基于物联网架构的温室节水自动灌溉系统研究

张素　刘宇

【摘 要】我国是一个水资源非常贫乏的国家，人均水资源量仅为世界平均水平的四分之一，同时中国又是一个农业大国，长期的粗放型农业生产方式大大的浪费了宝贵的水资源。本文旨在设计一套基于zigBee无线传感器网络技术，能对作物生长的土壤湿度进行自动监控的系统，它能对作物进行适时、适量的灌溉，起到高效灌溉，节水、节能的作用。

【关键词】zigBee；自动监控；节水灌溉

【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

我国是个水资源非常缺乏的国家，传统的温室节水控制系统存着以下缺点：

1）单独依靠灌溉流程的最后环节来解决，没有将水资源的开发、输送、分配等因素全盘综合考虑，真正的做到按需精确的给水。

2）在实际的农业生产应用时，需要密布传感器节点，才能实现对监测区域的有效覆盖，这将导致农业设施内部线缆纵横交错，系统安装及维护成本急剧增加。

本研究拟将物联网架构的无线传感器技术应用于节水灌溉系统中。以ZigBee无线网络技术为依托构建物联网架构的温室节水灌溉系统。内容包括：利用ZigBee无线网络技术的低功耗、低成本、免许可无线通信频段等特点，将其引入到温室灌溉系统中，避免了大量信号线的敷设；

另外，因为温室是采光建筑，透光性较好，本项目将太阳能供电技术应用到温室土壤温、湿度检测之中，利用太阳能供给环境检测所需电力，在不利于电力线路敷设的区域也可以实现电力供给，并且节能、环保。

国外灌溉监控系统在运行、管理方面的自动化程度较高，并且系统也相对比较完善。在农业机械化和自动化程度较高的美国、日本、荷兰、西班牙和以色列等国家中，很多灌溉控制的技术值得我们在农业灌溉现代化过程中借鉴。

1 系统设计原则

结合灌溉系统自身的特点和当前国内外各种精准灌溉的优劣，本系统的设计遵循以下原则：

1）能时时刻刻的监测灌溉区域的土壤含水量，这是我们做精准灌溉的基础。如果做不到实时监测，空谈精准就毫无根据可言。

2）能够准确的读取灌溉区域土壤含水量，这是精准灌溉的精髓所在，如果连含水量的监测都无法保证精确，就无从说起控制。

3）方便而实用。用户不需要过于复杂的操作，而需要经过专业技术人员的培训之后便能熟练的操作。

4）节能，低碳。系统不需要复杂的交流电连接，这样既不破坏植被的美观又能节约能源。

5）低成本。国外很多先进的精准灌溉系统虽然己经做的很好了，但是高昂的价格根本不是我国农民能承受得起的。因此只有价格低廉有利于推广。

2 系统总体设计方案

3 温室无线环境检测系统的方案设计

整个检测系统由zigbee无线传感器网络和上位机检测平台两部分组成。zigbee无线传感器网络由传感器节点、路由节点和协调器节点组成，分布在温室的各个区域。无线传感器节点分为传感器节点和路由节点 协调器节点。系统运行时，传感器节点周期性地完成数据采集并通过 Zig-Bee 网络汇总到协调器，协调器将采集的数据通过多跳的方式汇聚到远程监控中心的基地管理监测平台。基地管理监测平台收到所有节点周期性汇聚的数据后，采用 SQLite 数据库对采集的数据进行存储、查询等管理，并可以通过 GPRS 或 Internet 网络将监测数据发送到远程监控中心的服务器上，使得用户可以随时通过 Internet 登录到服务器网站查阅或分析处理数据，为多个区域的环境信息集中管理和和综合应用提供支持。此外，还可以对写入数据库的数据进行判断，当超过管理人员设置的阈值时，通过启动声光报警器、GSM 短信等多种方式预警，并根据设计的算法将不同的控制命令发送到控制节点，由控制节点驱动相应的执行机构，完成相应的策略。检测系统的整体结构图如图1所示。

4 无线传感器网络节点的硬件设计

无线传感器网络节点有三种：传感器节点、路由节点和协调器节点。这三种节点在硬件设计上有部分内容是重叠的。节点主要由数据处理模块和无线通信模块组成。本设计选用了CC2430芯片，从而简化了电路的设计。传感器节点采集与环境有关的数据，因此除完成数据收发外，还需要数据采集模块。另外，所有节点均采用太阳能供电，网络中节点的结构如图2所示。

5 太阳能供电模块

为了更好地解决传感器节点的能量供给问题，提出了基于太阳能的能量供给系统，主要由太阳能电池组件、能量管理控制器、蓄电池（组）三部分组成。太阳能电池组件保证使用寿命长，设计在20年以上；蓄电池容量能满足设备负载7天连续阴雨天供电。为了降低能耗，采用类似于智能手机的供电方式，即采用锂电池的供电的设计方案。太阳能控制器控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。供电模块结构图如图3所示。

6 系统软件设计

系统软件的设计要实现预想的功能，除此之外应该考虑复杂度和功耗等一些优化措施。本系统的软件设计包含这几个部分：协调器节点（coordinator）软件设计，控制功能节点（router）软件设计，客户端软件设计。这几部分的关系如图4所示：

7 结论

针对温室环境湿度大、基础设施少、作物众多且动态变化等特点，本文设计了基于 ZigBee 的温室自动灌溉系统。设备基于太阳能供电，实现现场实时监测、远程监控报警、灌溉阈值设置灵活以及休眠等功能，并为用户提供直观的系统管理平台来完成节点管理和数据处理功能。设备使用证明，其具有良好的稳定性，并能满足不同作物不同时期灌溉的需要。同时，具有系统误差低、响应速度快、部署灵活、成本低廉、维护简单等特点。该设备的研制和使用为建立大型远程智能灌溉系统提供经验和技术支持。

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[责任编辑：侯天宇]