ZigBee智能节水灌溉系统

0 引言

目前，我国一些地方利用从国外引进的农业节水灌溉系统，对于灌溉水平和水资源利用率的提高起到了一定的积极作用，但由于系统成本过高、参数标定不完整、缺乏相对应的高级决策功能、系统维护和更新难以保证等众多的问题限制了农业节水灌溉系统的使用和大面积推广。针对目前的现状开发基于ZigBee无线模块的智能节水灌溉系统，对提升节水灌溉农业技术的高科技含量，建立适合我国国情的节水灌溉农业技术体系。

本文以ZigBee无线模块技术、GPRS技术为核心，实时采集田间土壤温度、湿度等数据进行ZigBee数据采集，完成智能节水灌溉系统的应用研究，监测土壤的墒情和农作物的生长，实现节水灌溉管理智能化的设计思想。

1 ZigBee简介

ZigBee 技术的前身是“HomeRFlite”技术，其核心协议由2000 年12 月成立的IEEE 802.15.4 工作组制定的，高层应用、互联互通测试和市场推广由2002 年8 月组建的ZigBee 联盟负责。ZigBee 强调低成本、低耗电、双向传输、感应网络功能等特色。IEEE 终将ZigBee 接纳为IEEE 802.15.4 的标准与ZigBee 联盟共同致力于WPAN的标准制定。ZigBee 作为一种无线连接，可工作在2.14GH(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3 个频段上，分别具有最高至250 kbit/、20 kbit/s、40 kbit/s 的传输速率，它的传输距离在10~ 75m 的范围内，但还可以继续增加。依据发射功率的大小和应用模式而定，1台ZigBee设备可以连接多达254个同类的设备。

2 智能节水灌溉系统的总体方案设计

智能节水灌溉系统以ZigBee无线传感器技术为核心，综合利用无线网络技术、GPRS技术、Internet 技术、节水灌溉技术和应用自动化控制技术进行精准农田信息（田间土壤水分、温湿度、雨量、蒸发量等）采集，通过Internet 网络平台、网络平台灌溉管理系统，实时远程监测作物的需水和生长状况，智能决策并实现节水灌溉系统电磁阀实现自动控制，使传统的灌溉系统实现了由静态向动态“人工智能”的转变。智能节水灌溉系统总体方案结构如图1所示。

图1  ZigBee 智能节水灌溉系统结构图

3 系统功能模块设计

3.1 灌溉实时数据采集模块

系统灌溉实时ZigBee数据采集系统由田间土壤水分监测传感器系统、温湿度监测传感器系统、雨量蒸发量监测传感器系统组成。这个系统的功能是，实时采集灌溉区域各个传感器数据，通过ZigBee数传模块网络传递到数据接收系统。

系统由温度、湿度ZigBee数据采集与数据发送端和数据接收端两部分组成，发送端由测温电缆、采集器、检测分机组成，接收端由微型计算机、检测主机组成。每一个采集器可接多个传感器，一台检测分机最多可驱动16 个采集器。接收端的微型计算机主要进行温度数据存储、分析、管理，检测主机根据计算机给出的检测命令向各检测分机按顺序发出各种命令，同时接收各分机发送的传感器数据传给计算机。通信采用时分复用技术，既检测主机通过扫描的方式与各个发送端进行点对点双向通信。

3.2 数据通信模块系统

ZigBee 无线监测主要由分布在监测区域的各种水位计、雨量计和闸位计组成，各测量单位都配备有低成本的ZigBee无线模块远端节点用于无线网络上传数据； 监测区域内也按照距离的需要分布有ZigBee无线模块路由节点组成了无线ZigBee数传网络，所有的水文数据都可以通过这一网络上传到ZigBee 中心节点，其覆盖范围几乎可以无限的扩展；它无距离限制，且无需网络规划、几乎不需要维护；所构建的ZigBee 网络既可以是星形拓扑，也可以是网状网络拓扑，不论是哪种拓扑结构的ZigBee 网络，根据实际的组网需要，设计合理的网络结构。接收来自ZigBee无线传感器的采集数据，或发送来自网络传递的数据，通过数据转换，传输到远程计算机系统或接受远程监控命令。把数据接收系统采集的雨量蒸发量值、温湿度等数据和嵌入式计算机系统的内根据不同作物的土或灌溉对象设置灌溉参数值进行数值分析计算，决定是否灌溉，把判断结果输出到数据发送系统。由采集数据数值计算与处理系统的功能是将计算机判断与结果输出的结果转换成无线控制指令，发送到控制系统。

3.3 GPRS数据终端模块系统

本系统数据采集主要由GPRS 数据传输终端、监控终端、GPRS网络以及地面监控中心等部分协作完成。其中，灌溉系统监控终端完成数据的采集与处理工作，采集到的数据通过ZigBee 无线传感器模块与GPRS数据传输终端相连接，并通过GPRS数据传输终端内置的嵌入式处理器进行处理以及协议的封装，然后发送到GPRS网络，GPRS网络通过串行通讯方式与地面监控中心进行通信，监控中心接收到数据后对数据进行分析处理，并将有效数据保存到监控中心数据库中。GPRS模块主要包括数据处理模块、通信模块、模数转换模块和显示模块四部分。数据处理模块包含CPU芯片，CPU用于处理与通信模块、模数转换模块和显示模块间的数据传输，为保证数据不因为断电而丢失，采用Flash器件对数据进行存储。

4 无线测温系统的软件设计

本系统软件设计比较复杂，整个软件系统的流程如图2 所示，主要有以下几个关键函数：DS18B20 初始化及温度采集函数、发送（接收）函数、数据显示函数、串口通信函数等。

图2  无线测温系统软件流程

5 结论

本文提出一种基于ZigBee无线模块的传感器网络技术的节水灌溉系统的软件设计与实现方法，以ZigBee数传模块为核心，结合嵌入式技术和节水灌溉技术，实现了田间土壤水分、温湿度、雨量、蒸发量等各种数据的实时ZigBee数据采集，由ZigBee无线传感器网络传输数据，通过开发节水灌溉决策系统软件计算，输出指令，自动控制灌溉的智能节水灌溉系统。