ZigBee技術(shù)在昌吉市棉花智能化滴灌中的應(yīng)用

范治璇，楊樹楠，彭朝暉

（1.昌吉市濱湖鎮(zhèn)農(nóng)機(jī)管理站 新疆 昌吉市 831102；2.昌吉市濱湖鎮(zhèn)林業(yè)站 ）

智能化加壓滴灌是一種高效節(jié)能省水增產(chǎn)的微灌技術(shù)，它具有很多優(yōu)點(diǎn)，適合新疆自然氣候條件，具有良好的推廣前景。昌吉市濱湖鎮(zhèn)作為昌吉市北片區(qū)2萬(wàn)hm2高效節(jié)水核心示范鎮(zhèn)，2013年共完成節(jié)水灌溉面積3 100 hm2，其中重點(diǎn)實(shí)施的66.7 hm2棉花智能化滴灌項(xiàng)目采用了ZigBee無(wú)線自組網(wǎng)控制技術(shù)。該技術(shù)方便的實(shí)現(xiàn)了灌溉的全自動(dòng)控制，并且施工難度小，軟硬件支撐好，節(jié)省人力物力，取得良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。先進(jìn)的無(wú)線控制技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步加速了農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉智能化進(jìn)程，起到良好的示范效應(yīng)。

1 昌吉市濱湖鎮(zhèn)棉花智能化滴灌項(xiàng)目概況

濱湖鎮(zhèn)位于昌吉市以北9公里處，下轄7個(gè)村委會(huì)，共有11 025人口，總耕地面積5 700 hm2，主要種植作物為棉花。隨著土地整合的順利推進(jìn)、集約化大農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，棉花種植實(shí)現(xiàn)全程機(jī)械化自動(dòng)化，已成為濱湖鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的新亮點(diǎn)。棉花智能化滴灌項(xiàng)目選定在濱湖鎮(zhèn)下泉子村實(shí)施，示范區(qū)地塊面積66.7 hm2，項(xiàng)目?jī)?nèi)容主要以棉花智能化滴灌為主并且積極推廣棉花機(jī)械化采摘綜合配套技術(shù)，每塊條田寬600～650 m，水源為機(jī)井供水（蓄水池儲(chǔ)水），種植作物為棉花，株行距66+10 cm，確定滴灌工程的布置形式為:地表水源→首部→地埋干管→地埋支管→滴灌管的形式?？紤]滴灌與自動(dòng)化工程的結(jié)合，確定分干管兩邊鋪設(shè)支管為長(zhǎng)短管形式。

濱湖鎮(zhèn)實(shí)施的棉花智能化灌溉項(xiàng)目是通過Zig－Bee無(wú)線通訊控制組件實(shí)現(xiàn)灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)和灌溉信息、多媒體信息傳輸系統(tǒng)的連接，形成了更高層次的農(nóng)業(yè)灌溉物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。棉花智能化灌溉系統(tǒng)由主控計(jì)算機(jī)、控制器和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集設(shè)備等組成，整合了自動(dòng)氣象站和中央控制器及田間控制器。各類傳感器、控制器通過ZigBee數(shù)傳模塊對(duì)田間土壤溫濕度、空氣溫濕度等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行采集，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤和氣象參數(shù)，輸入計(jì)算機(jī)，通過灌溉管理計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)分析，按最優(yōu)方案產(chǎn)生控制命令，控制各個(gè)閥門的開啟及水泵的運(yùn)行狀態(tài)，科學(xué)有效地控制灌水時(shí)間、灌水量、灌水均勻度，實(shí)現(xiàn)灌溉的智能化。

圖1 智能滴灌無(wú)線傳輸控制信息運(yùn)行示意

2 ZigBee無(wú)線控制技術(shù)在棉花智能化滴灌項(xiàng)目中的應(yīng)用情況

2.1 ZigBee技術(shù)介紹

ZigBee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于無(wú)線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案。主要用于近距離無(wú)線連接。ZigBee依據(jù)802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，可在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，所以通信效率非常高。

ZigBee作為一種低速率的短距離無(wú)線通信技術(shù)，適合應(yīng)用于傳感和控制領(lǐng)域。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站，通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的75m到幾百米、幾公里，并且支持無(wú)限擴(kuò)展。在IEEE802.15.4規(guī)范下，工作頻率為2.4 GHZ和868/915 MHZ，作為一種高可靠的無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。

2.2 項(xiàng)目采用的ZigBee性能參數(shù)及無(wú)線控制模塊的類型

濱湖鎮(zhèn)建設(shè)實(shí)施的棉花智能化滴灌項(xiàng)目區(qū)面積為66.7 hm2，田間灌溉自動(dòng)化控制設(shè)備均采用高性能的工業(yè)級(jí)ZigBee應(yīng)用設(shè)計(jì)方案，提供SMT與DIP接口，可直接連接TTL接口設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸功能；電源輸入DC 2.0～3.6 V，具備WDT看門狗設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠；提供UART串口，低功耗設(shè)計(jì)，支持多級(jí)休眠和喚醒模式，最大限度降低功耗，最低功耗小于1 uA；提供5路I/O，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字量輸入輸出、脈沖輸出；其中有3路I/O還可實(shí)現(xiàn)模擬量采集、脈沖計(jì)數(shù)等功能。

棉花智能化滴灌系統(tǒng)中使用F8913D ZigBee模塊并采用2.4 HZ無(wú)線自組網(wǎng)自動(dòng)控制技術(shù)。各控制接收設(shè)備中使用的F8913D ZigBee模塊已經(jīng)包含了所有外圍電路和完整協(xié)議棧能夠立即投入使用的產(chǎn)品，模塊經(jīng)過了廠家的優(yōu)化設(shè)計(jì)和老化測(cè)試，有很好的質(zhì)量保證。F8913D zigBee應(yīng)用模塊通訊距離在100～2 500 m之間，在硬件上設(shè)計(jì)緊湊，體積小，采用貼片式焊盤設(shè)計(jì)，可以內(nèi)置Chip或外置SMA天線，還包含了ADC、DAC比較器，多個(gè)IO、I2C等接口與相應(yīng)器材對(duì)接。

2.3 ZigBee無(wú)線傳輸控制模塊的優(yōu)點(diǎn)

棉花智能化滴灌系統(tǒng)中使用ZigBee無(wú)線傳輸控制模塊有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）低功耗。在低耗電待機(jī)模式下，4節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作12個(gè)月以上。這是Zig－Bee的突出優(yōu)勢(shì)。相比較同等能耗下，藍(lán)牙可工作數(shù)周、WiFi只能工作數(shù)小時(shí)。

（2）低成本。通過大幅簡(jiǎn)化協(xié)議（不到藍(lán)牙的1/10），降低了對(duì)通信控制器的要求，ZigBee免協(xié)議專利費(fèi)，每塊芯片的價(jià)格大約為13元。

（3）低速率。ZigBee工作在20～250 kbps的速率，分別提供 250 kbps(2.4GHz)、40 kbps(915 MHz)和20 kbps(868 MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。

（4）近距離。相鄰節(jié)點(diǎn)間的傳輸距離范圍一般介于10～100m之間，在增加發(fā)射功率后，亦可增加到1～3 km。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。

（5）短時(shí)延。ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要3～10 s、WiFi需要 3 s。

（6）高容量。ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，一個(gè)主節(jié)點(diǎn)最多可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65 000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。

2.4 基于ZigBee的棉花智能化滴灌系統(tǒng)的工作方式

基于ZigBee無(wú)線技術(shù)的智能化滴灌系統(tǒng)包含“田間自動(dòng)控制+遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管系統(tǒng)”兩級(jí)工作方式。

第一，滴灌自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)用ZigBee模塊通訊技術(shù)和2.4 G無(wú)線自主組網(wǎng)技術(shù)。系統(tǒng)采用的F8913D ZigBee模塊是一種物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線數(shù)據(jù)終端，利用ZigBee自組網(wǎng)功能提供無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，無(wú)任何通信費(fèi)，能源采用2節(jié)普通1.5 V干電池，可使用6個(gè)月以上，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗；田間自動(dòng)控制可根據(jù)授權(quán)獨(dú)立運(yùn)行，也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)管。

第二,遠(yuǎn)程信息監(jiān)管系統(tǒng)采用“GPRS/3G+Internet”技術(shù)。將土壤墑情測(cè)報(bào)系統(tǒng)、農(nóng)田氣象環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)、作物長(zhǎng)勢(shì)視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、泵前壓力流量能效監(jiān)管系統(tǒng)與田間灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)集成的統(tǒng)一平臺(tái)，形成灌溉專家決策系統(tǒng)，可進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問。田間布設(shè)的ZigBee無(wú)線設(shè)備采集或監(jiān)測(cè)氣候信息、土壤信息、田間信息和作物生長(zhǎng)信息，并將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳到控制中心，在相應(yīng)系統(tǒng)軟件分析決策下，對(duì)終端發(fā)出相應(yīng)灌溉管理指令。

圖2 智能化灌溉系統(tǒng)中央控制室

2.5 基于ZigBee的棉花智能化滴灌系統(tǒng)的運(yùn)行

各類傳感器及監(jiān)測(cè)設(shè)備將土壤、作物、氣象狀況等數(shù)據(jù)通過ZigBee無(wú)線控制模塊傳輸?shù)綁勄樾畔⒉杉荆賯鞯接?jì)算機(jī)中央控制系統(tǒng)，中央控制系統(tǒng)中的各類軟件將匯集的數(shù)值進(jìn)行分析，比如將含水量與灌溉飽和點(diǎn)和補(bǔ)償點(diǎn)比較后確定是否應(yīng)該灌溉或停止灌水，然后將開啟或關(guān)閉閥門的信號(hào)通過中央控制系統(tǒng)傳輸?shù)介y門控制系統(tǒng)，再由閥門控制系統(tǒng)實(shí)施某個(gè)輪灌區(qū)的閥門開啟或關(guān)閉，以此來實(shí)現(xiàn)滴灌的智能化。

圖3 基于ZigBee技術(shù)的氣象監(jiān)測(cè)站

圖4 由ZigBee無(wú)線模塊遠(yuǎn)程控制的田間監(jiān)測(cè)灌溉設(shè)備

3 應(yīng)用效果分析

3.1 ZigBee無(wú)線控制滴灌技術(shù)優(yōu)勢(shì)

（1）農(nóng)田信息及作物長(zhǎng)勢(shì)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與灌溉自動(dòng)化無(wú)線控制功能，解決了“兩高一低”即高頻率、高強(qiáng)度、低流量的難題，為作物增產(chǎn)提供科技支撐，為項(xiàng)目區(qū)作物提供一個(gè)良好的地、水、肥、氣、熱條件，促使其高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。

（2）應(yīng)用軟件包含了完整的ZigBee協(xié)議棧，并有自己的PC上的配置工具，采用串口和其他設(shè)備進(jìn)行通訊，并可對(duì)模塊進(jìn)行發(fā)射功率，信道等網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮?shù)的配置，使用起來簡(jiǎn)單快捷。

（3）電磁閥開/關(guān)狀態(tài)可實(shí)時(shí)反饋顯示，具有防透水、防爆管功能。

（4）可進(jìn)行輪灌組編制及自動(dòng)執(zhí)行，控制不同灌溉設(shè)備的開閉，具有墑情測(cè)報(bào)功能。

（5）具備灌溉時(shí)間及灌溉水量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)分析、系統(tǒng)故障自動(dòng)診斷、電壓自動(dòng)報(bào)警功能。

3.2 ZigBee技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)生的效益分析

由于ZigBee模塊技術(shù)高靈敏度的傳感和有效的遠(yuǎn)程傳輸控制，監(jiān)測(cè)敏感性大幅提高，水量控制到位，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、環(huán)保效益。

（1）精確供水大幅提高了水的有效利用率。在智能滴灌條件下，灌溉水濕潤(rùn)部分土壤表面，可有效減少土壤水分的無(wú)效蒸發(fā)。同時(shí)，由于滴灌僅濕潤(rùn)作物根部附近土壤，其他區(qū)域土壤水分含量較低，因此，可防止雜草的生長(zhǎng)。滴灌系統(tǒng)不產(chǎn)生地面徑流，且易掌握精確的施水深度，節(jié)水效果達(dá)50%~90%，水的有效利用率可高達(dá)95%~97%。

（2）智能化供水創(chuàng)造了良好的水肥環(huán)境，節(jié)藥增效。通過傳感器ZigBee模塊反饋土壤養(yǎng)分、溫濕度信息給計(jì)算機(jī)，分析并自動(dòng)灌水后，作物根系土壤水分適宜，通透條件良好。注入水中的肥料，還可以提供足夠的養(yǎng)分，使土壤水分處于能滿足作物要求的穩(wěn)定和較低吸力狀態(tài)，節(jié)肥達(dá)20%~40%。灌水區(qū)域地面蒸發(fā)量也小，這樣可以有效控制土壤的濕度，使棉田中作物的病蟲害的發(fā)生頻率大大降低，也降低了農(nóng)藥的施用量，節(jié)省農(nóng)藥10%以上。

（3）作物產(chǎn)量和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)有所提高，經(jīng)濟(jì)效益突出。由于智能化滴灌少量、均勻、持續(xù)的高頻自動(dòng)灌溉技術(shù)促進(jìn)了作物穩(wěn)健、持續(xù)生長(zhǎng)和高產(chǎn)，產(chǎn)量提高8%以上。及時(shí)適量的供水、供肥在提高農(nóng)作物產(chǎn)量的同時(shí)，提高和改善農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)，使農(nóng)產(chǎn)品商品率大大提高，經(jīng)濟(jì)效益高。

（4）智能化控制提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。棉花智能化滴灌項(xiàng)目區(qū)人均管理定額由傳統(tǒng)滴灌的3.33 hm2提高到智能化滴灌的20 hm2，管理費(fèi)則由1 800元/hm2降到300元/hm2。

（5）具有良好的生態(tài)效益。采用智能化滴灌技術(shù)在同等種植條件下減少機(jī)械施肥、打藥、除草工序，提高化肥農(nóng)藥利用率，減少對(duì)環(huán)境的污染。由于灌溉定額大幅降低，可減少對(duì)地下水的補(bǔ)給，防止土壤再鹽堿化，有利于土壤生態(tài)環(huán)境的改善。

4 ZigBee無(wú)線控制技術(shù)應(yīng)用于智能化滴灌系統(tǒng)的意義

ZigBee技術(shù)應(yīng)用于智能化滴灌系統(tǒng)是將無(wú)線通信及信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)相結(jié)合的一種創(chuàng)新理念，是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)施的基礎(chǔ)。安裝ZigBee芯片的無(wú)線控制設(shè)備無(wú)需埋設(shè)線纜連接監(jiān)測(cè)控制器件，系統(tǒng)造價(jià)低，配備的各種感應(yīng)器監(jiān)測(cè)精度高，提高了灌水均勻度，不影響機(jī)械作業(yè)。灌溉過程不需人工手動(dòng)操作，通過無(wú)線傳感和自動(dòng)控制功能即可實(shí)施土壤、氣象（溫濕度）、作物監(jiān)測(cè)及灌水、施肥等農(nóng)田作業(yè)，減輕人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。