基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的溫室節(jié)水自動(dòng)灌溉系統(tǒng)研究

張素　劉宇

【摘 要】我國(guó)是一個(gè)水資源非常貧乏的國(guó)家，人均水資源量?jī)H為世界平均水平的四分之一，同時(shí)中國(guó)又是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，長(zhǎng)期的粗放型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式大大的浪費(fèi)了寶貴的水資源。本文旨在設(shè)計(jì)一套基于zigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能對(duì)作物生長(zhǎng)的土壤濕度進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控的系統(tǒng)，它能對(duì)作物進(jìn)行適時(shí)、適量的灌溉，起到高效灌溉，節(jié)水、節(jié)能的作用。

【關(guān)鍵詞】zigBee；自動(dòng)監(jiān)控；節(jié)水灌溉

【Abstract】China is a country poor in water resources， per capita water resources is only a quarter of the world average， while our country is an agricultural country， long-term extensive farming great waste precious water resources. The purpose of this paper is to design a set of based on zigBee wireless sensor network technology， to automatically crop growth of soil moisture monitoring system， it can timely， right amount of crop irrigation， and a high efficient irrigation， water saving， energy saving effect.

【Key words】zigBee； Automatic monitoring； Water-saving irrigation

0 引言

我國(guó)是個(gè)水資源非常缺乏的國(guó)家，傳統(tǒng)的溫室節(jié)水控制系統(tǒng)存著以下缺點(diǎn)：

1）單獨(dú)依靠灌溉流程的最后環(huán)節(jié)來(lái)解決，沒(méi)有將水資源的開(kāi)發(fā)、輸送、分配等因素全盤(pán)綜合考慮，真正的做到按需精確的給水。

2）在實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用時(shí)，需要密布傳感器節(jié)點(diǎn)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的有效覆蓋，這將導(dǎo)致農(nóng)業(yè)設(shè)施內(nèi)部線纜縱橫交錯(cuò)，系統(tǒng)安裝及維護(hù)成本急劇增加。

本研究擬將物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的無(wú)線傳感器技術(shù)應(yīng)用于節(jié)水灌溉系統(tǒng)中。以ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的溫室節(jié)水灌溉系統(tǒng)。內(nèi)容包括：利用ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的低功耗、低成本、免許可無(wú)線通信頻段等特點(diǎn)，將其引入到溫室灌溉系統(tǒng)中，避免了大量信號(hào)線的敷設(shè)；

另外，因?yàn)闇厥沂遣晒饨ㄖ腹庑暂^好，本項(xiàng)目將太陽(yáng)能供電技術(shù)應(yīng)用到溫室土壤溫、濕度檢測(cè)之中，利用太陽(yáng)能供給環(huán)境檢測(cè)所需電力，在不利于電力線路敷設(shè)的區(qū)域也可以實(shí)現(xiàn)電力供給，并且節(jié)能、環(huán)保。

國(guó)外灌溉監(jiān)控系統(tǒng)在運(yùn)行、管理方面的自動(dòng)化程度較高，并且系統(tǒng)也相對(duì)比較完善。在農(nóng)業(yè)機(jī)械化和自動(dòng)化程度較高的美國(guó)、日本、荷蘭、西班牙和以色列等國(guó)家中，很多灌溉控制的技術(shù)值得我們?cè)谵r(nóng)業(yè)灌溉現(xiàn)代化過(guò)程中借鑒。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

結(jié)合灌溉系統(tǒng)自身的特點(diǎn)和當(dāng)前國(guó)內(nèi)外各種精準(zhǔn)灌溉的優(yōu)劣，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循以下原則：

1）能時(shí)時(shí)刻刻的監(jiān)測(cè)灌溉區(qū)域的土壤含水量，這是我們做精準(zhǔn)灌溉的基礎(chǔ)。如果做不到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，空談精準(zhǔn)就毫無(wú)根據(jù)可言。

2）能夠準(zhǔn)確的讀取灌溉區(qū)域土壤含水量，這是精準(zhǔn)灌溉的精髓所在，如果連含水量的監(jiān)測(cè)都無(wú)法保證精確，就無(wú)從說(shuō)起控制。

3）方便而實(shí)用。用戶不需要過(guò)于復(fù)雜的操作，而需要經(jīng)過(guò)專業(yè)技術(shù)人員的培訓(xùn)之后便能熟練的操作。

4）節(jié)能，低碳。系統(tǒng)不需要復(fù)雜的交流電連接，這樣既不破壞植被的美觀又能節(jié)約能源。

5）低成本。國(guó)外很多先進(jìn)的精準(zhǔn)灌溉系統(tǒng)雖然己經(jīng)做的很好了，但是高昂的價(jià)格根本不是我國(guó)農(nóng)民能承受得起的。因此只有價(jià)格低廉有利于推廣。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

3 溫室無(wú)線環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)由zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)檢測(cè)平臺(tái)兩部分組成。zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成，分布在溫室的各個(gè)區(qū)域。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)分為傳感器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn) 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)周期性地完成數(shù)據(jù)采集并通過(guò) Zig-Bee 網(wǎng)絡(luò)匯總到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器將采集的數(shù)據(jù)通過(guò)多跳的方式匯聚到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的基地管理監(jiān)測(cè)平臺(tái)?；毓芾肀O(jiān)測(cè)平臺(tái)收到所有節(jié)點(diǎn)周期性匯聚的數(shù)據(jù)后，采用 SQLite 數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、查詢等管理，并可以通過(guò) GPRS 或 Internet 網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的服務(wù)器上，使得用戶可以隨時(shí)通過(guò) Internet 登錄到服務(wù)器網(wǎng)站查閱或分析處理數(shù)據(jù)，為多個(gè)區(qū)域的環(huán)境信息集中管理和和綜合應(yīng)用提供支持。此外，還可以對(duì)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，當(dāng)超過(guò)管理人員設(shè)置的閾值時(shí)，通過(guò)啟動(dòng)聲光報(bào)警器、GSM 短信等多種方式預(yù)警，并根據(jù)設(shè)計(jì)的算法將不同的控制命令發(fā)送到控制節(jié)點(diǎn)，由控制節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成相應(yīng)的策略。檢測(cè)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

4 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)有三種：傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。這三種節(jié)點(diǎn)在硬件設(shè)計(jì)上有部分內(nèi)容是重疊的。節(jié)點(diǎn)主要由數(shù)據(jù)處理模塊和無(wú)線通信模塊組成。本設(shè)計(jì)選用了CC2430芯片，從而簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)。傳感器節(jié)點(diǎn)采集與環(huán)境有關(guān)的數(shù)據(jù)，因此除完成數(shù)據(jù)收發(fā)外，還需要數(shù)據(jù)采集模塊。另外，所有節(jié)點(diǎn)均采用太陽(yáng)能供電，網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

5 太陽(yáng)能供電模塊

為了更好地解決傳感器節(jié)點(diǎn)的能量供給問(wèn)題，提出了基于太陽(yáng)能的能量供給系統(tǒng)，主要由太陽(yáng)能電池組件、能量管理控制器、蓄電池（組）三部分組成。太陽(yáng)能電池組件保證使用壽命長(zhǎng)，設(shè)計(jì)在20年以上；蓄電池容量能滿足設(shè)備負(fù)載7天連續(xù)陰雨天供電。為了降低能耗，采用類似于智能手機(jī)的供電方式，即采用鋰電池的供電的設(shè)計(jì)方案。太陽(yáng)能控制器控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對(duì)蓄電池起到過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)的作用。供電模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)預(yù)想的功能，除此之外應(yīng)該考慮復(fù)雜度和功耗等一些優(yōu)化措施。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包含這幾個(gè)部分：協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（coordinator）軟件設(shè)計(jì)，控制功能節(jié)點(diǎn)（router）軟件設(shè)計(jì)，客戶端軟件設(shè)計(jì)。這幾部分的關(guān)系如圖4所示：

7 結(jié)論

針對(duì)溫室環(huán)境濕度大、基礎(chǔ)設(shè)施少、作物眾多且動(dòng)態(tài)變化等特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了基于 ZigBee 的溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)。設(shè)備基于太陽(yáng)能供電，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程監(jiān)控報(bào)警、灌溉閾值設(shè)置靈活以及休眠等功能，并為用戶提供直觀的系統(tǒng)管理平臺(tái)來(lái)完成節(jié)點(diǎn)管理和數(shù)據(jù)處理功能。設(shè)備使用證明，其具有良好的穩(wěn)定性，并能滿足不同作物不同時(shí)期灌溉的需要。同時(shí)，具有系統(tǒng)誤差低、響應(yīng)速度快、部署靈活、成本低廉、維護(hù)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。該設(shè)備的研制和使用為建立大型遠(yuǎn)程智能灌溉系統(tǒng)提供經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)支持。

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[責(zé)任編輯：侯天宇]