基于物联网的农业灌溉系统设计

樊建强，张 芮

（山西农业大学信息学院，山西 太谷 030800）

在我国农业用水量较大，长期以来还是以人工漫灌的方式作为主导，在农村田地灌溉时伴随着水量浪费现象较严重，造成了不必要的水资源浪费。随着物联网技术的迅速发展，且传感器和通信设备成本的下降，利用高科技技术对水资源的管理是必要的。设计一款基于物联网的农业灌溉系统，便于土壤温湿度的检测和灌溉的自动化控制，最终起到节约水资源的效果。

1 总体设计

为了实现基于物联网的农业灌溉系统的功能，整套系统共分为三个模块，分别为数据的采集及灌溉阀的控制、节点之间数据的传输、物联网云平台的数据上传及分析处理。本文系统模块单元如图1 所示。

利用大量布置在农田里的土壤湿度传感器、空气温湿度等传感器对农田里土壤和空气的温湿度数据进行实时收集、同时检测系统电量，随后将布置于田地里的各类传感器节点采集到的数据传入到CC2530 微处理器中进行分析和处理。然后借助于自组网的ZigBee子节点把布置于田地里的各类传感器采集的打包数据传输到ZigBee2 主节点[4]。在判断节点是否需要灌溉前，首先需要STM32F103C8T6 对各子节点传输送达的数据拆包进行分析后，将数据包通过GPRS网络报文的方式传输到OneNET云端中。当用户想要查看此时农田土壤及空气的温湿度时，只需要通过网页Web或者手机App即可查看保存在云端的数据，用户也可以在物联网平台对灌溉控制系统进行手动控制。

2 硬件电路设计

基于物联网的农业灌溉系统子节点电路图如图2 所示。

基于物联网的农业灌溉系统采集点电路由CC2530 微处理器作为主控芯片，控制土壤含水量传感器、空气温湿度传感器和电池充放电系统以及ZigBee通信协议。各子节点采集的数据打包后通过ZigBee发送至STM32F103C8T6 主节点的ZigBee2 中，之后由GPRS上传至物联网云平台。

3 软件设计de 设计

主节点的程序是接收数据采集点的信息，并利用联网模块进行数据上传。首先对接收到的数据进行拆包分类，随后加入物联网云平台的网络地址、应用代码以及设备ID，最后由联网模块发送至OneNet物联网云平台中，主控芯片STM32F103C8T6 和ZigBee2 的CC2530 芯片采用串口通信。

STM32F103C8T6 微处理器上电后，对系统时钟、串口通信等模块初始化。主程序进入中断等待，一旦UART2 接收到数据，系统即跳转至数据分析模块，子模块内对数据流进行拆包，根据数据得出节点位置信息，然后将不同类型的数据进行融合分析，最后决定是否对各子节点发送灌溉信号。最后将网络地址、应用代码、设备ID、数据流名称和不同数据格式化到网络报文中，并通过SIM800C联网模块发送至物联网云平台。

CC2530 芯片的主要负责数据的采集和发送。程序正常工作时循环在检测控制信号、传感器数据采集、数据打包和数据发送中。土壤含水量传感器和电量监测均为电压采集，配置CC2530 的ADC程序即可实现电压的采集。而空气温湿度传感器利用的是I2C协议，需要利用软件配置I2C读写程序。

对传感器监测到的数据进行打包，数据报文的格式具体如下：前两位为数据报头AB、AC；第三位为此次数据报文长度；第四、五位为当前子节点ZigBee的地址位；第六、七位为灌溉标志位，用于表明当前是否正在灌溉；第八、九、十位为当前子节点系统电量；第十一、十二、十三位为土壤含水量；第十四、十五、十六位为空气温度，十七、十八、十九位为空气湿度；第二十、二十一位为数据报尾FE、FF。

通过软件和硬件调试后，基于物联网的农业灌溉系统即完成了设计。使用方法为：在主控电路中插入可以正常工作的SIM卡；接着给主控电路和采集点电路接入电源；此时，系统全部模块进入工作状态，节点会将信息源源不断的发送给主节点，主节点利用联网模块将数据上传到OneNet物联网云端。实验利用两个子节点和一个主节点进行系统验证，每个子节点初始距离为50 m，3 月中旬，天气晴朗，空气和土壤温湿度适中。所有系统上电后各模块正常工作，从物联网云平台可以看到数据已被上传，系统设置数据上传间隔时间为1 s，实验时间为48 h实验分析：由表可知，该测量区域土壤含水率在22%左右，数据稳定。由于测试时间在冬季，日照不强，土壤水分蒸发较小，所以土壤含水率较低，这一结果与文献资料数据相符。实验误差：由于传感器的灵敏度相对较低，采集到的数据不够精准，造成了数据误差相对较大。

通过浏览器输入OneNET官方网站，在站内搜索基于物联网的农业灌溉系统即可进入应用。应用界面共八个显示表，分别对应土壤含水率、空气温度、空气湿度、系统剩余电量等信息。子节点检测信息即时的上传到OneNET平台。任何用户可以利用各种终端随时查看。管理人员登录后还可以通过页面上的按钮对灌溉阀进行手动控制，方便快捷。

https://open.iot.10086.cn/iotbox/appsquare/appview?openid=fbaf992f7ebf522b85db67ab8ad15e14 或输入上方网址同样可以进入物联网应用界面。整体的效果如图4 所示。

4 结束语

本文描述了一种基于物联网云平台的农业灌溉系统。介绍了农业自动灌溉的应用背景和研究方法；随后分别从硬件电路和软件设计两个方面介绍了系统的具体设计；系统利用ZigBee组成的节点电路采集数据并将数据汇总，并通过GPRS联网模块实现网络数据的上传。同时主节点接受物联网应用下发的手动灌溉命令，最终实现了对基于物联网的农业灌溉系统的设计。