總體設計

智能滴灌控制系統主要由現場ZigBee網絡、監控中心、遠程用戶組成，系統結構示意圖如圖1所示。

圖1 智能滴灌控制系統結構

系統分為三層結構。

底層的現場ZigBee網絡是由若干個ZigBee現場節點組成，ZigBee現場節點能夠采集現場的土壤濕度、大氣溫濕度、光照強度等信息，接收控制命令控制各區域電磁閥的開閉，以此實現各區域滴灌功能的開啟與關閉。

系統的第二層為監控中心，監控中心能夠實時監控溫濕度、光照強度、電磁閥狀態等現場數據，并將現場數據存入數據庫，同時還能夠通過智能算法自動發送控制指令，控制各區域滴灌功能的開啟或關閉。

第三層的遠程用戶能夠在各地使用不同設備登錄監控軟件服務器查看監控中心實時數據。

現場ZigBee網絡通過ZigBee協議使得各節點能夠通信，進行數據交流，并能同時與監控中心上位機接入的ZigBee模塊通信，從而進行現場與監控中心的數據交流。上位機軟件通過互聯網接入云服務器，遠程用戶可以在不同設備上通過監控軟件接入云服務器查看現場實時數據。

1.1 ZigBee現場節點

ZigeBee模塊相比WiFi和藍牙模塊能夠容納更多的組網節點，功耗與后期維護成本低，且能夠通過AT命令自組網，自動選擇最優路徑傳輸數據[6]，使得ZigBee模塊成為智能滴灌控制系統的最優選擇。ZigBee網絡節點結構如圖2所示。

圖2 ZigBee網絡節點結構

ZigBee網絡節點的主控芯片選擇AT89S51的8位MCU，通過TTL轉串口的方式與ZigBee模塊CC2530通信。

節點供電采用多晶5 V太陽能電池板，可提供的峰值電流達60 mA，能夠滿足ZigBee網絡節點正常工作的需求。

土壤濕度檢測采用TELESKY 5 V土壤濕度傳感器，該傳感器的叉型設計能方便插入土壤，其表面采用鍍鎳處理，加寬了感應面積，提高了導電性，能夠防止傳感器接觸土壤而生銹，延長了儀器的使用壽命。傳感器輸出和單片機的A/D模塊相連，通過A/D轉換可以精確檢測土壤濕度。

大氣溫濕度采用DHT12數字式溫濕度傳感檢測，此傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合型傳感器，通過I2C與單片機通信。

光照強度傳感器選擇BH1750FVI光照小球傳感器，它能夠直接進行數字輸出，省略了復雜的計算過程，模塊內部包含電平轉換，與單片機I/O口連接就能獲取準確的光照強度數值。

系統采用能夠進行自保持的ZCZ58-50B電磁閥，這種電磁閥只在需要開啟或關閉時消耗一點電能，工作電壓為12 V，供電采用2個6 V的多晶太陽能板串聯為其供電。

1.2 監控中心

監控中心主要由上位機軟件、數據庫、PC機組成。監控中心的上位機軟件采用LabVIEW圖形式編程語言開發，用戶可以在監控中心上位機軟件中對現場各滴灌區域的土壤濕度、大氣溫濕度、光照強度、電磁閥狀態、滴灌時間等數據進行實時監控與管理，監控中心也可以通過模糊控制智能算法自動或手動向現場電磁閥發送控制命令。以上數據均按日期編號，存入ACESS數據庫，用戶可以通過上位機軟件訪問查詢歷史數據，掌握植物生長的整體情況。監控中心的功能如圖3所示。

1.3 遠程用戶

監控中心的上位機軟件接入云服務器，將現場數據同步到云服務器中，基于Windows和Android系統將監控軟件安裝在遠程用戶的電腦或智能手機上，用戶登錄接入云服務器的監控軟件便可以獲取現場數據，對現場進行實時監控。

2 模糊控制智能算法

2.1 模糊控制的結構設計

在傳統的滴灌系統中，都是人為控制電磁閥的開啟與關閉，對滴灌的用水量缺少精確把控。在智能控制系統中，需實時監控現場數據，系統根據反饋的數據進行智能算法分析，從而對系統的輸出做精確調整，達到高效的滴灌狀態。但目前大多數算法均通過已知的數學模型建立，一旦系統運用在農業滴灌中，不確定性、波動性、滯后性較大，因此建立精確的數學模型難度較大[7]。模糊控制智能算法無需建立精確的數學模型，它是基于專家經驗和相關知識建立起來的控制器，能夠模仿人的思維方式決策[8]。目前在關于滴灌的模糊控制之中，大多只將當前土壤濕度作為模糊控制的輸入量，但作物的生長需水情況不僅僅要考慮當前土壤濕度，還包括土壤自身水分的蒸騰量、滲漏量、降雨量等，這些因素都直接或間接影響土壤濕度，從而影響植物從土壤之中能夠獲取的水分。外界因素對土壤濕度的影響可以用土壤濕度的變化率表示，所以將模糊控制器的輸入量設置為土壤濕度和土壤濕度的變化率。

建立二維輸入單輸出模式的模糊控制器，二維輸入量分別為土壤當前濕度En與土壤濕度的變化率H，輸出變量則為滴灌電磁閥開啟的時間T。模糊控制器為相關專家經驗建立起模糊控制規則以及模糊推理結果的解模糊化。模糊控制大致結構如圖4所示。

圖4 模糊控制結構

2.2 模糊控制的實現

MATLAB 2018中的Fuzzy Logic Toolbox提供了豐富的模糊控制相關函數與組件，通過相關函數與組件向導式編程，可建立智能滴灌的模糊控制智能算法。

借助MATLAB部署工具（Deployment Tool）將模糊控制智能算法打包成庫文件，生成.NET Framework程序集。上位機軟件LabVIEW提供豐富的API接口，支持.NET外部互聯功能。LabVIEW編寫的上位機軟件借助現場傳感器檢測的數據與模糊控制智能算法便可計算出最終的滴灌時間，發出準確的滴灌命令。

3 系統程序實現

基于ZigBee的智能滴灌系統中的監控中心能夠實時監測ZigBee現場網絡的數據并向ZigBee現場網絡自動或手動發送滴灌控制命令。系統控制分為自動滴灌模式和手動滴灌模式，自動滴灌模式下系統每5 min對數據進行一次采集整合計算，刷新滴灌時間；手動模式是指由操作人員手動控制各區域電磁閥。系統程序流程如圖5所示。

圖5 系統程序流程

為方便相關人員操作該智能系統，設計的監控中心上位機界面簡潔、易操作。

用戶可隨意切換自動滴灌模式和手動滴灌模式，界面上的4個區域分別代表實際農田中劃分的4個滴灌區域，每個區域可分別監控其傳感器數據和滴灌功能的開閉。

自動滴灌模式界面如圖6所示。

圖6 自動滴灌模式界面

手動滴灌模式界面如圖7所示。

圖7 手動滴灌模式界面

4 結 語

通過對基于ZigBee的智能滴灌系統的設計與研究，可以得到以下結論：

（1）通過ZigBee協議進行現場與監控中心的無線數據傳輸與控制命令發送，減少了系統布線，能使系統運行更加穩定，提高了滴灌系統的灌溉效率；

（2）模糊控制智能算法結合專家經驗能夠自動決策田間的滴灌時間，減少了人為干預，極大程度減少了農業水資源的浪費；

（3）智能滴灌系統的現場數據均可在監控中心或遠程用戶智能設備上的監控軟件中實時監控與查看，實現了數據在線監測，符合智能農業的理念。