基于无线传感网络的枸杞园智能灌溉系统设计

贾艳玲，朱瑜红，刘思远

摘要：为了实现枸杞园用水效率的提高，提出了一种基于无线传感网络的枸杞园智能灌溉系统设计方案。首先对传感器节点的硬件进行设计，讨论了各个模块的元器件选择，其次给出了汇聚节点及传感器节点的软件设计流程，对自动灌溉实现过程进行了分析，最终实现了由传感器节点、汇聚节点、电控阀门及上位机等组成的智能节水灌溉系统。系统性能稳定、可靠，对枸杞园实施大范围节水灌溉具有一定的参考价值。

关键词：无线传感网络;枸杞园;智能灌溉

中图分类号：TP29;S126        文献标识码：A        文章编号：0439-8114（2014）23-5861-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.23.061

枸杞是宁夏回族自治区“红、黄、蓝、白、黑”五宝之首，而中宁县则是宁夏枸杞的原产地。2002年“中宁枸杞”获得原产地证明商标，2009年被批准为“中国驰名商标”，2011年获得“消费者最喜爱的100个中国农产品区域公用品牌”称号[1]，该地区也成为宁夏的枸杞种植基地之一。由于种植时间较长，中宁县大部分老基地存在以下两个主要问题：一是基地由众多面积较小的单个枸杞园组成，实施模块化统一管理较困难，造成人力资源的极大浪费;二是枸杞园的灌溉方式较落后，仍旧以明渠、人工漫灌为主，不仅妨碍了枸杞树的生长，影响了枸杞的产量，且严重浪费了水资源。土壤水分是枸杞树吸收水分的主要来源，不论是土壤湿度过低造成枸杞树根系吸水困难，还是湿度过高造成枸杞树根系腐烂，都会严重影响枸杞的品质及产量。为此，建立可实时对枸杞园环境及土壤水分信息进行采集与分析，判断枸杞树是否缺水，并可自动进行合理灌溉的枸杞园智能灌溉系统，不仅可有效节约水资源及人力资源，且对枸杞基地的发展具有良好的借鉴意义。

传统的基于有线方式的灌溉控制系统在枸杞园智能灌溉系统中应用存在明显不足，一方面单个枸杞园面积小且分布较分散，不利于电缆的铺设;另一方面枸杞园内土壤酸碱性较高，易导致通信电缆老化，造成系统可靠性降低。ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，具有自组织、高数据速率、低复杂度等特点，满足无线传感网络的组网要求[2-6]，可有效避免基于有线方式系统的不足，较适合基地枸杞园智能灌溉系统的设计。为此，基于无线传感网络，提出了一种利用ZigBee技术的枸杞园智能灌溉系统设计方案，首先对环境参数采集节点的硬件进行设计，包括硬件结构图及各个模块的元器件选择，其次对节点（传感器节点和汇聚节点）的软件进行设计，然后对根据环境参数如何实现自动灌溉进行了详细讨论，最终实现了由传感器节点、汇聚节点、电控阀门及上位机等组成的智能灌溉系统。

1  系统总体结构

枸杞园智能灌溉系统总体结构如图1所示，主要由传感器节点（群）、汇聚节点、上位机和灌溉渠道等组成。

传感器节点合理布置在枸杞园内，完成枸杞园环境参数及土壤水分参数的实时采集，所有传感器节点均通过自组网方式构成网络，以ZigBee方式将采集到的参数信息传送到汇聚节点;汇聚节点通过RS232串口与上位机相连，将收集到的参数信息保存到上位机数据库中，实现数据的统一管理;用户通过对存储数据的计算和分析，采用预设的控制算法控制电控阀门的开启或关闭，实现精细灌溉;系统中的灌溉网络是在原有灌溉明渠基础上加装电控阀门改造而得到的，可极大地减少投入成本。

2  系统硬件设计

电控阀门的开启或闭合主要由传感器节点采集到的枸杞园环境参数及土壤水分参数控制，即传感器节点采集信息的准确与否对整个灌溉系统的性能有极大影响，所以传感器节点的设计至关重要。

2.1  传感器节点硬件设计

利用ZigBee技术的无线传感网络由布置在枸杞园的数量众多的传感器节点组成。传感器节点可以分为与应用相关和与应用不相关两部分，前一部分包括微处理器模块、射频模块及电源模块等，后一部分主要包括传感器模块（在采集不同参数时，传感器模块会有所不同）。传感器节点硬件框架如图2所示。汇聚节点与传感器节点相比，不具有参数采集功能，所以不包括传感器模块。

2.2  传感器节点各模块元器件选择

传感器节点是构成枸杞园智能灌溉系统的基本组成单元[7]，实现枸杞园环境及土壤水分参数的实时采集、参数信息数据预处理及发送等功能。由于枸杞园环境参数信息采集量大，所以需要布设的传感器数目较多，且枸杞园无线传输环境较复杂，这就要求传感器节点不仅要成本低，并且应具有体积小、功耗低、适应性强等特点。根据枸杞园智能节水灌溉系统的需要，传感器节点各模块选择元器件如下。

1）微处理器模块。以ATmega128单片机为核心，该单片机是ATMEL公司的8位系列单片机中最高配置的一款，基于AVR内核，采用先进的RISC结构，具有片内128 K程序存储器，与SPI总线兼容的编程接口，8个10位ADC通道和双可编程串行USART接口，除正常操作模式外，还具有6种不同等级的低能耗操作模式[8]。该款单片机不仅硬件结构简单、体积小，还可用软件设计控制采用何种节能模式，极易实现节点的节能降耗要求。

2）射频模块。选用TI公司的CC2430。该芯片延用了CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器，使用1个8 位MCU（8051），具有128 kB可编程闪存和8 kB的RAM，包含模拟数字转换器（ADC）、定时器（Timer）、协同处理器、看门狗定时器（Watchdog timer）、休眠模式定时器以及21个可编程I/O引脚[9，10]等，仅需很少的外围部件配合就能实现信号的收发功能，可有效降低系统的功耗[11]。endprint

3）传感器模块。传感器主要采集土壤水分及空气温湿度参数，综合系统设计和传感器节点低功耗的要求，土壤水分测量传感器选用美国Decagon公司研制的ECH2O型土壤水分传感器EC-5。EC-5的外层物质受盐碱度影响较小，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，可以长时间测量[12]。空气温湿度测量传感器选用EHT数字型空气温湿度传感器，其温度测量范围-40～60 ℃，精度为±1.0 ℃，湿度测量范围0%～100% RH，精度≤3%[13]。

4）电源模块。采用太阳能电池与备用电池组合，每个节点通过太阳能电池（或备用电池）供电，不必频繁更换，有效地降低了系统功耗。

3  系统软件设计

系统软件设计主要指汇聚节点和传感器节点的软件设计。汇聚节点主要负责建立无线网络，对其进行维护，网络建成后允许传感器节点加入，并给加入网络的传感器节点分配网络地址，接收传感器节点传送的数据，处理后发送给上位机。设计的汇聚节点软件流程图如图3。

大量的传感器节点组成无线传感器网络，每个传感器节点具有网络内惟一的网络地址[14]，传感器节点可以读取/发送各个传感器所采集的环境参数信息数据。设计的传感器节点软件流程图如图4。

4  自动灌溉控制流程

系统每个传感节点通过土壤水分测量传感器自动采集土壤水分湿度信息，结合预设的湿度上、下限警戒值，判断是否需要灌溉及采用何种方式灌溉。系统中湿度上限警戒值为土壤饱和含水量[15]，下限警戒值为枸杞树枯萎含水量。当采集的土壤水分湿度值位于上、下限警戒值之间，采用自动灌溉方式开启电控阀门灌溉，当达到预先设定的流量时关闭阀门，停止灌溉;当采集的土壤湿度值低于下限警戒值，系统报警，用户可以以手动方式开启阀门进行灌溉。具体流程如图5。

5  小结

为了对枸杞园实施精细灌溉，有效节约水资源，提出了一种基于无线传感网络的枸杞园智能灌溉系统设计方案，选择低能耗、低成本、适应性强的器件实现了传感器节点的硬件设计，给出了汇聚节点及传感器节点的软件设计流程，对自动灌溉方式进行了详细讨论。经过在实验农场枸杞园实地检测，系统性能稳定、可靠，满足设计要求。

参考文献：

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