基于ZigBee和GPRS的大棚灌溉系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控研究

左艷麗

摘要：在介紹ZigBee和GPRS技術(shù)硬件設(shè)計(jì)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，從近距離無線通信技術(shù)zigBee、遠(yuǎn)距離無線通信技術(shù)GPRs兩部分分析了ZigBee和GPRS大棚灌溉系統(tǒng)的軟件特點(diǎn)，闡述了ZigBee和GPRS大棚灌溉系統(tǒng)具備及時(shí)性、精確性、可擴(kuò)展性及操作簡便、故障診斷、管理可移動等功能特點(diǎn)。ZigBee和GPRS技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)大棚灌溉系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控及無人化調(diào)控管理，為科技農(nóng)業(yè)提供廣闊的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：ZigBee;PGRS;大棚灌溉;遠(yuǎn)程監(jiān)控

隨著大棚種植技術(shù)的不斷成熟，我國的大棚種植面積也在不斷擴(kuò)大。大棚種植技術(shù)在一定程度上減緩了自然因素對植物生長的影響，通過人工調(diào)節(jié)改變農(nóng)作物的生長環(huán)境，人為地為農(nóng)作物提供適宜的生長發(fā)育條件，是對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。大棚種植改變了傳統(tǒng)農(nóng)作物生長地域和季節(jié)的限制，改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的種植生產(chǎn)模式，推動了新型農(nóng)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程。由于大棚是個(gè)封閉的環(huán)境，不能享受到自然降雨的好處，所以，必須進(jìn)行人工灌溉才能滿足農(nóng)作物生長對水分的需求。早期，人們往往是通過眼睛直接觀察大棚內(nèi)的濕度情況，或通過查看農(nóng)作物的生長狀態(tài)判斷是否需要對農(nóng)作物進(jìn)行灌溉。

智能灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用，能夠使大棚灌溉更科學(xué)，用水效率更高，減少水資源的浪費(fèi)，同時(shí)還能結(jié)合農(nóng)作物的需水特點(diǎn)，對其進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，為農(nóng)作物生長提供適宜的土壤含水量，以提高農(nóng)作物產(chǎn)量。本文將Zig-Bee和GPRS技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)大棚灌溉系統(tǒng)中，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控，同時(shí)，還能夠?qū)崿F(xiàn)無人化調(diào)控管理，為科技農(nóng)業(yè)提供了廣闊的發(fā)展前景。

一、硬件設(shè)計(jì)

（一）ZigBee技術(shù)概述

ZigBee是一種新型的無線通信技術(shù)，具有低功耗、低速率、低成本、技術(shù)簡單的特點(diǎn)，一般應(yīng)用于對傳送速率要求不高的場合。

1、低速率。一般應(yīng)用在對數(shù)據(jù)傳輸速率要求不高的場合。

2、低功耗。ZigBee節(jié)點(diǎn)在工作時(shí)速度比較慢，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小，不工作時(shí)呈休眠狀態(tài)。因此，在整個(gè)運(yùn)行狀態(tài)中，大大節(jié)省供電電池的電量，延長電池壽命。

3、低成本。zigBee提供了免費(fèi)的協(xié)議，降低了開發(fā)成本，而且ZigBee節(jié)點(diǎn)的市場價(jià)格也很低。

4、短時(shí)延。ZigBee運(yùn)行時(shí)設(shè)備的響應(yīng)時(shí)間非常短。

5、網(wǎng)絡(luò)容量大。由于ZigBee可以應(yīng)用多種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積非常龐大，如果應(yīng)用的是網(wǎng)型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以管理六萬多個(gè)節(jié)點(diǎn)。

6、有效范圍大。ZigBee的傳輸距離可以達(dá)到千米以上。

根據(jù)以上ZigBee技術(shù)的特點(diǎn)，可以看到利用ZigBee技術(shù)可以降低設(shè)備成本。利用ZigBee技術(shù)設(shè)置大棚的溫度、濕度、光照等傳感器節(jié)點(diǎn)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，使用戶能實(shí)時(shí)地對大棚的環(huán)境進(jìn)行管理和監(jiān)測。

（二）GPRS概述

GPRS（General Packet Radio Set-vice）是一種無線分組交換技術(shù)。GPRS提供了一種低成本、高效率的分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，在遠(yuǎn)程控制中，利用GPRS可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程設(shè)備終端到子站或者遠(yuǎn)程設(shè)備終端到網(wǎng)絡(luò)之間的鏈接，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。GPRS網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)。

1、成本低，費(fèi)用少。用戶只需要按照規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)通信量進(jìn)行付費(fèi)，多個(gè)用戶可以共用一個(gè)無線通道。在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)，用戶根據(jù)數(shù)量的多少進(jìn)行付費(fèi)，可以節(jié)省用戶的開支。

2、具有實(shí)時(shí)性，且效率高，網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣。GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以保證實(shí)時(shí)在線，滿足用戶對于數(shù)據(jù)采集以及傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求;GPRS傳輸數(shù)據(jù)時(shí)是雙向傳送，數(shù)據(jù)傳輸率高;GPRS的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍非常廣，GPRS的使用沒有地域的限制，不管是網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)的平原還是偏遠(yuǎn)的山區(qū)，GPRS的信號覆蓋都很強(qiáng)。利用GPRS可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的管理和應(yīng)用。

3、GPRS可靠性高，后期維護(hù)簡單。使用GPRS技術(shù)，可以隨時(shí)與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，而且不會掉線，穩(wěn)定性好。

（三）I～emet實(shí)現(xiàn)

早期，由于技術(shù)還不夠完善，大棚灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，信號覆蓋率低，需要的設(shè)備終端自動控制功能還不夠強(qiáng)大，導(dǎo)致遠(yuǎn)程監(jiān)控效果不理想。目前，隨著GPRS技術(shù)的不斷成熟，將其應(yīng)用到大棚灌溉系統(tǒng)中，大大提高了灌溉效率。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面來看，GPRS大棚灌溉系統(tǒng)由三個(gè)層次組成：第一層是控制層，控制層主要是根據(jù)遠(yuǎn)程終端傳來的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并發(fā)送相應(yīng)的控制指令，從而實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程設(shè)備的控制。第二層是傳輸層，所有的信息都是通過傳輸層進(jìn)行發(fā)送的。遠(yuǎn)程終端將大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)、設(shè)備運(yùn)動狀態(tài)通過傳輸層反饋到控制中心，控制中心接收到信息以后，進(jìn)行分析處理，根據(jù)處理結(jié)果，發(fā)送相應(yīng)的控制指令。基于Zig-Bee和GPRS的大棚灌溉系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，是由遠(yuǎn)程無線通信網(wǎng)絡(luò)和短距離無線網(wǎng)絡(luò)兩部分構(gòu)成，屬于雙層無線通信網(wǎng)絡(luò)，大大提高了傳輸效率。第三層是感應(yīng)與執(zhí)行層，主要是完成物理環(huán)境下對大棚內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行采集，包括濕度、溫度、土壤的干濕狀態(tài)以及需水量等，這些數(shù)據(jù)都是通過子站內(nèi)的設(shè)備通過感應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。

二、軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包含近距離無線通信技術(shù)ZigBee、遠(yuǎn)距離無線通信技術(shù)GPRS兩部分。設(shè)計(jì)流程如下。

首先，搭建近距離傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺，也就是ZigBee通信平臺。根據(jù)大棚的位置、面積大小布置各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)與zigBee協(xié)調(diào)器通過ZigBee通訊協(xié)議形成局域網(wǎng)。這些終端節(jié)點(diǎn)包括溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、二氧化碳濃度傳感器等。

其次，設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)。在GPRS和Zig-Bee之間搭建網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。網(wǎng)關(guān)包括GPRS模塊、ZigBee微處理器和協(xié)調(diào)器三個(gè)部分。遠(yuǎn)程通信模塊由GPRS和微處理器來完成，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通過GPRS將傳輸協(xié)議發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)，并以串口的形式與ZigBee協(xié)調(diào)器形成網(wǎng)關(guān)，從而在監(jiān)測中心和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。

第三，采用GPRS技術(shù)解決了遠(yuǎn)距離傳輸問題。遠(yuǎn)程控制通過設(shè)定灌溉條件，實(shí)現(xiàn)智能灌溉，對農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展有著重大意義。

（一）數(shù)據(jù)信息的采集與處理

數(shù)據(jù)信息的采集與處理包括對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理編程、對GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)挠布O(shè)備進(jìn)行軟件編程以及遠(yuǎn)程控制中心與外部終端設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送編程。遠(yuǎn)程監(jiān)控中心包含終端監(jiān)控設(shè)備，該設(shè)備具有良好的人機(jī)交互界面。管理人員通過遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的監(jiān)控設(shè)備查看大棚內(nèi)的環(huán)境以及濕度、溫度、土壤狀態(tài)等參數(shù)，并根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

例如，各個(gè)大棚站將采集到的數(shù)據(jù)，如，濕度、溫度、光照以及農(nóng)作物的需水量等通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳到遠(yuǎn)程控制中心，遠(yuǎn)程控制中心根據(jù)接收到的參數(shù)，判斷是否需要進(jìn)行灌溉，如果需要，則根據(jù)參數(shù)設(shè)置灌溉的需水量等數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給子站，工作流程如圖1所示。

（二）遠(yuǎn)程控制及管理

灌溉系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心提供了非常好的人機(jī)接口界面，使用戶可以及時(shí)了解現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，從而能更好地控制操作和人工干預(yù)。系統(tǒng)由兩大部分組成，一是遠(yuǎn)程監(jiān)控的主站，二是各個(gè)大棚的子站，利用GPRS來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控（見圖2）。

另外，根據(jù)管理人員的職責(zé)不同，可以設(shè)置不同的賬戶類型來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。根據(jù)大棚的面積及農(nóng)作物的類型，設(shè)置基站的位置，結(jié)合農(nóng)作物的類型、不同的生長階段，設(shè)置不同的編碼，控制農(nóng)作物的需水量，調(diào)制和監(jiān)測處理后通過基站發(fā)送，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

三、系統(tǒng)功能特點(diǎn)

大棚灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可以隨時(shí)進(jìn)行監(jiān)測和查看?？煽啃愿?，穩(wěn)定性強(qiáng)，數(shù)據(jù)精確度高，能全方位查看數(shù)據(jù)，根據(jù)農(nóng)作物的生長狀態(tài)及時(shí)調(diào)整數(shù)據(jù)，并能及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，解決系統(tǒng)存在的問題。

（一）及時(shí)、精準(zhǔn)性

遠(yuǎn)程監(jiān)控可以更及時(shí)了解大棚農(nóng)作物什么時(shí)候需要灌溉、需要灌多少，這些數(shù)據(jù)通過安裝在大棚土壤中的濕度傳感器實(shí)時(shí)地反饋到控制中心，工作人員可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)設(shè)定灌溉條件，保證灌溉的正確性。大棚內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及大棚濕度、溫度、光照等數(shù)據(jù)都可以通過遠(yuǎn)程監(jiān)控及時(shí)查看，并且還可以查詢各個(gè)時(shí)間段的數(shù)據(jù)，大大提高灌溉效率。

（二）可擴(kuò)展性

智能灌溉系統(tǒng)可以根據(jù)不同農(nóng)作物對土壤濕度的不同需求設(shè)置不同的參數(shù)，根據(jù)農(nóng)作物不同的生長周期設(shè)置匹配的參數(shù)，避免以往人工設(shè)置記錄數(shù)據(jù)的繁瑣環(huán)節(jié)。另外，該系統(tǒng)還可以記錄不同農(nóng)作物不同生長周期的所有灌溉信息，以此為基礎(chǔ)，加以擴(kuò)展應(yīng)用。

（三）操作簡捷，節(jié)省成本

遠(yuǎn)程監(jiān)控提供了友好的交互界面，操作簡單，只要掌握整個(gè)系統(tǒng)的操作流程，就能進(jìn)行智能灌溉。就算擴(kuò)大種植規(guī)模，在灌溉管理上也無需增加工作人員，節(jié)省了人力成本。

（四）故障診斷

故障診斷系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)對監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測判斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障問題，提高設(shè)備利用率。管理人員可以預(yù)先設(shè)定好參數(shù)值，如果系統(tǒng)運(yùn)行過

程中的數(shù)據(jù)與設(shè)置的參數(shù)值相差太多，系統(tǒng)會自動發(fā)送故障類型及處理方法等信息，提高了遠(yuǎn)程設(shè)備的有效性。

（五）管理可移動性

系統(tǒng)通過GPRS網(wǎng)關(guān)把監(jiān)測到的土壤濕度狀態(tài)和灌溉閥門運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)到云服務(wù)器，管理人員只需在大棚智能管理中心，通過手機(jī)下載客戶端，隨時(shí)隨地了解大棚內(nèi)農(nóng)作物的灌溉情況和生長狀態(tài)，及時(shí)進(jìn)行協(xié)調(diào)和管理。

四、結(jié)束語

目前，我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，人民的生活質(zhì)量快速提高，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植已不能滿足人民的生活需求?；赯igBee和GPRS技術(shù)的大棚農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式逐漸應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)依賴氣候環(huán)境生長的缺陷。由于大棚灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)性能穩(wěn)定性高，成本也比較低，功耗少，整個(gè)過程利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)采集和傳輸數(shù)據(jù)，利用GPRS技術(shù)把數(shù)據(jù)發(fā)送到互聯(lián)網(wǎng)，用戶能實(shí)時(shí)監(jiān)測大棚環(huán)境，提高了工作效率，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)大棚監(jiān)測系統(tǒng)的不足，對于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展有著非常重要的意義。雖然大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控給人們帶來了許多便利，提高了生產(chǎn)效率，但是也需要考慮設(shè)備的成本問題。一個(gè)遠(yuǎn)程控制中心可以控制多個(gè)大棚，需要根據(jù)大棚的數(shù)量、面積來配備相應(yīng)的設(shè)備，由此核算大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的成本。