基于Zig Bee网络的温室节水灌溉系统设计*

陈晓燕，庞 涛

（四川农业大学信息与工程技术学院，四川雅安 625014）

0 引言

随着世界性水资源的日趋紧张，推广节水灌溉已成为世界各国为缓解水资源危机和实现农业现代化的必然选择。研究温室中作物节水灌溉理论与技术，有效控制实施温室作物的灌溉量，对指导温室作物按需灌溉，进一步提高灌溉用水的利用效率，改善温室作物的生长环境和提高作物品质与产量具有很重要的意义。

在国外，温室大棚具有规模大、自动化程度高，对温室大棚内光、水、气、肥等均实现了智能化控制，并可根据作物对环境的要求不同，通过计算机对温室内部环境进行自动监控，实现全天候、周期性的高效生产［1］。而国内温室大棚灌溉自动化程度落后，因此，加速开发适合我国国情的自动节水灌溉控制系统是今后节水灌溉设备发展的主要方向［2］。随着无线信息传输技术的发展，Zig Bee无线网络以其近距离、低成本、低速率、低功耗、短时延、高可靠性等特点，在农业生产中得到高度关注［3～7］。本文设计的温室大棚节水灌溉系统，利用Zig Bee网络实现温室内各个节点的无线连接、数据采集和实时显示，并根据作物的需水状况进行实时自动灌溉，提高了水资源的利用效率。

1 系统总体结构

按照Zig Bee网络的特点，本系统主要包括4个部分:传感器节点、控制节点、协调器节点和监控计算机，系统总体结构如图1所示。

图1 节水灌溉系统总体结构Fig 1 Overall structure of water-saving irrigation system

传感器节点对本地土壤含水量进行采集并传送给协调器节点。控制节点根据监控计算机给出的灌溉策略实现对阀门控制器的操作。为了简化结构，没有专门设置路由节点，当测控面积大且信号不稳定的时候，节点之间可协助进行多跳转发。协调器节点负责检测、组建传感器网络，并容许其他节点加入网络，同时把收集的数据转发到监控计算机，并发布监控计算机的监控任务。监控计算机根据采集的数据做出灌溉策略，并传递给控制节点，实现精确灌溉。协调器节点与监控计算机之间通过RS—232串口连接，也可以通过GPRS网络和Internet对接，实现远距离无线通信。

2 系统硬件设计

2．1 传感器节点设计

传感器节点主要由处理器模块、无线射频收发模块、传感器模块、电源管理模块组成。处理器模块和无线射频模块选用TI公司的CC2430芯片。该芯片是首款符合Zig Bee标准的的2．4GHz系统单芯片，内部结合了一个高性能的射频收发器和8051微控制器。只需要很少的外围部件配合就能实现信号的收发功能，片上资源丰富，CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合无线传感器网络的应用［8］，CC2430的应用电路原理图如图2所示。

传感器模块采用TDR—3土壤水分传感器，具有精度高、稳定性好、结构简单、能耗低等特点。输出电压为0～2．5 V，不用外加信号调理电路。由于CC2430芯片内具有AD器件，所以传感器输出可直接与控制器连接。

电源模块采用3 V钮扣电池，为了保证电池长时间工作，在设计中必须确保传感器节点低功耗。根据CC2430芯片具有休眠模式的特性，仅当需要收发数据时再唤醒传感器节点，其他时间则进入休眠模式，从而让节点功耗降到最低。

图2 CC2430应用电路图Fig 2 Application circuit diagram of chip CC2430

信号的接收与发送都是通过天线完成，为了保证数据存储的安全性，在传感器节点上增加了存储器，对短期采集的土壤含水量进行保存。传感器节点的硬件结构图见图3所示。

图3 传感器节点硬件结构Fig 3 Hardware structure of sensor node

2．2 控制节点设计

控制节点和协调器节点设计基本与传感器节点相同，区别在于控制节点没有传感器模块，增加了电磁阀和流量传感器。电磁阀的开关与打开的时间决定灌溉量。控制器的端口通过继电器来间接控制电磁阀的开关。灌溉用水的总量通过流量传感器计算。当水经过流量传感器的时候，数据线就不断产生脉冲，根据脉冲数得到用水量。控制节点的硬件结构图见图4所示。协调器节点负责将传感器网络与外部网络进行连接，既要将监控计算机的任务向下发送，又要将收集的数据上传。在接口上增加了与监控计算机相连的RS—232接口。

图4 控制节点硬件结构Fig 4 Hardware structure of control node

3 系统软件设计

系统软件主要包括3个部分:底层节点数据的采集和传送模块、协调器节点数据接收和发送模块、监控终端管理模块，这几部分的关系如图5所示。

图5 软件总体结构Fig 5 Overall structure of software

3．1 底层节点软件设计

底层节点包括传感器节点和控制节点。传感器节点软件的任务包括定时间间隔上传自己的当前网络状态，并定时采集土壤湿度信息，发送给协调器节点，同时还兼有路由功能，转发其他传感器节点的数据。在不采集数据的期间，节点处于休眠状态，以节省能耗。其流程图见图6所示。

图6 传感器节点流程图Fig 6 Flow chart of sensor node

数据传送中，对于多个传感器节点通过编号进行区分。土壤水分传感器的电压值由2个byte构成，以满足数据的测量范围。为了保证数据传输的准确性，每帧数据加上包头、包尾和校验字符。数据帧格式如表1所示。

表1 数据帧格式Tab 1 Data frame format

控制节点软件的任务包括定时间间隔上传自己的当前网络状态，接收监控计算机通过网关节点传来的命令，并采取相应的灌溉措施，打开或关闭电磁阀。通过流量传感器将灌溉用水量反馈给协调器。

3．2 协调器节点软件设计

协调器节点软件的任务是组建与维护网络，接收网络中所有节点（无线传感器节点，阀门控制节点）发出的网络状态信息包，为有入网请求的节点分配地址，并接收分析数据后上传至监控计算机。另外，通过串口接收监控计算机发出的命令并做相应处理。流程图见图7。

图7 协调器节点流程图Fig 7 Flow chart of coordinator node

3．3 监控终端软件设计

监控终端软件系统采用LabVIEW进行开发。人机接口采用图标创建，很容易建立友好的人机交互界面。监控软件主要包含:数据显示模块、串口通信模块和数据库访问模块。本系统可以实时监测温室大棚多节点的土壤湿度信息，以动态实时曲线图的形式显示监测点的变化信息，并能够根据采集到的信息做出灌溉策略。利用NI公司的免费工具包LabSQL进行数据库访问，可实现将采集到的数据存放到Access数据库中并对数据进行管理，包括数据查询、打印、分析和统计。另外，通过LabVIEW中的Matlab Script节点调用Matlab的模糊控制工具箱，可以进一步开发温室节水模糊控制系统。采用LabVIEW中提供的DataSocket的数据传输方式，实现用户的Interent网络远程访问。DataSocket包含两部分:DataSocketServer和DataSocket API。DataSocket API提供统一的编程接口。LabVIEW中的DataSocket函数库包含Write和Read等一些函数，Write函数用来在网上发布数据，而Read函数可从网上下载数据。

4 实验与结果分析

实验地点为四川农业大学农场温室大棚，面积约50 m2。温室内设置了10个节点，其中，6个传感器节点，3个控制节点，1个协调器节点。其中，传感器节点1，3，5周围带有3个控制节点（采取受自动灌溉系统控制），传感器节点2，4，6不带控制节点（即只采集土壤含水量，不进行自动灌溉调节），测试时间为早上9:00～下午17:00，期间每60 min采集一次土壤湿度，设定土壤湿度范围在60%～80%RH之间。测得的数据如表2、表3。

由表2可以看出:在自动灌溉区域，当土壤湿度超出设定区间时，3个控制节点均能够根据监控计算机的灌溉指令驱动电磁阀进行灌溉，土壤湿度基本能保持在设定范围。由表3可知，在非自动灌溉区域，土壤湿度不能很好地保持在设定范围间。

表2 自动灌溉节点土壤湿度数据表Tab 2 Soil moisture data of automatic irrigation node

表3 非自动灌溉节点土壤湿度数据表Tab 3 Soil moisture data of nonautomatic irrigation node

5 结论

1）该系统以温室的土壤湿度作为控制对象，完成了无线传感器节点、阀门控制节点和协调器节点的软硬件开发。

2）该系统实现了监测信号的实时采集、数据显示、控制信号的输出，达到了节水灌溉的目的，并具有无需布线、低功耗、低成本、可靠性好、安装维护方便等特点。

3）结合数据库技术，将LabVIEW与Microsoft Access数据库相连，实现了对数据的存储、查询、图形显示等功能。

［1］ Young Sam Moore，Han J，Khalilian Ahmad，et al．Instrumentation for variable-rate lateral irrigation system［C］∥2005 ASAE Annual International Meeting，Florida，2005:17 －20．

［2］ 李秀娟．现代化农业设施节水灌溉控制系统的研究［D］．合肥:合肥工业大学，2007．

［3］ 韩华峰，杜克明，孙忠富，等．基于Zig Bee网络的温室环境远程监控系统设计与应用［J］．农业工程学报，2009，25（7）:158－163．

［4］ 肖德琴，古志春，冯健昭，等．稻田水分监测无线传感器网络优化设计与试验［J］．农业工程学报，2011，27（2）:174 －179．

［5］ 高 峰，俞 立，张文安，等．基于茎直径变化的无线传感器网络作物精量灌溉系统［J］．农业工程学报，2008，24（11）:7－12．

［6］ 张瑞瑞，赵春江，陈立平，等．农田信息采集无线传感器网络节点设计［J］．农业工程学报，2009，25（11）:213 －218．

［7］ 李 莉，张彦娥，汪懋华．现代通信技术在温室中的应用［J］．农业机械学报，2007，38（2）:195 －200．

［8］ 包长春，石瑞珍，马玉泉，等．基于ZigBee技术的农业设施测控系统的设计［J］．农业工程学报，2007，23（8）:160 －164．