基于GPRS和ZigBee無線組網技術的城市公園智能灌溉系統

袁嘉瑤，趙繼紅，劉怡彤，劉 璇

（1.寶雞文理學院數學與信息科學學院 陜西，寶雞 721000;2.寶雞文理學院外國語學院 陜西，寶雞 721000）

我國農業和風景園林的傳統灌溉以統一灌溉為主，方式相對單一，灌溉技術相對而言較為粗糙，水資源循環利用率與其他精細化灌溉方式相比較低，灌溉方式的自動化、信息化程度與一些農業發達國家仍然存在較大的差距。近年來，隨著國家農業和風景園林業的快速發展，水資源的保護和循環利用意識的增強，傳統意義上的灌溉方式的一些缺點愈發凸顯，迫切需要我們優化和改良當前普遍存在的單一粗糙的灌溉方式，提高灌溉效率和水資源循環利用率。推廣和實施節水節能的智能自動化灌溉方式，已成為我國有效緩解水資源危機和實現綠色農業現代化的必然選擇。注意到一些發達國家除了普遍采用的噴灌、微灌等先進的節水灌溉技術之外，還運用了自動化控制技術來保障精確灌溉的控制和實施。這種灌溉技術以農作物或綠化植被實際需要的水量為依據，通過監測系統實時地對監測數據進行統計與精確計算，然后自動調整水量，提高灌溉精準度和提升水的循環利用率。由于智能自動化控制灌溉不僅能夠提高灌溉管理水平，改變人為操作的隨意性與不確定性，更有利于智能化控制灌溉，減少人工成本和水資源的浪費，提高灌溉效率。因此，改變目前普遍存在的粗糙灌溉方式，推廣和實施智能自動化灌溉，減少水資源的浪費和提升灌溉水資源循環利用率，是有效解決灌溉節水問題的措施之一。

我國的智能灌溉系統從20世紀90年代才開始進行開發與研究，起步時間較晚，截止到目前尚未形成系統化的硬件系統與灌溉技術，并且智能自動化灌溉產品種類較為單一，還未形成專業化的質量監測與控制體系，與一些西方發達國家在智能自動化灌溉技術方面還存在較大差距。目前我國的智能自動化灌溉系統雖然仍以進口國外產品為主，但在不斷學習國外先進技術的基礎上，通過自主研發與創新，也形成了一些較好的發明專利和應用產品。但這些智能自動化灌溉產品目前在農業大棚生產設施中實施的較為普遍，對于大面積種植的農業和風景園林園藝中實施的還很少，丘陵地區更是一片空白。李德旺等在文獻中已經指出，風景園林是智能自動化灌溉未來發展的主要市場，國內應加快研發速度，推廣產品，搶占國內外風景園林市場。另外，已有不少文獻關于節水節能灌溉系統進行了研究和討論，例如楊文忠在文獻中綜述了當前我國在農業節水節能灌溉技術方面的研究現狀，并對其發展趨勢進行了討論。潘曉燕在文獻中討論了物聯網技術在農業智能灌溉系統的設計和應用。王田和齊泰輝在文獻中從當前的水利水環境出發討論了節水節能灌溉的必要性和標準，并給出了如何有效實施節水節能灌溉的一些方式。

基于當今社會經濟的快速發展和人們對良好生活環境的迫切需求，為了給我們生活環境中的綠植營造一個更加科學、更加舒適的生長環境，降低室外綠植的枯死率，同時在最大程度上減少水資源的浪費和提高水資源的循環利用，本文設計了一款通過傳感器對植物生長環境進行測定，并結合GPRS和ZigBee無線組網技術進行自主操控的智能自動化灌溉系統。我們選擇傳感器的主要原因是它是一種可以將被測量的物理量按一定的規律轉化成電信號或者其他形式信息輸出的檢測裝置，具有微型化、智能化、多功能化、系統化、網絡化等優點。另一方面，在智能自動化灌溉系統中采用自動控制技術、GPRS和ZigBee無線組網技術、物聯網技術，能實現農作物和風景園林綠植的大面積精準化灌溉，降低人工勞動強度，減少水資源浪費，提高水資源循環利用率，提升綠植種植的自動化和信息化水平，能為智慧綠色農業的發展提供了強有力的保障。下面我們將以禾本科結樓草為例對城市公園智能自動化灌溉系統進行設計與討論。

1 基本功能

我們設計的基于GPRS和ZigBee無線組網技術的城市公園智能自動化灌溉系統要具備以下三個基本功能。

1.1 控制功能

1.1.1 省電功能 系統正常運行可基于固定電源和太陽能電源兩種方式。在系統停止運作時利用太陽能充電系統給蓄電池自動蓄電，并在系統運作過程中，優先使用太陽能蓄電池，而當蓄電池中電能低于30%時系統自動切換至固定電源，剩余電能可供停電等突發狀況時使用。

1.1.2 定時功能 定時功能要求可以自主控制系統開啟和關閉的時間。可以通過設置控制器來控制電磁閥，并利用電磁閥來控制系統的開啟和關閉。

1.1.3 循環功能 循環功能要求可以在編程控制器內預先設定各種運行程序，例如可以設定自動灌溉的開始時間、結束時間、灌溉時長和暫停時間，一旦將程序設置好，系統將會按照設定好的時間進行自動循環灌溉。

1.1.4 暫停功能 在自動灌溉的過程中，系統會通過實時檢測綠植所處的環境（空氣溫度、濕度、光照強度、土壤濕度等指標），當所測得各項數值達到設定標準時，系統能自動暫停灌溉。

1.1.5 陰雨天自動關閉功能 在系統自動灌溉時，如果綠植所處環境突然下雨，要求系統能實時檢測雨量并將開啟自動暫停功能。

1.1.6 急停功能 要求系統具備緊急停止按鈕，來應對一些突發的緊急意外狀況。

1.2 檢測功能

1.2.1 光照強度檢測 我們主要利用照度計來進行光照檢測。我們知道，光照計主要基于光電效應原理，其構成主要包括有感光部分（包括光電池和濾光罩）、電流表（指針和刻度盤）和量程開關三個部分。光電池是由西半導體或硅半導體元件制成，裝在圓形有柄的盒子內，并用電線連接到電流表。光線照射在光電池的光感應面上可產生相應強度的電流，進一步將電流換算成照度值，從而電流表的刻度板上的指鉗示度表示的就是光照強度的讀數，即可以直接由電流表讀光照度值。在光照強度達到設定數值時，灌溉系統可自動開始工作。

1.2.2 土壤濕度檢測 土壤濕度傳感器主要用于測定土壤容積含水量。我們采用了當前比較流行的FDR型土壤濕度傳感器，常用型號HA2001.FDR頻域反射儀是一種用于測量土壤水分的儀器，它利用電磁脈沖原理，根據電磁波在介質中傳播頻率來測量土壤的表觀介電常數(ε)，從而得到土壤容積含水量。FDR型土壤濕度傳感器的優點是簡便安全、定點連續、自動化、寬量程等，是一種很優良的土壤水分測定儀器。以結樓草為例，其適宜生長的土壤濕度在17%～44%之間。由于土壤濕度可能受自然降水的影響，可設定當土壤濕度低于17%時自動開啟灌溉系統，而當土壤濕度高于35%時自動關閉灌溉系統。

1.2.3 空氣溫度和濕度檢測 環境中空氣的溫度和濕度是影響綠植生長十分重要的因素，因此對綠植生長環境中的空氣溫度和濕度進行實時監測十分重要。以結樓草為例，其適宜生長的空氣溫度為20℃~30℃，濕度為60%~70%，因此可設定當檢測儀監測到實時空氣中的溫度或濕度低于適宜值時，自動開啟灌溉系統。

1.3 保護功能

我們要求系統在運行過程中要具有自主保護的功能，而系統在運行過程中電動機軸承溫度過高是經常出現的故障之一。因此，在系統自動運行過程中，要求能實時監測軸承溫度。當電動機軸承溫度過高時，系統應自行停止運轉，以避免發生故障和事故，造成不必要的損失。我們知道380V四級低壓電機軸承允許的溫度范圍是80℃~95℃。因此，可設定檢測儀實時監測電動機軸承溫度，當滾動軸承溫度高于95℃或者滑動軸承的溫度高于80℃時，系統應自動啟動停止功能。

2 灌溉方式

在灌溉方式上，主要借鑒于國外一些先進的灌溉方式，并且根據公園所種綠植的品種進行灌溉方式的調整。我們的設計將主要采用噴灌的方式，這是因為噴灌是主要利用管道將有壓噴頭分散成細小水滴，均勻地進行噴灑，以達到灌溉作物的目的。因此，采用噴灌方式進行灌溉有以下幾個優點：（1）節水節能效果顯著，水的利用率最高可達至80%。在一般情況下，噴灌與地面灌溉相比，一立方米水可以當二立方米水用，能有效減少水資源的浪費，提高灌溉效率。（2）均勻灌溉，能有效防止土壤板結和硬化，有利于農作物和綠植的生長，能改善生態環境和田間小氣候。（3）減少灌溉費用和降低勞動力，并提高農作物收成，增加農民的收入。（4）有效避免因過量灌溉而導致土壤次生鹽堿化，疏松土壤，有效防止土壤的水分流失。（5）有利于加快實現綠色農業的現代化和機械化發展進程。

3 無線傳感網絡技術

在無線傳感網絡技術方面，我們將采用GPRS+Zig-Bee無線組網技術。一方面，GPRS是通用分組無線服務技術的簡稱，是GSM移動電話用戶可用的一種移動數據業務，屬于第二代移動通信中的數據傳輸技術。GPRS和以往連續在頻道傳輸的方式不同，主要以封包式來傳輸數據，使用者所負擔的費用將以其傳輸資料單位計算，并非使用其整個頻道，因此所產生的費用很低。并且，GPRS技術具有不限于通信網絡的束縛，傳輸速度快、性能可靠等特點。另一方面，ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的一種低功耗局域網協議。ZigBee技術是短距離、低功耗的無線通信技術，其特點是近距離、低數據速率、復雜度低、功耗低。主要適合用于自動控制和遠程控制，可以嵌入多種設備當中。總的來說，ZigBee就是一種性價比高，功耗較低的短距離無線組網通訊技術。

4 總結

本文主要通過傳感器以及GPRS+ZigBee無線組網技術對城市公園智能自動化灌溉系統提出了一種智能操作的設計方案。通過我們的設計方案，管理人員能夠通過遠程實時監測灌溉過程中相關數據、并且可以進行遠程控制和調節灌溉設備，進行智能自動化灌溉。本系統的意義在于智能自動化灌溉不僅能夠提高灌溉管理水平，改變人工的隨意性與不確定性，同時智能自動化灌溉能夠減少灌溉用工，節約水資源，減少水資源的浪費，提高水資源的循環利用，提升灌溉效率，增加生產效益和改善生態系統。該系統可以使水資源在農田灌溉中的利用率得到有效地提升，使農田灌溉的自動化及信息化水平得到有效的提升，為區塊鏈在農業中的應用及智慧農業的發展做好充分的鋪墊。