基于ZigBee的智能灌溉裝置設計

崔佳民，郭 棟

（浙江水利水電學院 電氣工程學院，浙江 杭州 310018）

我國是一個水資源緊缺國，同時又是一個農(nóng)林業(yè)大國，農(nóng)林業(yè)用水所占比重較大，用水矛盾十分突出。另一方面，不管是農(nóng)業(yè)灌溉還是城市綠化用水通常憑借經(jīng)驗定時灌溉，是一種很粗放的方式，這種原始的灌溉方式既無法保證植物科學用水量，同時又大大浪費了寶貴的水資源。加強對土壤墑情的準確監(jiān)測，并通過控制裝置實現(xiàn)自動灌溉，有助于做好科學的給水措施，實現(xiàn)水資源的合理利用及農(nóng)林業(yè)的健康發(fā)展。

1 無線數(shù)據(jù)采集與傳輸

（1）無線傳感器節(jié)點。無線傳感器節(jié)點具有采集數(shù)據(jù)和無線傳輸?shù)墓δ埽阂环矫鎭韺崿F(xiàn)土壤溫度、濕度等參數(shù)的測量采集和處理；另一方面實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合和收發(fā)。對自身采集的數(shù)據(jù)和收到的其他節(jié)點數(shù)據(jù)進行融合，再轉(zhuǎn)發(fā)到匯聚節(jié)點。所探測范圍內(nèi)的土壤墑情，通過無線方式將數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)關。

無線傳感器節(jié)點由采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線通信模塊和供電模塊四部分組成，如圖1所示。其中，采集模塊負責采集對應節(jié)點的土壤墑情；數(shù)據(jù)處理模塊轉(zhuǎn)換采集的原始數(shù)據(jù)；無線通信模塊主要完成與數(shù)據(jù)通信任務，供電模塊負責傳感器節(jié)點運行時能量供應。

圖1 無線傳感器節(jié)點框圖

本系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡方案擬采用ZigBee組網(wǎng)技術。無線傳感器節(jié)點硬件擬采用TI公司的CC2530作為主控芯片開發(fā)，它集成了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微控制器，以及豐富的資源外設。主控芯片可以工作在休眠狀態(tài)，功耗極低，滿足無線傳輸?shù)凸牡囊?。為了使得采集覆蓋范圍廣，采用CC2591射頻放大芯片，加上6DB的高增益天線的作用，將無線傳感器網(wǎng)路的覆蓋范圍大大提高。

（2）數(shù)據(jù)采集傳感器選型。傳感器是進行數(shù)據(jù)采集的基礎和前提，組成物聯(lián)網(wǎng)的基本單位，對其選用，遵循實用、經(jīng)濟、標準、耐用的原則。本系統(tǒng)用于檢測土壤溫濕度，綜合系統(tǒng)設計和對傳感器節(jié)點的設計要求，擬選擇Decagon公司研制的ECH2O土壤水分傳感器。其特性為探針阻抗隨土壤含水量的變化不同，造成傳輸線兩端電壓的不同，通過測量高頻傳輸線兩端電壓幅值差的方法得到土壤含水量。圖2為本項目擬選擇傳感器實物圖。

無線傳感器節(jié)點實現(xiàn)預期目標：

系統(tǒng)檢測范圍及其精度：

溫度：-20℃～50℃。精度±0.5℃

濕度：5%～95%。精度±2%

圖2 土壤水分傳感器

該項目根據(jù)節(jié)點位置將網(wǎng)絡劃分為區(qū)域，區(qū)域無線節(jié)點可以相互通信并有很強的協(xié)同能力，通過轉(zhuǎn)發(fā)其它節(jié)點的信息，節(jié)點之間構成多跳的通信網(wǎng)絡。每個區(qū)域內(nèi)有一個首節(jié)點，可以克區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點通信，它來發(fā)布管理節(jié)點的檢測任務，并負責將來自區(qū)域內(nèi)節(jié)點采集的數(shù)據(jù)通過不同區(qū)域，通過多跳數(shù)據(jù)路由傳送給主控終端，實現(xiàn)收集網(wǎng)絡監(jiān)測數(shù)據(jù)的目標。

2 控制策略研究

選取預實施精準灌溉的試驗田，劃定50m*50m和100m*100m兩種方式來采集2組土壤含水量的數(shù)據(jù)，應用試驗數(shù)據(jù)，從統(tǒng)計特征值和空間結構性兩個方面，對丘陵區(qū)小面積田塊的土壤含水量進行空間異性分析，得出土壤含水量樣本的平均值與采樣點的離散程度，結合無線傳感網(wǎng)絡組網(wǎng)的最大傳輸距離與田間土壤含水率采樣精度，確定采樣信息。

灌溉控制策略模糊推理算法，兩個輸入量：作物蒸散量和土壤含水量，一個輸出量：作物需水量?？刂埔?guī)則采用分段2段進行模糊控制，首先系統(tǒng)定時從傳感器獲得土壤含水量，如果土壤含水量高于上限值就停止灌溉，如果低于下限值，就對作物進行灌溉，直到高于下限值；如土壤含水量介于上、下限之間時，就采用模糊控制規(guī)則，對土壤含水量的偏差和偏差變化率進行規(guī)范化和模糊化處理，處理后的值帶入模糊控制規(guī)則庫，得出控制量。模糊控制器結構如圖3所示。

遠程監(jiān)控中心是完整的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，能夠通過網(wǎng)絡對現(xiàn)場進行遠程實時監(jiān)控，了解當前灌溉情況和歷史記錄。

圖3 模糊控制器結構圖

4 結語

3 物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡

本系統(tǒng)采用無線通信方式，局域網(wǎng)采用ZigBee節(jié)點組網(wǎng)，實現(xiàn)低功耗、低成本的節(jié)點組成。遠程無線傳輸通過GPRS通信實現(xiàn)。節(jié)點信息通過局域網(wǎng)和GPRS遠程網(wǎng)絡傳輸至終端顯示，人們可以在有網(wǎng)絡的地方實時掌握現(xiàn)場環(huán)境動態(tài)，控制信息也可通過無線通信模塊傳送至節(jié)點，根據(jù)需要進行科學控制。通信模塊原理框圖如圖4所示。

實時監(jiān)測是實現(xiàn)智能灌溉的必要基礎，通過無線傳感器節(jié)點，能夠進行數(shù)據(jù)采樣、組網(wǎng)并對采集的數(shù)據(jù)進行濾波與自適應加權運算，可以及時、準確的獲取土壤墑情。無線節(jié)點監(jiān)測的土壤墑情信息，通過GPRS無線網(wǎng)絡上傳至主控節(jié)點。主控節(jié)點通過先進的數(shù)據(jù)融合方法對土壤溫度、環(huán)境溫度、以及各種不同作物的特性等因素進行融合，通過軟件模糊控制算法實現(xiàn)對無線節(jié)點的優(yōu)化控制。無線節(jié)點的控制端根據(jù)設定的閾值及時控制電磁閥的開啟和關閉，實現(xiàn)智能灌溉控制。

圖4 通信模塊原理框圖

參考文獻

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