基于ZigBee的智能灌溉装置设计

崔佳民，郭 栋

（浙江水利水电学院 电气工程学院，浙江 杭州 310018）

我国是一个水资源紧缺国，同时又是一个农林业大国，农林业用水所占比重较大，用水矛盾十分突出。另一方面，不管是农业灌溉还是城市绿化用水通常凭借经验定时灌溉，是一种很粗放的方式，这种原始的灌溉方式既无法保证植物科学用水量，同时又大大浪费了宝贵的水资源。加强对土壤墒情的准确监测，并通过控制装置实现自动灌溉，有助于做好科学的给水措施，实现水资源的合理利用及农林业的健康发展。

1 无线数据采集与传输

（1）无线传感器节点。无线传感器节点具有采集数据和无线传输的功能：一方面来实现土壤温度、湿度等参数的测量采集和处理；另一方面实现数据的融合和收发。对自身采集的数据和收到的其他节点数据进行融合，再转发到汇聚节点。所探测范围内的土壤墒情，通过无线方式将数据传送给网关。

无线传感器节点由采集模块、数据处理模块、无线通信模块和供电模块四部分组成，如图1所示。其中，采集模块负责采集对应节点的土壤墒情；数据处理模块转换采集的原始数据；无线通信模块主要完成与数据通信任务，供电模块负责传感器节点运行时能量供应。

图1 无线传感器节点框图

本系统无线传感器网络方案拟采用ZigBee组网技术。无线传感器节点硬件拟采用TI公司的CC2530作为主控芯片开发，它集成了ZigBee射频前端、内存和微控制器，以及丰富的资源外设。主控芯片可以工作在休眠状态，功耗极低，满足无线传输低功耗的要求。为了使得采集覆盖范围广，采用CC2591射频放大芯片，加上6DB的高增益天线的作用，将无线传感器网路的覆盖范围大大提高。

（2）数据采集传感器选型。传感器是进行数据采集的基础和前提，组成物联网的基本单位，对其选用，遵循实用、经济、标准、耐用的原则。本系统用于检测土壤温湿度，综合系统设计和对传感器节点的设计要求，拟选择Decagon公司研制的ECH2O土壤水分传感器。其特性为探针阻抗随土壤含水量的变化不同，造成传输线两端电压的不同，通过测量高频传输线两端电压幅值差的方法得到土壤含水量。图2为本项目拟选择传感器实物图。

无线传感器节点实现预期目标：

系统检测范围及其精度：

温度：-20℃～50℃。精度±0.5℃

湿度：5%～95%。精度±2%

图2 土壤水分传感器

该项目根据节点位置将网络划分为区域，区域无线节点可以相互通信并有很强的协同能力，通过转发其它节点的信息，节点之间构成多跳的通信网络。每个区域内有一个首节点，可以克区域内的所有节点通信，它来发布管理节点的检测任务，并负责将来自区域内节点采集的数据通过不同区域，通过多跳数据路由传送给主控终端，实现收集网络监测数据的目标。

2 控制策略研究

选取预实施精准灌溉的试验田，划定50m*50m和100m*100m两种方式来采集2组土壤含水量的数据，应用试验数据，从统计特征值和空间结构性两个方面，对丘陵区小面积田块的土壤含水量进行空间异性分析，得出土壤含水量样本的平均值与采样点的离散程度，结合无线传感网络组网的最大传输距离与田间土壤含水率采样精度，确定采样信息。

灌溉控制策略模糊推理算法，两个输入量：作物蒸散量和土壤含水量，一个输出量：作物需水量。控制规则采用分段2段进行模糊控制，首先系统定时从传感器获得土壤含水量，如果土壤含水量高于上限值就停止灌溉，如果低于下限值，就对作物进行灌溉，直到高于下限值；如土壤含水量介于上、下限之间时，就采用模糊控制规则，对土壤含水量的偏差和偏差变化率进行规范化和模糊化处理，处理后的值带入模糊控制规则库，得出控制量。模糊控制器结构如图3所示。

远程监控中心是完整的节水灌溉控制系统，能够通过网络对现场进行远程实时监控，了解当前灌溉情况和历史记录。

图3 模糊控制器结构图

4 结语

3 物联网通信网络

本系统采用无线通信方式，局域网采用ZigBee节点组网，实现低功耗、低成本的节点组成。远程无线传输通过GPRS通信实现。节点信息通过局域网和GPRS远程网络传输至终端显示，人们可以在有网络的地方实时掌握现场环境动态，控制信息也可通过无线通信模块传送至节点，根据需要进行科学控制。通信模块原理框图如图4所示。

实时监测是实现智能灌溉的必要基础，通过无线传感器节点，能够进行数据采样、组网并对采集的数据进行滤波与自适应加权运算，可以及时、准确的获取土壤墒情。无线节点监测的土壤墒情信息，通过GPRS无线网络上传至主控节点。主控节点通过先进的数据融合方法对土壤温度、环境温度、以及各种不同作物的特性等因素进行融合，通过软件模糊控制算法实现对无线节点的优化控制。无线节点的控制端根据设定的阈值及时控制电磁阀的开启和关闭，实现智能灌溉控制。

图4 通信模块原理框图

参考文献

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