基于ZigBee技术的农田滴灌自动控制系统设计

盛 会，郭 辉

(新疆农业大学机械交通学院，乌鲁木齐 830052)

我国西北地区由于水资源短缺，农业生产在很大程度上依赖于滴灌技术。滴灌技术作为目前世界上最先进的节水灌溉技术之一，属于全管道输水和局部微量滴灌，使水分的渗漏和损失减少到最低[1]。

长期以来，我国滴灌技术一直没有田间信息的实时采集与分析，导致灌溉对人工经验的依赖程度过高，严重影响了滴灌效益的发挥。而基于计算机的滴灌测控系统，又由于繁琐的布线和较高成本，难以在生产实际中推广。近年来，随着无线传感器网络的较快发展，ZigBee以其低功耗、低成本、自动配置组网等优点，得到了广泛应用[2]。逐步提出了基于ZigBee无线传感器网络的智能节水滴灌控制系统。通过ZigBee和GPRS技术在智能灌溉系统中的应用，实现了对灌溉的远程控制与监控[3]。同时随着模糊控制、调亏理论以及相关软件在智能灌溉中的应用，使灌溉更加智能合理[4,5]。Ning Wang等[6]将无线传感器网络在精细农业中的应用主要概括为以下4个方面：空间数据采集、精准灌溉、变量作业、提供数据给农民。

1 系统总体设计

系统整体可分为室内控制中心和传感器节点两部分。传感器节点将采集到的温度、湿度、光照等田间信息通过ZigBee网络传输到室内控制中心，控制中心根据作物水分运移理论和农田水分调度原理进行智能分析，判断农作物是否缺水，然后通过指令做出相应决策。灌溉过程中，系统还将实时对输水管路中的水压和水流进行检测。以实现对整个系统的动态监控，准确、科学地确定作物最佳灌水时间的灌水量，达到自动灌溉的要求。根据新疆多数滴灌系统中每个出水桩分左右两个出水口的实际情况，每个传感器节点设置两组传感器分别采集田间信息。为省去繁琐的布线问题，系统采用太阳能电池板进行供电。其系统整体设计框图如图1所示。

图1 系统整体设计框图

1.1 检测因素的确定

(1)温度和湿度。土壤温度与土壤湿度作为影响作物生长和灌溉的最主要因素，首先被确定为系统检测因素。

(2)光照强度。光照对作物的蒸腾作用具有一定影响。如果夏季光照强烈时灌溉，将导致作物出现“生理干旱”，对作物生长造成较大影响。因此将光照强度作为一个重要检测因素。

(3)灌溉水压。受到泵站供水、地形起伏和局部水头损失等因素的影响，灌溉水压会发生一定变化。而水压又会对滴管带寿命、滴灌稳定性和自动施肥器工作造成影响，因此将水压作为系统灌溉过程中的一个重要监控因素。

(4)滴灌带水流。水流大小检测主要用于对滴灌带堵塞情况的监控。

1.2 硬件的选取

1.2.1 主控芯片的选取

ZigBee芯片选用TI公司推出的新一代CC2530标准芯片。CC2530 集成了一个高性能2.4 GHz直接序列扩频射频收发器和一颗8位MCU(8051)控制器，以及21个可编程I/O引脚，2 个支持多种串行通信协议的USART。以该芯片为核心器件的PCB天线模块，功耗低、抗干扰能力强，相近节点间通信距离为10～100 m，在加大模块发射功率后，通信距离可增至1～3 km[7]。该芯片满足农田节点间通信需求。

1.2.2 传感器的选取

(1)温湿度传感器。选用瑞士Sensirion 公司生产具有I2C 总线接口的数字式传感器SHT20。它是基于4C 代CMOSens®芯片的新型智能低功耗传感器，可直接将检测结果转换成串行数字信号输出，简化了外围硬件的设计[8]。供电电压为DC 2.1～3.6 V。

(2)光照传感器。选用集成了光电二极管和ADC(即模拟数字转换器)的环境光传感器MAX44009。其具有I2C数字接口，测量范围0.045～188 000 lux，供电电压为DC 1.7～3.6 V。

(3)压力变送器。选用RS485输出信号的通用型压力变送器CYYZ11-H。其符合标准 Modbus-RTU协议，分辨率为0.05%，测试范围为0～0.6 MPa，供电电压为DC 9～36 V。

(4)水流量传感器。选用YF-S201流量传感器。允许耐压水压1.75 MPa，工作电压DC 5～18 V。

1.2.3 执行元件的选取

执行部分采用DC12V4分常闭电磁阀。硬件报警器采用普通DC5V声光报警器。

2 系统电路设计

为节省开发时间和成本，控制节点采用开发板模块，电路设计主要针对传感器节点。为解决传感器节点繁琐的布线问题，采用12V太阳能电池板对其供电。传感器节点的电路组成主要包括：电源模块、传感器检测电路、电磁阀驱动电路、PCB模块和辅助电路等。

(1)电源模块。由于传感器和执行元件的电压要求不同，因此需要设计12 V-5 V-3.3 V直流稳压电路。主要使用正电压稳压芯片LM7805和低压降线性稳压器芯片AMS1117-3.3 V来完成电压转换。

(2)传感器检测电路。其主要的RS485转换电路采用SP485EEN-L/TR芯片对压力变送器的RS485输出信号进行转换。其电路图如图2所示。

图2 RS485转换电路

(3)电磁阀驱动电路。采用光耦EL817C芯片，使CC2530芯片和电磁阀的驱动部分在电气上完全隔离, 避免了强电干扰或损坏芯片。其电路图如图3所示。

图3 电磁阀驱动电路

传感器节点电路还包含按键、发光二极管和接口组成的辅助电路。其整体电路图如图4所示。

图4 传感器节点电路图

3 系统软件设计

ZigBee协议中物理设备分全功能设备(FFD)和精简功能设备(RFD)两种[9]。FFD拥有完整的协议功能，支持任何拓扑结构和通信方式；RFD通常只用于星形网络拓扑结构中作为终端设备节点，相互之间只能通过FFD通信。

控制节点作为协调器使用全功能设备，在网络中有且只有一个，主要负责建立网络、发送网络信标、管理网络节点、对消息进行路由选择等功能[10]。实现向主控制器返回田间信息及向传感器节点发送控制指令。

传感器节点作为路由器也使用全功能器件，具体数量可根据灌溉面积和网络的稳定性能决定。作为多跳路由，辅助其他节点完成通信，在进行环境数据采集的同时，也接受协调器的命令控制系统的执行端。

为满足实际运行要求，系统采用自动控制和手动控制相结合的方式进行管控，同时加入软硬件辅助报警功能。为解决农田大面积种植以及地块分散等原因对网络稳定性能的影响，系统采用具有动态组网和自动路由功能的网状拓扑结构。

3.1 ZigBee模块编程

ZigBee作为一种短距离、低功耗、低成本的双向无线通信技术，其模块的软件开发是基于IAR Embedded Workbench (简称EW) 平台在ZigBee 2007 协议栈的基础上进行的[11]。协议栈基于标准的7层开放式系统互联模型[12]。每一层为其上层提供特定的服务。系统主程序流程图如图5所示。

图5 系统主程序流程图

3.2 上位机编程

上位机在本系统中具有较为重要的作用，采用VS2015/MFC进行编写。上位机主要实现两方面的功能：一方面对传感器节点传回的数据进行实时显示和记录；另一方面将各组传感器数据与设定值进行比较分析，判断田间信息和灌溉系统是否正常，然后做出相应决策。

系统采用自动控制和手动控制相结合的管控方式，可同时对温度、湿度、光照和灌溉水压4个因素进行设定，并采用了界面窗口显示和硬件相结合的报警方式。系统数据通过Access2016数据库进行记录，以满足后期数据分析的需求。上位机主界面如图6所示。

图6 上位机主界面

4 结 语

通过实际测试，上位机可正常显示和记录各传感器节点数据。手动模式下，可以通过按钮手动控制阀门开关；自动模式下，在满足温度、湿度和光照的设定参数时，阀门自动开启关闭，否则阀门将处于常闭状态。并对光照强度过高、阀门打开后管道压力过低或无水流等情况做了报警处理。

本文所设计的基于ZigBee技术的农田滴灌自动控制系统，实现了对田间信息的显示和记录，可以按照设定的系统参数进行灌溉，满足了对特殊情况的软硬件报警需求。符合设施农业智能化、网络化发展的趋势, 具有一定的推广价值和应用前景[13]。较好地解决了，传统滴灌系统中因无田间信息采集，对人工经验的过度依赖问题。同时ZigBee的无线技术也解决了有线通信方式带来的繁琐布线、难以维护和 不便扩展等突出问题。该系统运行稳定,抗干扰性强,在通信速度和通信距离上均能满足实际需求,且能较大降低安装和维护成本。

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