基于Zigbee和GPRS的遠程精確灌溉系統(tǒng)設(shè)計

苑立娟 汪濤

摘 要：隨著我國經(jīng)濟的迅速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)勢必會采用各種先進的技術(shù)，以達到提高產(chǎn)量，節(jié)約資源的目的。文章采用Zigbee和GPRS技術(shù)來設(shè)計一個精確灌溉系統(tǒng)，系統(tǒng)通過中央監(jiān)控服務(wù)器可實現(xiàn)精確灌溉、遠程管理、移動控制的功能，利用模糊控制方式對農(nóng)作物進行灌溉，簡單可靠，節(jié)水增產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：Zigbee；GPRS；精確灌溉

無線網(wǎng)絡(luò)傳感器（Wireless Sensor Networks，WSN）融合了傳感器技術(shù)、嵌入式計算技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，是多學(xué)科高度交叉、知識高度集成的前沿?zé)狳c研究領(lǐng)域。ZigBee協(xié)議是無線傳感網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用最廣泛的協(xié)議，它有著低功耗、低成本、時延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠性高、安全性強等優(yōu)點。

GPRS是通用無線分組業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service）的簡稱，是一種基于GSM（Global System for Mobile Communications）系統(tǒng)的無線分組交換技術(shù)，在GSM協(xié)議構(gòu)架的基礎(chǔ)上增加了支持分組交換的協(xié)議，而實現(xiàn)基于分組的無線通信服務(wù)。相對于原有的GSM網(wǎng)絡(luò)，GPRS的傳輸速率有了很大的提升且覆蓋范圍廣、傳輸速率高、登錄接入時間短、提供實時在線功能、可與IP網(wǎng)無縫連接等優(yōu)點，可以滿足各種小流量的遠程數(shù)據(jù)傳輸要求，對偶爾的大流量數(shù)據(jù)傳輸也能勝任。

1 精確灌溉系統(tǒng)介紹

1.1 工作原理

本系統(tǒng)基于Zigbee和GPRS技術(shù)設(shè)計了遠程精確灌溉系統(tǒng)，系統(tǒng)有三層結(jié)構(gòu)。第一層：監(jiān)控現(xiàn)場的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，主要包括傳感器節(jié)點、閥門控制器節(jié)點和變頻器控制節(jié)點。拓撲結(jié)構(gòu)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，傳感器節(jié)點釆集環(huán)境信息，具體包括：空氣溫度、空氣濕度、光照和土壤濕度。第二層：現(xiàn)場控制器節(jié)點，主要包括ZigBee網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點，作為系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點，此節(jié)點由ZigBee單片機、GPRS模塊和ARM模塊共同構(gòu)成。其中，ARM模塊作為主控模塊，ZigBee單片機與GPRS模塊通過串口與ARM進行通信。此節(jié)點的主要功能是集中管理現(xiàn)場各節(jié)點信息，并將各節(jié)點采集的數(shù)據(jù)封裝成TCP/IP格式的數(shù)據(jù)包，再通過GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控中心。第三層：監(jiān)控中心計算機、遠程計算機、移動終端均可作為監(jiān)控中心，監(jiān)控中心集中處理網(wǎng)關(guān)節(jié)點傳送過來的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。監(jiān)控中心根據(jù)監(jiān)測信息對監(jiān)控現(xiàn)場進行分析，對現(xiàn)場各個電磁閥進行控制，以控制現(xiàn)場灌溉，進而達到實時控制灌溉的目的。

1.2 精確灌溉的優(yōu)勢

精確灌溉按水出流的方式主要分成4種形式：滴灌、滲灌、微噴灌、脈沖灌溉。其主要特點都是在植物的株行距之間放置安裝了灌水器的聚乙烯軟管以及相應(yīng)的管道系統(tǒng)組成的網(wǎng)絡(luò)，通過灌水器精確流量。本系統(tǒng)的精確灌溉采用自動滴灌形式。自動滴灌屬于全管道輸水和局部微量滴灌，使得水分的滲漏和損失減少到最低。滴灌系統(tǒng)的閥門采用自動控制，可以節(jié)省人工開銷，降低生產(chǎn)成本。使水分緩慢均勻地滲入土壤，對土壤結(jié)構(gòu)能夠起到保持作用。減少水肥滲漏，節(jié)省化肥用量，減少污染。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)介紹

根據(jù)精確灌溉系統(tǒng)的需求可以確定系統(tǒng)由遠程監(jiān)測、遠程灌溉控制和遠程監(jiān)控中心三層架構(gòu)組成。

系統(tǒng)遠程監(jiān)測的主要功能是采集農(nóng)作物生長的環(huán)境信息，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)釆集現(xiàn)場的環(huán)境信息并及時將數(shù)據(jù)傳輸給上位機，主要包括：底層傳感器、Zigbee數(shù)據(jù)傳輸模塊和Zigbee&GPRS模塊的鋪設(shè)，底層傳感器和Zigbee數(shù)據(jù)傳輸模塊之間的通信調(diào)試，Zigbee模塊組網(wǎng)，Zigbee&GPRS中心節(jié)點和遠程計算機之間的通信調(diào)試。設(shè)備鋪設(shè)可根據(jù)農(nóng)作物的具體面積，植株密度來規(guī)劃，可通過調(diào)整功率方式來調(diào)整通信的距離。

遠程灌溉控制主要是通過控制各級電磁閥來實現(xiàn)對水量的控制，控制電磁閥需要提供一個開關(guān)量信號。Zigbee數(shù)據(jù)傳輸模塊和Zigbee&GPRS模塊均可提供此類開關(guān)量信號。遠程PC就可以通過控制Zigbee數(shù)據(jù)傳輸模塊和Zigbee&GPRS模塊的開關(guān)量輸出來控制電磁閥。為了提高控制的可靠性，可加大電磁閥的工作功率，可在電磁閥和Zigbee數(shù)據(jù)傳輸模塊或Zigbee&GPRS模塊之間添加繼電器隔離放大電路來保證安全。

遠程監(jiān)控中心的設(shè)計主要包括：灌溉制度的設(shè)計和交互界面的設(shè)計。為實現(xiàn)系統(tǒng)的靈活灌溉，可將系統(tǒng)的灌溉模式分為自定義灌溉和自動灌溉2種。自定義灌溉指用戶可根據(jù)自己的判斷來決定何時灌溉、灌溉時長。自動灌溉指系統(tǒng)根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集到的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)來判斷植株是否需要灌溉。按照各部分功能的不同設(shè)計交互界面的子界面。用戶通過交互界面實現(xiàn)灌溉控制，同時也可以查看農(nóng)田的實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等監(jiān)測情況。系統(tǒng)不僅可以將底層數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h程服務(wù)器上，還可以將遠程終端發(fā)出的指令傳輸給底層設(shè)備。即數(shù)據(jù)在各條通信鏈路上的傳輸都是雙向的。底層數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒?wù)器之后，不僅遠程PC可以得到數(shù)據(jù)，其他形式的移動終端可以得到。同樣，不僅遠程PC可以向底層設(shè)備發(fā)送指令，其他形式的移動終端也可以。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括了現(xiàn)場無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和電磁閥驅(qū)動電路設(shè)計?，F(xiàn)場監(jiān)測和遠程控制的實現(xiàn)，還需要對通信鏈路進行調(diào)試并根據(jù)通信協(xié)議編寫控制指令。以下主要對監(jiān)測部分硬件設(shè)計與實現(xiàn)進行闡述。

監(jiān)測部分的硬件主要包括幾部分：底層傳感器、Zigbee模塊、Zigbee、GPRS模塊、上位機和直流電源等。設(shè)計的主要任務(wù)是：選擇合適的傳感器，Zigbee組網(wǎng)，Zigbee&GPRS模塊與上位機的通信調(diào)試。系統(tǒng)選用 FDR法的土壤水分溫度傳感器，傳感器檢測出土壤溫度和含水量，一端可以引出4根接線，紅色和綠線接24V電源，黃色和藍色為RS485接口，傳感器通過此接口向Zigbee接口上傳數(shù)據(jù)，通信協(xié)議采用Modbus RTU協(xié)議。Zigbee網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)過程：通過RS485接口Zigbee模塊可下掛若干傳感器。若干Zigbee模塊在Zigbee&GPRS模塊的協(xié)調(diào)下組成Zigbee網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)最終匯集到Zigbee&GPRS模塊中。具體組網(wǎng)過程如圖2所示。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括：監(jiān)控界面設(shè)計、控制策略的設(shè)計、模糊控制器的設(shè)計研究、組態(tài)王與MATLAB通信的實現(xiàn)研究。

監(jiān)控界面的主要功能包括：實時查看現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)，用戶通過界面向現(xiàn)場發(fā)送控制指令，灌溉異常時報警。監(jiān)控界面的設(shè)計應(yīng)遵循人性化，易操作的原則。系統(tǒng)軟件的設(shè)計采用組態(tài)軟件，組態(tài)軟件是專門針對工業(yè)自動監(jiān)測控制系統(tǒng)開發(fā)的工控軟件，包含許多功能模塊，可直接調(diào)用功能模塊搭建完善的監(jiān)控系統(tǒng)，不需復(fù)雜程序的編寫，大大縮短了軟件的開發(fā)周期并降低開發(fā)成本。本系統(tǒng)釆用亞控科技開發(fā)的組態(tài)王kingview6.55進行監(jiān)控界面的設(shè)計。監(jiān)控界面主要分以下幾部分：首頁（系統(tǒng)總體概況）、灌溉中心（灌溉形式的選擇）、監(jiān)測中心（查看所有節(jié)點的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)）、控制中心（實時控制任意電磁閥）、數(shù)據(jù)中心（查詢實時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)）、節(jié)點工作狀態(tài)查詢（實時顯示節(jié)點的工作狀態(tài)）、幫助。

系統(tǒng)控制策略的本質(zhì)是如何實現(xiàn)自動控制電磁閥。傳統(tǒng)灌溉中，人為以經(jīng)驗判斷所需的灌溉水量，水量控制不準(zhǔn)確，容易灌溉過量。本系使用閉環(huán)控制以準(zhǔn)確的計算及數(shù)據(jù)為依據(jù)，保證了灌溉的準(zhǔn)確度。閉環(huán)控制是以輸入信號與反饋信號之差作為控制信號作用于執(zhí)行機構(gòu)，同時及時反饋新的執(zhí)行結(jié)果，直到執(zhí)行結(jié)果達到預(yù)期標(biāo)準(zhǔn)為止。

影響灌溉控制精度的因素有很多。例如：土壤濕度、蒸騰量。建立數(shù)學(xué)模型時需要以土壤溫度和蒸騰量共同作為判斷條件來建立數(shù)學(xué)模型，這樣很難建立精確的數(shù)學(xué)模型。灌溉控制屬于非線性控制。模糊控制是模糊數(shù)學(xué)與控制理論相結(jié)合的產(chǎn)物，它可以對難以建立精確數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜對象實現(xiàn)有效控制，它采用“不精確推理”，使用語言變量，使控制過程易于介入人的經(jīng)驗，并且對過程參數(shù)的變化不敏感，所以非常適合處理非線性、時變及大滯后的控制問題。

組態(tài)王與MATLAB之間的通信可以通過COM組件技術(shù)或者DDE技術(shù)實現(xiàn)。組態(tài)王就可以不斷地將采集到的土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)傳送到MATLAB程序中，數(shù)據(jù)經(jīng)過模糊控制器的處理后，MATLAB再將結(jié)果返回給組態(tài)王，完成整個控制。

5 結(jié)語

本文介紹了基于Zigbee和GPRS技術(shù)的精確灌溉系統(tǒng)的設(shè)計過程，在已有的技術(shù)基礎(chǔ)上，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)提供了一個可參考可實施的自動化灌溉方案，具備一定的應(yīng)用價值。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的推廣，精確灌溉技術(shù)將會在農(nóng)業(yè)上得到更廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

Design of Remote Precision Irrigation System Based on Zigbee and GPRS

Yuan Lijuan， Wang Tao

（Department of Information Technology， Baoding University， Baoding 071000， China）

Abstract： With the fast economic development in China， agricultural production certainly will adopt various kinds of technology to increase production and save resources. This article adopts Zigbee and GPRS to design an accurate irrigation system. This system employs central monitor server to ensure accurate irrigation， remote management and mobility control， employs fuzzy control to irrigate crops， this method is simple and reliable， and is easy to achieve the goal of water saving and production increasing.

Key words： Zigbee； GPRS； accurate irrigation