基于ZigBee的水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧曉棟 張文清 翁紹捷

摘要：針對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉過程中水資源浪費(fèi)嚴(yán)重以及施肥造成的環(huán)境污染現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了基于ZigBee的水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)。系統(tǒng)將實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送至服務(wù)器，用戶在服務(wù)器端通過組態(tài)王軟件控制水池、肥料池或者混合池電磁閥的打開，進(jìn)而用滴灌的方式對(duì)農(nóng)田進(jìn)行水或者水肥的灌溉。試驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)在1 500 m的范圍內(nèi)能夠正常將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)傳送至服務(wù)器，同時(shí)服務(wù)器的控制模塊在人為的條件下能夠?qū)Υ筇镞M(jìn)行灌溉。

關(guān)鍵詞：ZigBee；水肥一體化；智能控制；灌溉系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP29；S275 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）03-0690-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.03.048

Design of Intelligent Water and Fertilizer Irrigation System based on ZigBee Platform

DENG Xiao-dong， ZHANG Wen-qing， WENG Shao-jie

（College of Mechanic and Electronic Engineering， Hainan University， Haikou 570228， China）

Abstract： Aiming at the phenomena of wasting water and fertilizer which had caused environmental pollution in the process of agricultural irrigation， the intelligent irrigation system for integration of water and fertilizer based on ZigBee platform was designed. The real time data of farmlands collected by data acquisition module could be sent to the server through net of ZigBee where the users can control switches of water， fertilizer pool or mixing pit through the software of kingview. So the farms could be irrigated with water or the mixture of water and fertilizer to retrench water and fertilizer. Experiment of the system proved that the real data of farmlands collected by data acquisition module could be sent to the server well within 1 500 m， and the users can irrigate the farmland through the control module of the server.

Key words： ZigBee； integration of water and fertilizer； intelligent control； irrigation system

水資源分布不均、可利用的人均水資源較少以及水資源使用過程中造成的浪費(fèi)現(xiàn)象是目前中國在農(nóng)業(yè)灌溉方面所面臨的問題[1-3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前所采用的大水漫灌、溝灌等灌溉方式的水源利用率僅為40%[4]。與此同時(shí)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中所使用的肥料不僅利用率低而且還經(jīng)常造成環(huán)境污染，例如土壤板結(jié)現(xiàn)象[5-7]、江河湖水富營養(yǎng)化[8，9]等問題。水肥一體化技術(shù)通過滴灌將水或水肥送至植物的根部，不僅能有效提高水肥的利用效率，減少資源浪費(fèi)，同時(shí)還能提高糧食產(chǎn)量，增加農(nóng)民的收入，進(jìn)一步提高中國的農(nóng)業(yè)綜合生產(chǎn)能力[10]。

ZigBee無線通信技術(shù)[11，12]具有智能化、信息的時(shí)效強(qiáng)、較廣的覆蓋區(qū)域以及支持同時(shí)同步采集多路傳感器數(shù)據(jù)等特點(diǎn)。為此，結(jié)合大田環(huán)境特點(diǎn)和對(duì)水分監(jiān)測、灌溉控制的要求，設(shè)計(jì)了基于ZigBee的水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有組網(wǎng)方便、低功耗性能以及較強(qiáng)的延展性，其設(shè)計(jì)改變了傳統(tǒng)的有線監(jiān)測控制方式。系統(tǒng)工作時(shí)，觀測者通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)大田各個(gè)位置的ZigBee協(xié)調(diào)器采集到的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)還可以通過網(wǎng)絡(luò)直接對(duì)大田進(jìn)行水肥的澆灌。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采取C/S架構(gòu)，其結(jié)構(gòu)分為兩部分：監(jiān)測控制中心和無線傳感器的組網(wǎng)。其中，無線傳感器的組網(wǎng)由ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、ZigBee路由節(jié)點(diǎn)以及ZigBee終端節(jié)點(diǎn)組成。組網(wǎng)方式采用樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1。ZigBee組網(wǎng)內(nèi)部的結(jié)點(diǎn)分布在大田內(nèi)部，用以完成溫濕度的實(shí)時(shí)采集和傳輸。監(jiān)測控制平臺(tái)由組態(tài)王軟件構(gòu)建，負(fù)責(zé)接收發(fā)送存儲(chǔ)協(xié)調(diào)器通過RS232串行總線發(fā)送給服務(wù)器的溫濕度，并將服務(wù)器反饋的控制信息傳送到電磁閥控制部分。

2 系統(tǒng)上位機(jī)的開發(fā)

上位機(jī)開發(fā)過程使用圖形語言和C語言對(duì)監(jiān)控中心上位機(jī)軟件進(jìn)行編譯。整個(gè)系統(tǒng)采取模塊化設(shè)計(jì)，利用組態(tài)王6.5軟件的圖形語言進(jìn)行系統(tǒng)功能界面的設(shè)計(jì)，同時(shí)利用C語言實(shí)現(xiàn)界面控制、數(shù)據(jù)接收存儲(chǔ)等功能。整個(gè)上位機(jī)的運(yùn)行過程為：監(jiān)控中心接收數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的解析，以獲取生產(chǎn)環(huán)境的實(shí)際情況，并顯示和儲(chǔ)存相應(yīng)的數(shù)值。通過對(duì)數(shù)值的分析，利用組態(tài)王軟件中的控制模塊可以由人工或系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)大田進(jìn)行水肥灌溉。系統(tǒng)的功能界面包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、超限警報(bào)以及對(duì)相應(yīng)電磁閥的控制等。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以顯示大田當(dāng)前土壤及空氣的溫濕度；歷史數(shù)據(jù)用來查詢過往數(shù)據(jù)；超限報(bào)警則對(duì)當(dāng)前狀態(tài)下土壤和空氣溫濕度超過限定數(shù)值時(shí)自動(dòng)報(bào)警，并啟動(dòng)電磁閥控制模塊。系統(tǒng)工作流程如圖2。

3 系統(tǒng)下位機(jī)各部分設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分由數(shù)據(jù)采集、ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件、電磁閥控制以及上位機(jī)四部分組成。數(shù)據(jù)采集模塊采集當(dāng)前大田的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并由ZigBee節(jié)點(diǎn)完成無線傳輸，上位機(jī)則整理、顯示、保存經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送的數(shù)據(jù)，分析后由人工或自動(dòng)開啟相應(yīng)電磁閥的開關(guān)。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊由傳感器和調(diào)理電路等組成。此模塊為ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)對(duì)周圍環(huán)境和土壤的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集傳輸。傳感器選用瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的具有I2C總線接口的溫濕度集成的傳感器SHT11[13]。其溫度的測量范圍為-40～120 ℃，精度為±0.9 ℃（0～40 ℃）或±0.5 ℃（25 ℃）；相對(duì)濕度的測量范圍為0%～100%，精度為±0.3%，滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的需要。其內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和接口如圖3。

3.2 ZigBee節(jié)點(diǎn)軟硬件的設(shè)計(jì)

ZigBee節(jié)點(diǎn)具有自組網(wǎng)、低功耗、自愈能力強(qiáng)等特點(diǎn)，由協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)組成，用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送功能。系統(tǒng)ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件部分選取的是TI公司生產(chǎn)的CC2430芯片。該芯片內(nèi)置8051內(nèi)核，符合2.4 GHz的ZigBee通信協(xié)議，能順利完成系統(tǒng)無線收發(fā)的過程[14]。ZigBee組網(wǎng)選用了樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)采集模塊將采集的數(shù)據(jù)傳送至路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)將收集到的數(shù)據(jù)以自組網(wǎng)的形式傳送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)選用全功能設(shè)備，負(fù)責(zé)收集路由節(jié)點(diǎn)傳送來的參數(shù)，然后將其通過RS232串口傳輸至監(jiān)控中心。

ZigBee節(jié)點(diǎn)軟件部分設(shè)計(jì)選用模塊開發(fā)的方式，主要包括數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、事件處理和協(xié)調(diào)模塊、計(jì)算處理模塊、低功耗的底層驅(qū)動(dòng)模塊以及傳感器數(shù)據(jù)采集模塊和封裝模塊。同時(shí)軟件部分設(shè)計(jì)結(jié)合多任務(wù)處理與消息循環(huán)機(jī)制，通過事件發(fā)送來觸發(fā)和完成各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)通信[15]。系統(tǒng)ZigBee節(jié)點(diǎn)的軟件模塊和運(yùn)行機(jī)制框圖如圖4。

3.3 電磁閥控制部分的設(shè)計(jì)

水肥一體化中的滴灌技術(shù)使得水或水肥的流量不用過快過猛，因此控制部分采取電磁閥即可。根據(jù)水池、肥料池和混合池內(nèi)物質(zhì)狀態(tài)，系統(tǒng)內(nèi)需求液態(tài)和粉態(tài)兩種電磁閥。水池和廢料池選用ZCS DN25型液用電磁閥，其采用25 mm通徑和常閉操作，具有耐腐蝕性。廢料池介于混合池上方，打開電磁閥后依靠肥料自身重力倒入混合。為防止肥料堵塞采用ZQDF DN40型防腐蝕電磁閥，其采用50 mm通徑和常閉操作。電磁閥控制電路圖如圖5。

4 系統(tǒng)測試

4.1 ZigBee通信距離和丟包率的測試

為取得系統(tǒng)工作的最優(yōu)參數(shù)，在海南大學(xué)儋州校區(qū)機(jī)電工程學(xué)院試驗(yàn)基地進(jìn)行系統(tǒng)測試。選取以100 m為間隔、直線距離為1 700 m長的距離測試，系統(tǒng)每秒發(fā)送13個(gè)數(shù)據(jù)包，根據(jù)系統(tǒng)反饋的情況得出ZigBee節(jié)點(diǎn)通信距離和丟包率的情況（表1）。從表1可以看出，系統(tǒng)工作的最優(yōu)距離在1 500 m以內(nèi)。

4.2 組態(tài)王軟件的測試

在試驗(yàn)基地設(shè)置了7個(gè)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。系統(tǒng)設(shè)置為每10 min進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集，組態(tài)王軟件采集的實(shí)時(shí)參數(shù)如圖6。同時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)反饋的信息手動(dòng)控制電磁閥，結(jié)果表明系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。

5 小結(jié)

當(dāng)前，在中國傳統(tǒng)的澆灌方式下，水資源和肥料在使用過程中利用率低且肥料還會(huì)造成一定程度上的環(huán)境污染。針對(duì)這一問題，設(shè)計(jì)的基于ZigBee的水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)采集模塊采集農(nóng)田的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，再利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送至服務(wù)器，用戶在服務(wù)器端通過組態(tài)王軟件控制水池、肥料池或者混合池電磁閥的打開，進(jìn)而用滴灌的方式對(duì)農(nóng)田進(jìn)行水或者水肥的灌溉，以達(dá)到節(jié)水節(jié)肥、增產(chǎn)增收的目的。

系統(tǒng)在海南大學(xué)儋州校區(qū)機(jī)電工程學(xué)院試驗(yàn)基地應(yīng)用，進(jìn)行了ZigBee距離測試和丟包率的測試，并選取7個(gè)大田監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行了組態(tài)王軟件的測試。結(jié)果表明，系統(tǒng)在1 500 m的范圍內(nèi)能夠正常工作。系統(tǒng)操作簡便、工作狀態(tài)穩(wěn)定，為水肥一體化智能灌溉系統(tǒng)的進(jìn)一步研究提供了參考。

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