基于ZigBee無線傳感技術的自動化滴管系統設計

吳旭

(息烽縣水務管理局，貴州 息烽 551100)

0 引言

中國農業發展的主要問題包括水資源短缺、水資源利用率低以及水資源分配不均等問題，尤其在干旱區，以上問題表現更為突出。灌溉自動化是提高農業水資源利用率的有效途徑，尤其是滴管技術，針對性更強，是解決干旱區農業用水的理想途徑。多年來，中國大部分滴灌系統靠人工經驗控制，沒有實時的數據采集和分析，任意滴灌量很大。因此，研究自動滴灌系統具有重要意義。

灌溉自動化的實施要求如下：①作物需水量的準確采集；②需水信息的遠程傳輸與控制；③滴灌控制決策。

國內外開展了許多研究，然而，依然有很多問題無法解決：①目前滴灌控制系統大多采用串行總線或現場總線技術工作，布線不便、成本高、耗時較長，在實際應用中很難推廣。②自動滴灌是一個較為復雜的灌溉系統，并且受多種外界因素影響，任何一個環節都可能制約灌溉的進行，因此到目前為止仍然缺乏適當的控制策略。

基于此，許多專家學者開始將無線技術應用于滴灌系統，其中ZigBee技術以其低功耗、低成本、延時短以及高安全性能等特點受到廣泛關注。以往的滴灌系統往往只考慮土壤水分信息，忽略了作物和環境信息，導致決策不夠準確。文中提出的自動灌溉系統由網絡節點組成，避免了布線靈活性差的缺點，并且系統還能夠對土壤水分、溫度、光照強度等信息進行連續性在線觀測，最終完成自動化灌溉控制，提高灌溉用水效率，從而緩解了日益緊張的水資源矛盾。

1 系統硬件設計

1.1 系統組成

自動化灌溉系統包括三個組成部分：①滴灌系統，②ZigBee無線網絡，③監控中心。通過實時監測土壤濕度、溫度、光照強度和作物水分利用規律等信息，采用模糊控制策略實現自動滴灌，如圖1所示。

圖1 系統功能圖

1.2 系統設計

在取水處安裝控制節流閥、泥沙過濾器以及壓力測量傳感器，包括一個直徑為32 mm的PVC滴頭支管，支管連接電磁閥前端，流量為2.30 L/h，以及電壓為24 V的壓力表。分支間距不能太小，以防止因水分滲入而引起的線間干擾，并將初始線間距設置為1 m。將水分傳感器安裝在植物根系附近的土體，光敏傳感器以及溫度傳感器固定在植物附近。

1.3 ZigBee無線網絡節點設計

在設計中，三種節點(傳感節點、控制節點和路由節點)都使用TI的CC2430作為通用核心模塊，并使用不同的擴展模塊，如圖2所示。CC2430功能強大，片上資源豐富，只需很少的外部器件就可以實現信號收發功能，這使得三種節點的硬件設計非常簡單、可靠、實用。

圖2 控制節點組成框圖

1.3.1 ZigBee無線傳感器節點設計

水分測量傳感器的測量精度為3%，量程為0%～100%，工作電壓12 V直流，通電后穩定時間2 s，能滿足實時監測的要求。輸出信號經高精度電阻轉換為0～5 V電壓，再經CC2430模塊轉換為數字信號，根據不同的電壓幅值可以確定土壤濕度。STHO01應埋入地下，其位置和滴灌開始時間接近數據精度和時間。一般作物根系深度為10～20 cm，滴灌濕潤時間為5-30 min，因此傳感器埋深設置為15 cm，滴灌后開啟時間設置為20 min，通過天線接收和傳輸信號。當電池電壓過低時會進入休眠模式，直至充滿電。

1.3.2 ZigBee無線網絡滴灌控制節點和路由節點的設計

1.3.2.1 土壤水分節點

現場測量最重要的參數是土壤濕度。土壤水分是土壤顆粒間的水分。土壤濕度有兩個不同的水平，即：土壤上部10 cm的表面水分和根區20～40 cm的土壤水分。土壤水分是決定灌溉時間和供水量的關鍵參數。據觀察，大部分時間農田都過度灌溉。超過所需水量可防止氮素被根系利用，并防止根系缺氧。隨后，降低了生產率。不同的作物需要不同的濕度才能實現最佳生長，被稱為最大允許消耗(MAD)。過度灌溉導致能源和自然資源的浪費，探討了固態濕度傳感器的各種選擇，其中，200SS-V是最受歡迎的適合土壤水分測量的傳感器。

1.3.2.2 溫度傳感器節點

土壤和周圍大氣溫度對灌溉調度起著至關重要的作用，大氣溫度的異常變化導致預定灌溉計劃的變化。通常，由于蒸發過程，工廠附近的溫度較低，如果植物從土壤中吸收的水比植物附近保持的溫度低2℃～4℃，植物的應力狀態可以通過密切監測植物附近的溫度來檢測。由于測量范圍有限、體積小，LM-35是測量現場溫度最合適的傳感器。

2 系統軟件設計

2.1 模糊控制策略設計

作物需水量主要受作物類型、土壤中水分分布以及氣象條件密切相關，因此，系統選擇土壤濕度分布、溫度分布以及光照強度分布等作為模糊控制器的輸入條件。模糊控制器輸入土壤水分(WH)、溫度(WT)和光照強度(WL)，輸出為灌溉時間(WT)，如圖3所示。為了保證適當的準確性，定義了五個變量：非常輕(VL)、輕(L)、中(M)、重(H)、非常重(VH)。模糊推理：基于一定的構架推理運行機制，輸入模糊條件得出模糊輸出值。因此，大多數規則是由經驗總結得到，如含水量水平，當土壤含水量低于下限時，表明此時土壤極為干燥，無論其他輸入水平如何，作物都需要大量灌溉。在實踐中，不同的情況也需要調整規則，逐步創造出最佳的灌溉方案。

圖3 模糊控制器的結構原理圖

2.2 節點軟件設計

傳感器節點是在基于PIC16F877A的單片機平臺上開發的，XBEE系列2基于ZigBee/802.15.4。通過在每個節點上提供土壤濕度和溫度的本地顯示，每個節點由鋰離子電池供電。通過重新監測信道狀態，信號可采用數值顯示和曲線顯示兩種方式顯示，采集步驟可設定為20 min。傳感器信號和輸出控制信號可定時自動保存并輸出到界面進行觀察和比較。

3 應用與驗證

系統的初始測試是在葡萄園的滴灌。葡萄園采用固定式地面滴灌系統，每一區塊有一根主管和一些分支管，主通道末端安裝有電動控制閥，每個電子控制閥與一個無線傳感器網絡控制器節點相連，控制塊的滴灌時間。在實驗中，選擇了四個模塊，分別圍繞模塊控制器節點距離70～120 m，不同的傳感器節點分布在模塊周圍一個近似的正方形區域內，并且每個模塊的傳感器節點數量不超過3個，而基站(路由器節點)距離傳感器節點最遠為250 m。實驗結果表明，基站距離傳感器節點200 m時，單次通信錯誤率低于2%。系統會采用反復綜合判斷，提高通信可靠性。此外，電子閥控制精度越高，系統的整體運行狀況越好。

4 結論

文中提出了一種自動化灌溉控制系統，該系統通過模糊控制法對土壤水分進行在線監測，實現土壤水分的模糊控制和作物水分利用規律，為滴灌自動化建立精確的數學模型。該設計避免了繁雜的線路布置工作，大大提高了滴灌控制系統的靈活性以及可操作性。不僅能有效解決農業灌溉用水問題，緩解日益緊張的水資源矛盾，而且能為作物提供更好的生長環境，該系統還支持對多種作物進行遠程參數設置和控制，可以提高滴灌質量，具有很大的應用價值。