基于ZigBee和GPRS的远程果园智能灌溉系统的设计与实现

张观山，束怀瑞，高东升，侯加林，3*

(1.农业大学机械与电子工程学院，山东泰安 271018;2.国家苹果工程技术研究中心，山东泰安 271018 3.山东省园艺机械与装备重点实验室，山东泰安 271018)

1 系统整体结构设计

系统分四个子系统:ZigBee无线传感器网络、GPRS远程数据传输、Internet数据服务器、客户端，其结构示意图如图1所示。

ZigBee无线传感器网络由多个ZigBee无线节点汇集而成，无线节点定时通过土壤水分传感器采集土壤中水分含量，与设定的阀值进行比较得出相应的控制指令，开启或关闭电磁阀实现自动浇灌。同时单片机把采集的数据通过CC2430实现ZigBee无线网络传送到GPRS数据终端。

GPRS远程数据传输系统由内置工业级GPRS无线模块并带有标准RS232/485数据接口的GPRS DTU组成。GPRS无线模块负责把数据打包上传给服务器，在服务器端运行的mServer控制台应用程序负责把GPRS数据进行解析并把数据影射到服务器的虚拟串口。服务器运行的应用程序获取到虚拟串口的数据，储存到SQL数据库中。

Internet服务器网络架构在Widows Server 2003操作系统上，Internet数据服务器动态网页由VS2003和Microsoft.Net3.0编写，并有SQL Server2000数据库支持，进程之间的通信运用了Stock套接字，实现客户端与服务器的数据交互。用户可以方便的通过IE浏览GPRS传输的远程数据，并且也能通过浏览器发送控制命令到服务器，实现对果园土壤水分含量的远程监控与管理。

图1 系统结构Fig.1 The System structure

图2 无线传感器子节点设计硬件结构Fig.2 Sub－structure of wireless sensor node hardwar

2 无线传感器网络设计

2.1 ZigBee技术及特点

ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低成本的双向无线通信技术，工作在国际授权的2.4G、欧洲868MHz和美国915MHz三个免费频段［3］。ZigBee以一个个独立的工作节点为依托，通过无线通信组成星状、串状或网状网络，因此每个节点的功能并非都相同。系统采用内置ZigBee协议的CC2430 Zig-Bee模块，实现自动组网和信息的无线路由，通过SPI总线与CC2430进行数据交换［4］。

2.2 无线传感器子节点设计

每个ZigBee无线节点由单片机、土壤水分传感器、零压启动电磁阀、CC2430组成，结构如图2。

单片机采用美国ATMEL公司生产的ATmega128产品作为主控芯片。ATmega128是基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器，具有快速、灵活、集成度高，加密性强和易实现等诸多优点。它是连接传感器与无线网络的纽带，它定时采集土壤水分数据并与设定阀值进行比较，判断出该地的干旱情况，通过控制零压启动电磁阀实现相应的灌溉控制。同时它通过SIP总线向CC2430发送采集数据。

土壤水分传感器选用北京智海电子仪器厂生产的SWR－3型，具有测量精度高、响应速度快、互换性好、价格低廉等特点。其工作电压为10～30 V，响应时间小于1秒，在0～50%(m3/m3)范围内的精度为±2%(m3/m3)［6］，输出信号电压0～2.5 V，通过单片机AD口读出当前土壤水分含量。灌溉系统通过零压启动电磁阀实现，当电磁阀接通时启动水泵实现滴灌。

2.3 无线传感器节点信息采集流程

无线传感器节点信息采集流程如图3所示，系统上电后先进行ZigBee模块和系统的初始化，读出当前系统的运行模式、采集时间和上下限，启动定时器。采集当前土壤中水分信息，与设定值进行比较结合现在系统所处的工作模式执行相应的操作命令。同时这些数据通过SPI总线传送到CC2430模块，该模块经过ZigBee无线网络层层路由到GPRS数据终端。

图3 无线传感器节点采集信息流程图 Fig.3 The flow chart of wireless sensor nodes Collectioned of information

图4 GPRS数据通信组成结构Fig.4 GPRS data communication composition

2.4 GPRS 数据终端

GPRS数据终端包括:CC2430模块和GPRS DTU。GPRS DTU模块采用北科驿唐公司生产的609G高性能GPRS DTU。MD－609G基于ARM平台、嵌入式操作系统，内置工业级GPRS无线模块;提供标准RS232/485数据接口;支持多点到多中心应用。它具有高稳定性，能够实现无线数据实时传输，内嵌TCP/IP协议，具有高传输速率、永远在线的特点［5］。

CC2430模块接收无线传感器节点发送的数据信息，通过串口与GPRS DTU进行数据交互。当GPRS DTU接收到数据信息后，按照GPRS数据格式进行信息打包，上传到Internet数据服务器，实现数据的远程传输。同时接收来自数据服务器的控制指令，由CC2430模块发送给各个无线传感器节点。图4为GPRS数据通信组成结构。

3 服务器GPRS数据接收与Internet动态网页开发

3.1 无线数据传输与服务器软件设计

服务器软件分两部分:mSever控制台和数据存储后台。mSever控制台即无线通信服务软件，是无线数据终端与用户控制端进行连接的枢纽，也是它们之间相互通信的桥梁。无线数据终端通过GPRS网络和互连网连接到mSever控制台。

数据后台程序首先完成系统的初始化然后开始监听虚拟串口中的数据和检测SQL储存的命令数据。当接收完一个完整的数据包，程序首先进行数据校验，校验通过将其存入SQL数据库中，如果数据有异常就回复数据重发命令。命令数据通过SQL数据库进行传递，数据后台程序定时检测SQL状态数据的变化，如有新的数据就把数据进行诠释，传递给mSever控制台并发送给GPRS数据终端，如图5所示。

3.2 Internet动态网页开发

Internet动态网页开发包括:WEB数据管理和Internet网络应用两个部分。WEB数据管理是基于SQL Server2000设计实现的，SQL Server2000对数据的管理提供了完美的接口，使得开发周期大大缩短。并且对系统的稳定性有良好的保障。动态网页的数据浏览通过ZedGraph控件实现，可以根据任意数据集创建2D曲线、bar、和pie图。ZedGraph具有高度的灵活性，可以定制图形的每个方面。通过它来实现每一块果园中的土壤水分数据曲线的绘制。

图5 服务器GPRS数据接收流程图Fig.5 Servers Receive GPRS data flow chart

表1 2010年04月25日上传的土壤水分数据(m3/m3)Table 1 Thesoil moisture data in April 25，2010(m3/m3)

5 实验分析

首先在实验室对软硬件进行测试，达到设计要求后，安装到实际果园中进行综合测试。目前本系统安装在山东省肥城市边院镇的苹果园内，总体性能达到了预期的设计目标。根据设计要求，每个节点安装了四个土壤水分传感器，分别埋在地表下10 cm、20 cm、40 cm和60 cm处［7］。用户通过网络浏览器，就能实现数据的浏览和分析。管理者可将数据下载到本地机器中，对数据进行分析，通过发现问题、总结经验，帮助用户建立科学的管理模式，建立数字化的灌溉理念，对指导果树灌溉具有重要意义，表1是2010年04月25日上传的一段数据。

6 结论和分析

本文设计了基于ZigBee和GPRS网络、WEB数据管理的远程监控系统，系统使用了GPRS无线方案，大幅度提高了系统的移动性、便携性、组网灵活性，在农业应用领域有很好的发展前景。系统完成了以下几个功能。(1)无人远程监控;(2)数据定时离散采集;(3)全年长期对果园土壤含水量监控;(4)实现对果园土壤含水量的自动分析与处理。(5)实现了大面积果园灌溉远程控制的自动化。

［1］于海斌，曾 鹏，梁韦华.智能无线传感器网络系统［J］.北京:科学出版社，2006

［2］王艳玲，李正明.基于GPRS技术的农田信息远程检测系统的实现［J］.农机化研究，2007:65－67

［3］王庆华，屈玉贵，赵保华，等.无线传感器开发系统的设计及实现［J］.计算机技术，2009，34(6):37－40

［4］吴 键，袁慎芳.无线传感器网络节点的设计和实现［J］.仪器仪表学报，2006.9，27(9):1120－1124

［5］顾 群，陆春华.计算机远程监控系统在水产养殖中的应用［J］.仪表技术与传感器，2004(10):38－40

［6］赵燕东，王一鸣.智能化土壤水分分布速测系统［J］.农业机械学报，2005，36(2):76－78

［7］孙 凯，王一鸣，杨绍辉.墒情监测取样方法的研究［J］.农业工程学报，2004，20(4):74－78