基于ZigBee和GPRS的大棚灌溉系统远程监控研究

左艳丽

摘要：在介绍ZigBee和GPRS技术硬件设计特点基础上，从近距离无线通信技术zigBee、远距离无线通信技术GPRs两部分分析了ZigBee和GPRS大棚灌溉系统的软件特点，阐述了ZigBee和GPRS大棚灌溉系统具备及时性、精确性、可扩展性及操作简便、故障诊断、管理可移动等功能特点。ZigBee和GPRS技术应用到农业大棚灌溉系统中，能够实现农业大棚灌溉远程监控及无人化调控管理，为科技农业提供广阔的发展前景。

关键词：ZigBee;PGRS;大棚灌溉;远程监控

随着大棚种植技术的不断成熟，我国的大棚种植面积也在不断扩大。大棚种植技术在一定程度上减缓了自然因素对植物生长的影响，通过人工调节改变农作物的生长环境，人为地为农作物提供适宜的生长发育条件，是对传统农业的发展。大棚种植改变了传统农作物生长地域和季节的限制，改变了传统农业的种植生产模式，推动了新型农业的发展进程。由于大棚是个封闭的环境，不能享受到自然降雨的好处，所以，必须进行人工灌溉才能满足农作物生长对水分的需求。早期，人们往往是通过眼睛直接观察大棚内的湿度情况，或通过查看农作物的生长状态判断是否需要对农作物进行灌溉。

智能灌溉系统的应用，能够使大棚灌溉更科学，用水效率更高，减少水资源的浪费，同时还能结合农作物的需水特点，对其进行控制和调节，为农作物生长提供适宜的土壤含水量，以提高农作物产量。本文将Zig-Bee和GPRS技术应用到农业大棚灌溉系统中，不仅能够实现农业大棚灌溉远程监控，同时，还能够实现无人化调控管理，为科技农业提供了广阔的发展前景。

一、硬件设计

（一）ZigBee技术概述

ZigBee是一种新型的无线通信技术，具有低功耗、低速率、低成本、技术简单的特点，一般应用于对传送速率要求不高的场合。

1、低速率。一般应用在对数据传输速率要求不高的场合。

2、低功耗。ZigBee节点在工作时速度比较慢，传输的数据量小，不工作时呈休眠状态。因此，在整个运行状态中，大大节省供电电池的电量，延长电池寿命。

3、低成本。zigBee提供了免费的协议，降低了开发成本，而且ZigBee节点的市场价格也很低。

4、短时延。ZigBee运行时设备的响应时间非常短。

5、网络容量大。由于ZigBee可以应用多种网络结构，网络覆盖面积非常庞大，如果应用的是网型网络结构，可以管理六万多个节点。

6、有效范围大。ZigBee的传输距离可以达到千米以上。

根据以上ZigBee技术的特点，可以看到利用ZigBee技术可以降低设备成本。利用ZigBee技术设置大棚的温度、湿度、光照等传感器节点，并通过无线网络将数据传输到监控中心，使用户能实时地对大棚的环境进行管理和监测。

（二）GPRS概述

GPRS（General Packet Radio Set-vice）是一种无线分组交换技术。GPRS提供了一种低成本、高效率的分组数据业务，在远程控制中，利用GPRS可以实现远程设备终端到子站或者远程设备终端到网络之间的链接，从而实现数据的发送和接收。GPRS网络具有以下特点。

1、成本低，费用少。用户只需要按照规定标准的数据通信量进行付费，多个用户可以共用一个无线通道。在发送或接收数据时，用户根据数量的多少进行付费，可以节省用户的开支。

2、具有实时性，且效率高，网络覆盖面广。GPRS网络技术可以保证实时在线，满足用户对于数据采集以及传输的实时性要求;GPRS传输数据时是双向传送，数据传输率高;GPRS的网络覆盖范围非常广，GPRS的使用没有地域的限制，不管是网络发达的平原还是偏远的山区，GPRS的信號覆盖都很强。利用GPRS可以实现远程监控系统的管理和应用。

3、GPRS可靠性高，后期维护简单。使用GPRS技术，可以随时与网络进行连接，而且不会掉线，稳定性好。

（三）I～emet实现

早期，由于技术还不够完善，大棚灌溉系统结构比较复杂，信号覆盖率低，需要的设备终端自动控制功能还不够强大，导致远程监控效果不理想。目前，随着GPRS技术的不断成熟，将其应用到大棚灌溉系统中，大大提高了灌溉效率。从网络结构方面来看，GPRS大棚灌溉系统由三个层次组成：第一层是控制层，控制层主要是根据远程终端传来的数据参数进行数据分析，并发送相应的控制指令，从而实现对远程设备的控制。第二层是传输层，所有的信息都是通过传输层进行发送的。远程终端将大棚内的环境参数、设备运动状态通过传输层反馈到控制中心，控制中心接收到信息以后，进行分析处理，根据处理结果，发送相应的控制指令。基于Zig-Bee和GPRS的大棚灌溉系统远程监控系统，是由远程无线通信网络和短距离无线网络两部分构成，属于双层无线通信网络，大大提高了传输效率。第三层是感应与执行层，主要是完成物理环境下对大棚内的环境进行采集，包括湿度、温度、土壤的干湿状态以及需水量等，这些数据都是通过子站内的设备通过感应来实现的。

二、软件设计

该系统的软件设计包含近距离无线通信技术ZigBee、远距离无线通信技术GPRS两部分。设计流程如下。

首先，搭建近距离传输网络平台，也就是ZigBee通信平台。根据大棚的位置、面积大小布置各个终端节点，这些节点与zigBee协调器通过ZigBee通讯协议形成局域网。这些终端节点包括温湿度传感器、光照强度传感器、二氧化碳浓度传感器等。

其次，设计网关。在GPRS和Zig-Bee之间搭建网关，实现数据交互。网关包括GPRS模块、ZigBee微处理器和协调器三个部分。远程通信模块由GPRS和微处理器来完成，远程监控中心通过GPRS将传输协议发送到互联网，并以串口的形式与ZigBee协调器形成网关，从而在监测中心和无线传感器网络之间实现数据交互。

第三，采用GPRS技術解决了远距离传输问题。远程控制通过设定灌溉条件，实现智能灌溉，对农业的可持续发展有着重大意义。

（一）数据信息的采集与处理

数据信息的采集与处理包括对采集到的数据进行数据处理编程、对GPRS网络传输的硬件设备进行软件编程以及远程控制中心与外部终端设备之间的数据传送编程。远程监控中心包含终端监控设备，该设备具有良好的人机交互界面。管理人员通过远程监控中心的监控设备查看大棚内的环境以及湿度、温度、土壤状态等参数，并根据这些参数进行管理，实现实时监控。

例如，各个大棚站将采集到的数据，如，湿度、温度、光照以及农作物的需水量等通过GPRS网络上传到远程控制中心，远程控制中心根据接收到的参数，判断是否需要进行灌溉，如果需要，则根据参数设置灌溉的需水量等数据，并将这些数据发送给子站，工作流程如图1所示。

（二）远程控制及管理

灌溉系统远程监控中心提供了非常好的人机接口界面，使用户可以及时了解现场设备的运行状态，从而能更好地控制操作和人工干预。系统由两大部分组成，一是远程监控的主站，二是各个大棚的子站，利用GPRS来实现远程监控（见图2）。

另外，根据管理人员的职责不同，可以设置不同的账户类型来实现远程控制。根据大棚的面积及农作物的类型，设置基站的位置，结合农作物的类型、不同的生长阶段，设置不同的编码，控制农作物的需水量，调制和监测处理后通过基站发送，实现远程控制。

三、系统功能特点

大棚灌溉远程监控系统实时性强，可以随时进行监测和查看。可靠性高，稳定性强，数据精确度高，能全方位查看数据，根据农作物的生长状态及时调整数据，并能及时发现故障，解决系统存在的问题。

（一）及时、精准性

远程监控可以更及时了解大棚农作物什么时候需要灌溉、需要灌多少，这些数据通过安装在大棚土壤中的湿度传感器实时地反馈到控制中心，工作人员可以根据这些数据设定灌溉条件，保证灌溉的正确性。大棚内的设备运行状态及大棚湿度、温度、光照等数据都可以通过远程监控及时查看，并且还可以查询各个时间段的数据，大大提高灌溉效率。

（二）可扩展性

智能灌溉系统可以根据不同农作物对土壤湿度的不同需求设置不同的参数，根据农作物不同的生长周期设置匹配的参数，避免以往人工设置记录数据的繁琐环节。另外，该系统还可以记录不同农作物不同生长周期的所有灌溉信息，以此为基础，加以扩展应用。

（三）操作简捷，节省成本

远程监控提供了友好的交互界面，操作简单，只要掌握整个系统的操作流程，就能进行智能灌溉。就算扩大种植规模，在灌溉管理上也无需增加工作人员，节省了人力成本。

（四）故障诊断

故障诊断系统，可以实时对监控设备进行监测判断，及时发现故障问题，提高设备利用率。管理人员可以预先设定好参数值，如果系统运行过

程中的数据与设置的参数值相差太多，系统会自动发送故障类型及处理方法等信息，提高了远程设备的有效性。

（五）管理可移动性

系统通过GPRS网关把监测到的土壤湿度状态和灌溉阀门运行状态数据实时转发到云服务器，管理人员只需在大棚智能管理中心，通过手机下载客户端，随时随地了解大棚内农作物的灌溉情况和生长状态，及时进行协调和管理。

四、结束语

目前，我国的经济发展迅速，人民的生活质量快速提高，传统的农业种植已不能满足人民的生活需求。基于ZigBee和GPRS技术的大棚农业生产模式逐渐应用到农业生产中，弥补了传统农业依赖气候环境生长的缺陷。由于大棚灌溉远程监控系统性能稳定性高，成本也比较低，功耗少，整个过程利用无线传感网络采集和传输数据，利用GPRS技术把数据发送到互联网，用户能实时监测大棚环境，提高了工作效率，弥补了传统大棚监测系统的不足，对于现代农业的发展有着非常重要的意义。虽然大棚远程监控给人们带来了许多便利，提高了生产效率，但是也需要考虑设备的成本问题。一个远程控制中心可以控制多个大棚，需要根据大棚的数量、面积来配备相应的设备，由此核算大棚远程监控系统的成本。