基于ZigBee的远程智能浇灌系统设计

曾泽良，郭金星，蓝潘生，胡 洁

（桂林电子科技大学，广西 桂林 541004）

最近几年，由于人口的增长和城市化、工业化的发展，水资源严重缺乏，节能减排是关键的热点。在现在的公园和果园中，需要人工对植物灌溉进行护理，需要大量的人力和物力，并且在对植物进行灌溉的时候，没有对水的利用进行有效的控制，大大浪费了水资源[1]。本文设计一种用传感器监测土壤的湿度情况，对其进行定点定量浇灌，作为无线传感器网络技术在智能灌溉领域的探索性研究，可为以后建立大型的远程智能灌溉系统奠定基础。

1 方案设计

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据ZigBee的特征，本文设计的ZigBee无线传感器网络结构如图1所示。

图1 ZigBee无线传感器网络结构

根据对远程智能浇灌系统的功能需求调查结果，本文设计了如下功能。

（1）数据采集功能。通过ZigBee模块对传感器进行读取，获取土壤温湿度、空气温湿度和日照强度信息数据，通过无线传感器网络发送传感器数据。

（2）数据通信功能。把传感器节点监测到的数据进过多跳传递经ZigBee传感器网络、GPRS网络、互联网，传送到服务器上，以及把管理平台的控制指令再发送到监控节点完成整个数据间的双向通信。

（3）远程控制功能。管理平台远程发送指令，控制电磁阀门实现灌溉操作的远程控制。

（4）自动控制功能。管理平台根据传感器信息分析环境状态，自动远程发送指令控制电磁阀门，进而实现灌溉操作的远程自动控制。

本文设计的远程智能浇灌系统的实现主要解决以下两个方面的技术要求。

（1）电路系统的供电问题。用于ZigBee无线传感器节点和汇节点均采用电池供电，因此对功耗要求非常苛刻，对电池的容量也有较高的要求，并且根据实用性考虑尺寸也不能太大，因而要求能量密度大并且能满足户外的工作环境要求。

（2）无线通信的可靠性问题。首先，要求本系统要有无线网络的自组织功能，能够在无需人工干预的情况下，各网络节点能够接收到其他节点的无线信号后确立连接关系，组成结构化的整体网络。其次，要求本系统要有无线网络的自愈功能，在对整体网络增加或删除一个节点时，或者在节点位置发生变动、节点发生故障等情况下，无线网络系统都能够在无需人工干预的条件下通过自我修复，重新确立各个节点的连接关系，对网络拓扑结构相应地调整，保证网络通信正常、系统正常工作。

2 硬件电路设计

本文所设计的ZigBee无线网络的汇节点主要由GPRS模块和ZigBee模块构成，ZigBee模块用于连接无线传感器节点进行通信，GPRS模块用于进行连接因特网。太阳能电池板、电源管理模块和电池用于提供稳定可靠的电源[2]。汇节点原理框如图2所示。

图2 汇节点原理框

ZigBee无线传感器节点的设计需考虑系统的主要功能，因此，需包含的传感器包括土壤温湿度检测传感器、电磁阀控制模块、光照强度检测传感器和空气温湿度检测传感器。传感器节点原理框如图3所示。

图3 传感器节点原理框

如图3所示，电源部分，太阳能电池板、电源管理模块和电池用于提供稳定可靠的电源。ZigBee模块读取传感器数据后，将数据通过网络以ZigBee方式向汇节点发送。

空气温湿度采用DH11。DH11是非常常用的空气温湿度传感器，以单总线方式与ZigBee模块连接。

土壤温湿度传感器采用电阻式传感器，利用电阻变化测量温湿度，ZigBee模块通过读取AD信号可获取土壤温湿度信息。

光强传感器采用TSL2561。TSL2561通过IIC与ZigBee模块通信。

电磁阀门驱动模块可采用继电器方式，也可采用MOS管方式。

3 上位机程序设计

上位机可采用面向对象语言VB进行编程。上位机界面如图4所示。

在本系统中，上位机软件主要包括界面设计、数据库和网络通信。界面设计并不复杂，主要用于显示各个传感器节点的数据信息，显示文字和数据可通过text控件，控制输入可通过bottom控件，界面的规整可以采用容器控件，为便于编写程序，对相同数据类型的控件可以使用控件数组[3]。数据库用于存储各个传感器节点的数据信息，并对数据进行统计处理，便于用户查看记录。网络通信部分用于从以太网中获取传感器节点经由汇节点发送来的信息，并将数据从管理平台发送到传感器节点。后台程序通过分析记录在数据库的信息，判断阈值，当传感器数据达到阈值时向传感器节点发送控制指令，从而自动控制。

图4 上位机界面示意

4 结语

本文基于ZigBee技术设计了一种远程智能浇灌系统，系统包括管理平台、汇节点和无线传感器节点。无线传感器节点检测土壤温湿度、空气温湿度及光照强度，基于ZigBee无线网络经由汇节点发送到管理平台，管理平台将数据记录到数据库中，并通过分析记录在数据库的信息，判断阈值，从而进行自动远程浇灌控制。

[1]刘娉婷.基于WSN的智能温室大棚多参数监控系统[D].唐山：华北理工大学，2015.

[2]车孝轩.太阳能光伏发电及智能系统[M].武汉：武汉大学出版社，2013.

[3]丁浩宸.基于ARM的远程可视化智能灌溉系统设计与实现[D].大连：大连理工大学，2014.