基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的枸杞園智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計

賈艷玲，朱瑜紅，劉思遠

摘要：為了實現(xiàn)枸杞園用水效率的提高，提出了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的枸杞園智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計方案。首先對傳感器節(jié)點的硬件進行設(shè)計，討論了各個模塊的元器件選擇，其次給出了匯聚節(jié)點及傳感器節(jié)點的軟件設(shè)計流程，對自動灌溉實現(xiàn)過程進行了分析，最終實現(xiàn)了由傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、電控閥門及上位機等組成的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)。系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，對枸杞園實施大范圍節(jié)水灌溉具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：無線傳感網(wǎng)絡(luò);枸杞園;智能灌溉

中圖分類號：TP29;S126 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2014）23-5861-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.23.061

枸杞是寧夏回族自治區(qū)“紅、黃、藍、白、黑”五寶之首，而中寧縣則是寧夏枸杞的原產(chǎn)地。2002年“中寧枸杞”獲得原產(chǎn)地證明商標，2009年被批準為“中國馳名商標”，2011年獲得“消費者最喜愛的100個中國農(nóng)產(chǎn)品區(qū)域公用品牌”稱號[1]，該地區(qū)也成為寧夏的枸杞種植基地之一。由于種植時間較長，中寧縣大部分老基地存在以下兩個主要問題：一是基地由眾多面積較小的單個枸杞園組成，實施模塊化統(tǒng)一管理較困難，造成人力資源的極大浪費;二是枸杞園的灌溉方式較落后，仍舊以明渠、人工漫灌為主，不僅妨礙了枸杞樹的生長，影響了枸杞的產(chǎn)量，且嚴重浪費了水資源。土壤水分是枸杞樹吸收水分的主要來源，不論是土壤濕度過低造成枸杞樹根系吸水困難，還是濕度過高造成枸杞樹根系腐爛，都會嚴重影響枸杞的品質(zhì)及產(chǎn)量。為此，建立可實時對枸杞園環(huán)境及土壤水分信息進行采集與分析，判斷枸杞樹是否缺水，并可自動進行合理灌溉的枸杞園智能灌溉系統(tǒng)，不僅可有效節(jié)約水資源及人力資源，且對枸杞基地的發(fā)展具有良好的借鑒意義。

傳統(tǒng)的基于有線方式的灌溉控制系統(tǒng)在枸杞園智能灌溉系統(tǒng)中應(yīng)用存在明顯不足，一方面單個枸杞園面積小且分布較分散，不利于電纜的鋪設(shè);另一方面枸杞園內(nèi)土壤酸堿性較高，易導(dǎo)致通信電纜老化，造成系統(tǒng)可靠性降低。ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，具有自組織、高數(shù)據(jù)速率、低復(fù)雜度等特點，滿足無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)要求[2-6]，可有效避免基于有線方式系統(tǒng)的不足，較適合基地枸杞園智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計。為此，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)，提出了一種利用ZigBee技術(shù)的枸杞園智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計方案，首先對環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點的硬件進行設(shè)計，包括硬件結(jié)構(gòu)圖及各個模塊的元器件選擇，其次對節(jié)點（傳感器節(jié)點和匯聚節(jié)點）的軟件進行設(shè)計，然后對根據(jù)環(huán)境參數(shù)如何實現(xiàn)自動灌溉進行了詳細討論，最終實現(xiàn)了由傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、電控閥門及上位機等組成的智能灌溉系統(tǒng)。

1 ?系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

枸杞園智能灌溉系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由傳感器節(jié)點（群）、匯聚節(jié)點、上位機和灌溉渠道等組成。

傳感器節(jié)點合理布置在枸杞園內(nèi)，完成枸杞園環(huán)境參數(shù)及土壤水分參數(shù)的實時采集，所有傳感器節(jié)點均通過自組網(wǎng)方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，以ZigBee方式將采集到的參數(shù)信息傳送到匯聚節(jié)點;匯聚節(jié)點通過RS232串口與上位機相連，將收集到的參數(shù)信息保存到上位機數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理;用戶通過對存儲數(shù)據(jù)的計算和分析，采用預(yù)設(shè)的控制算法控制電控閥門的開啟或關(guān)閉，實現(xiàn)精細灌溉;系統(tǒng)中的灌溉網(wǎng)絡(luò)是在原有灌溉明渠基礎(chǔ)上加裝電控閥門改造而得到的，可極大地減少投入成本。

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計

電控閥門的開啟或閉合主要由傳感器節(jié)點采集到的枸杞園環(huán)境參數(shù)及土壤水分參數(shù)控制，即傳感器節(jié)點采集信息的準確與否對整個灌溉系統(tǒng)的性能有極大影響，所以傳感器節(jié)點的設(shè)計至關(guān)重要。

2.1 ?傳感器節(jié)點硬件設(shè)計

利用ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)由布置在枸杞園的數(shù)量眾多的傳感器節(jié)點組成。傳感器節(jié)點可以分為與應(yīng)用相關(guān)和與應(yīng)用不相關(guān)兩部分，前一部分包括微處理器模塊、射頻模塊及電源模塊等，后一部分主要包括傳感器模塊（在采集不同參數(shù)時，傳感器模塊會有所不同）。傳感器節(jié)點硬件框架如圖2所示。匯聚節(jié)點與傳感器節(jié)點相比，不具有參數(shù)采集功能，所以不包括傳感器模塊。

2.2 ?傳感器節(jié)點各模塊元器件選擇

傳感器節(jié)點是構(gòu)成枸杞園智能灌溉系統(tǒng)的基本組成單元[7]，實現(xiàn)枸杞園環(huán)境及土壤水分參數(shù)的實時采集、參數(shù)信息數(shù)據(jù)預(yù)處理及發(fā)送等功能。由于枸杞園環(huán)境參數(shù)信息采集量大，所以需要布設(shè)的傳感器數(shù)目較多，且枸杞園無線傳輸環(huán)境較復(fù)雜，這就要求傳感器節(jié)點不僅要成本低，并且應(yīng)具有體積小、功耗低、適應(yīng)性強等特點。根據(jù)枸杞園智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的需要，傳感器節(jié)點各模塊選擇元器件如下。

1）微處理器模塊。以ATmega128單片機為核心，該單片機是ATMEL公司的8位系列單片機中最高配置的一款，基于AVR內(nèi)核，采用先進的RISC結(jié)構(gòu)，具有片內(nèi)128 K程序存儲器，與SPI總線兼容的編程接口，8個10位ADC通道和雙可編程串行USART接口，除正常操作模式外，還具有6種不同等級的低能耗操作模式[8]。該款單片機不僅硬件結(jié)構(gòu)簡單、體積小，還可用軟件設(shè)計控制采用何種節(jié)能模式，極易實現(xiàn)節(jié)點的節(jié)能降耗要求。

2）射頻模塊。選用TI公司的CC2430。該芯片延用了CC2420芯片的架構(gòu)，在單個芯片上整合了ZigBee射頻（RF）前端、內(nèi)存和微控制器，使用1個8 位MCU（8051），具有128 kB可編程閃存和8 kB的RAM，包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）、定時器（Timer）、協(xié)同處理器、看門狗定時器（Watchdog timer）、休眠模式定時器以及21個可編程I/O引腳[9，10]等，僅需很少的外圍部件配合就能實現(xiàn)信號的收發(fā)功能，可有效降低系統(tǒng)的功耗[11]。endprint

3）傳感器模塊。傳感器主要采集土壤水分及空氣溫濕度參數(shù)，綜合系統(tǒng)設(shè)計和傳感器節(jié)點低功耗的要求，土壤水分測量傳感器選用美國Decagon公司研制的ECH2O型土壤水分傳感器EC-5。EC-5的外層物質(zhì)受鹽堿度影響較小，便于掩埋在土壤的不同深度，并且具有0.002 m3/m3的高分辨率，可以長時間測量[12]。空氣溫濕度測量傳感器選用EHT數(shù)字型空氣溫濕度傳感器，其溫度測量范圍-40～60 ℃，精度為±1.0 ℃，濕度測量范圍0%～100% RH，精度≤3%[13]。

4）電源模塊。采用太陽能電池與備用電池組合，每個節(jié)點通過太陽能電池（或備用電池）供電，不必頻繁更換，有效地降低了系統(tǒng)功耗。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要指匯聚節(jié)點和傳感器節(jié)點的軟件設(shè)計。匯聚節(jié)點主要負責建立無線網(wǎng)絡(luò)，對其進行維護，網(wǎng)絡(luò)建成后允許傳感器節(jié)點加入，并給加入網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址，接收傳感器節(jié)點傳送的數(shù)據(jù)，處理后發(fā)送給上位機。設(shè)計的匯聚節(jié)點軟件流程圖如圖3。

大量的傳感器節(jié)點組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，每個傳感器節(jié)點具有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)惟一的網(wǎng)絡(luò)地址[14]，傳感器節(jié)點可以讀取/發(fā)送各個傳感器所采集的環(huán)境參數(shù)信息數(shù)據(jù)。設(shè)計的傳感器節(jié)點軟件流程圖如圖4。

4 ?自動灌溉控制流程

系統(tǒng)每個傳感節(jié)點通過土壤水分測量傳感器自動采集土壤水分濕度信息，結(jié)合預(yù)設(shè)的濕度上、下限警戒值，判斷是否需要灌溉及采用何種方式灌溉。系統(tǒng)中濕度上限警戒值為土壤飽和含水量[15]，下限警戒值為枸杞樹枯萎含水量。當采集的土壤水分濕度值位于上、下限警戒值之間，采用自動灌溉方式開啟電控閥門灌溉，當達到預(yù)先設(shè)定的流量時關(guān)閉閥門，停止灌溉;當采集的土壤濕度值低于下限警戒值，系統(tǒng)報警，用戶可以以手動方式開啟閥門進行灌溉。具體流程如圖5。

5 ?小結(jié)

為了對枸杞園實施精細灌溉，有效節(jié)約水資源，提出了一種基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的枸杞園智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計方案，選擇低能耗、低成本、適應(yīng)性強的器件實現(xiàn)了傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計，給出了匯聚節(jié)點及傳感器節(jié)點的軟件設(shè)計流程，對自動灌溉方式進行了詳細討論。經(jīng)過在實驗農(nóng)場枸杞園實地檢測，系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠，滿足設(shè)計要求。

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