ZigBee技术在昌吉市棉花智能化滴灌中的应用

范治璇，杨树楠，彭朝晖

（1.昌吉市滨湖镇农机管理站 新疆 昌吉市 831102；2.昌吉市滨湖镇林业站 ）

智能化加压滴灌是一种高效节能省水增产的微灌技术，它具有很多优点，适合新疆自然气候条件，具有良好的推广前景。昌吉市滨湖镇作为昌吉市北片区2万hm2高效节水核心示范镇，2013年共完成节水灌溉面积3 100 hm2，其中重点实施的66.7 hm2棉花智能化滴灌项目采用了ZigBee无线自组网控制技术。该技术方便的实现了灌溉的全自动控制，并且施工难度小，软硬件支撑好，节省人力物力，取得良好的社会效益和经济效益。先进的无线控制技术的应用进一步加速了农业节水灌溉智能化进程，起到良好的示范效应。

1 昌吉市滨湖镇棉花智能化滴灌项目概况

滨湖镇位于昌吉市以北9公里处，下辖7个村委会，共有11 025人口，总耕地面积5 700 hm2，主要种植作物为棉花。随着土地整合的顺利推进、集约化大农业的不断发展，棉花种植实现全程机械化自动化，已成为滨湖镇农业现代化的新亮点。棉花智能化滴灌项目选定在滨湖镇下泉子村实施，示范区地块面积66.7 hm2，项目内容主要以棉花智能化滴灌为主并且积极推广棉花机械化采摘综合配套技术，每块条田宽600～650 m，水源为机井供水（蓄水池储水），种植作物为棉花，株行距66+10 cm，确定滴灌工程的布置形式为:地表水源→首部→地埋干管→地埋支管→滴灌管的形式。考虑滴灌与自动化工程的结合，确定分干管两边铺设支管为长短管形式。

滨湖镇实施的棉花智能化灌溉项目是通过Zig－Bee无线通讯控制组件实现灌溉自动化控制系统和灌溉信息、多媒体信息传输系统的连接，形成了更高层次的农业灌溉物联网平台。棉花智能化灌溉系统由主控计算机、控制器和现场数据采集设备等组成，整合了自动气象站和中央控制器及田间控制器。各类传感器、控制器通过ZigBee数传模块对田间土壤温湿度、空气温湿度等技术参数进行采集，实时监测土壤和气象参数，输入计算机，通过灌溉管理计算机软件自动分析，按最优方案产生控制命令，控制各个阀门的开启及水泵的运行状态，科学有效地控制灌水时间、灌水量、灌水均匀度，实现灌溉的智能化。

图1 智能滴灌无线传输控制信息运行示意

2 ZigBee无线控制技术在棉花智能化滴灌项目中的应用情况

2.1 ZigBee技术介绍

ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。ZigBee依据802.15.4标准，可在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个网络节点传到另一个节点，所以通信效率非常高。

ZigBee作为一种低速率的短距离无线通信技术，适合应用于传感和控制领域。ZigBee数传模块类似于移动网络基站，通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。在IEEE802.15.4规范下，工作频率为2.4 GHZ和868/915 MHZ，作为一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。

2.2 项目采用的ZigBee性能参数及无线控制模块的类型

滨湖镇建设实施的棉花智能化滴灌项目区面积为66.7 hm2，田间灌溉自动化控制设备均采用高性能的工业级ZigBee应用设计方案，提供SMT与DIP接口，可直接连接TTL接口设备，实现数据透明传输功能；电源输入DC 2.0～3.6 V，具备WDT看门狗设计，保证系统稳定可靠；提供UART串口，低功耗设计，支持多级休眠和唤醒模式，最大限度降低功耗，最低功耗小于1 uA；提供5路I/O，可实现数字量输入输出、脉冲输出；其中有3路I/O还可实现模拟量采集、脉冲计数等功能。

棉花智能化滴灌系统中使用F8913D ZigBee模块并采用2.4 HZ无线自组网自动控制技术。各控制接收设备中使用的F8913D ZigBee模块已经包含了所有外围电路和完整协议栈能够立即投入使用的产品，模块经过了厂家的优化设计和老化测试，有很好的质量保证。F8913D zigBee应用模块通讯距离在100～2 500 m之间，在硬件上设计紧凑，体积小，采用贴片式焊盘设计，可以内置Chip或外置SMA天线，还包含了ADC、DAC比较器，多个IO、I2C等接口与相应器材对接。

2.3 ZigBee无线传输控制模块的优点

棉花智能化滴灌系统中使用ZigBee无线传输控制模块有以下优点：

（1）低功耗。在低耗电待机模式下，4节5号干电池可支持1个节点工作12个月以上。这是Zig－Bee的突出优势。相比较同等能耗下，蓝牙可工作数周、WiFi只能工作数小时。

（2）低成本。通过大幅简化协议（不到蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求，ZigBee免协议专利费，每块芯片的价格大约为13元。

（3）低速率。ZigBee工作在20～250 kbps的速率，分别提供 250 kbps(2.4GHz)、40 kbps(915 MHz)和20 kbps(868 MHz)的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。

（4）近距离。相邻节点间的传输距离范围一般介于10～100m之间，在增加发射功率后，亦可增加到1～3 km。如果通过路由和节点间通信的接力，传输距离将可以更远。

（5）短时延。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。相比较，蓝牙需要3～10 s、WiFi需要 3 s。

（6）高容量。ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，一个主节点最多可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65 000个节点的大网。

2.4 基于ZigBee的棉花智能化滴灌系统的工作方式

基于ZigBee无线技术的智能化滴灌系统包含“田间自动控制+远程网络监管系统”两级工作方式。

第一，滴灌自动化系统应用ZigBee模块通讯技术和2.4 G无线自主组网技术。系统采用的F8913D ZigBee模块是一种物联网无线数据终端，利用ZigBee自组网功能提供无线数据传输，无任何通信费，能源采用2节普通1.5 V干电池，可使用6个月以上，实现了节能降耗；田间自动控制可根据授权独立运行，也可实现远程监管。

第二,远程信息监管系统采用“GPRS/3G+Internet”技术。将土壤墒情测报系统、农田气象环境检测系统、作物长势视频监测系统、泵前压力流量能效监管系统与田间灌溉自动化控制系统进行有机集成的统一平台，形成灌溉专家决策系统，可进行远程访问。田间布设的ZigBee无线设备采集或监测气候信息、土壤信息、田间信息和作物生长信息，并将监测数据传到控制中心，在相应系统软件分析决策下，对终端发出相应灌溉管理指令。

图2 智能化灌溉系统中央控制室

2.5 基于ZigBee的棉花智能化滴灌系统的运行

各类传感器及监测设备将土壤、作物、气象状况等数据通过ZigBee无线控制模块传输到墒情信息采集站，再传到计算机中央控制系统，中央控制系统中的各类软件将汇集的数值进行分析，比如将含水量与灌溉饱和点和补偿点比较后确定是否应该灌溉或停止灌水，然后将开启或关闭阀门的信号通过中央控制系统传输到阀门控制系统，再由阀门控制系统实施某个轮灌区的阀门开启或关闭，以此来实现滴灌的智能化。

图3 基于ZigBee技术的气象监测站

图4 由ZigBee无线模块远程控制的田间监测灌溉设备

3 应用效果分析

3.1 ZigBee无线控制滴灌技术优势

（1）农田信息及作物长势远程监测与灌溉自动化无线控制功能，解决了“两高一低”即高频率、高强度、低流量的难题，为作物增产提供科技支撑，为项目区作物提供一个良好的地、水、肥、气、热条件，促使其高产、稳产。

（2）应用软件包含了完整的ZigBee协议栈，并有自己的PC上的配置工具，采用串口和其他设备进行通讯，并可对模块进行发射功率，信道等网络拓扑参数的配置，使用起来简单快捷。

（3）电磁阀开/关状态可实时反馈显示，具有防透水、防爆管功能。

（4）可进行轮灌组编制及自动执行，控制不同灌溉设备的开闭，具有墒情测报功能。

（5）具备灌溉时间及灌溉水量自动统计分析、系统故障自动诊断、电压自动报警功能。

3.2 ZigBee技术应用产生的效益分析

由于ZigBee模块技术高灵敏度的传感和有效的远程传输控制，监测敏感性大幅提高，水量控制到位，产生了良好的经济效益、社会效益、环保效益。

（1）精确供水大幅提高了水的有效利用率。在智能滴灌条件下，灌溉水湿润部分土壤表面，可有效减少土壤水分的无效蒸发。同时，由于滴灌仅湿润作物根部附近土壤，其他区域土壤水分含量较低，因此，可防止杂草的生长。滴灌系统不产生地面径流，且易掌握精确的施水深度，节水效果达50%~90%，水的有效利用率可高达95%~97%。

（2）智能化供水创造了良好的水肥环境，节药增效。通过传感器ZigBee模块反馈土壤养分、温湿度信息给计算机，分析并自动灌水后，作物根系土壤水分适宜，通透条件良好。注入水中的肥料，还可以提供足够的养分，使土壤水分处于能满足作物要求的稳定和较低吸力状态，节肥达20%~40%。灌水区域地面蒸发量也小，这样可以有效控制土壤的湿度，使棉田中作物的病虫害的发生频率大大降低，也降低了农药的施用量，节省农药10%以上。

（3）作物产量和农产品品质有所提高，经济效益突出。由于智能化滴灌少量、均匀、持续的高频自动灌溉技术促进了作物稳健、持续生长和高产，产量提高8%以上。及时适量的供水、供肥在提高农作物产量的同时，提高和改善农产品的品质，使农产品商品率大大提高，经济效益高。

（4）智能化控制提高了劳动生产率，降低了劳动强度。棉花智能化滴灌项目区人均管理定额由传统滴灌的3.33 hm2提高到智能化滴灌的20 hm2，管理费则由1 800元/hm2降到300元/hm2。

（5）具有良好的生态效益。采用智能化滴灌技术在同等种植条件下减少机械施肥、打药、除草工序，提高化肥农药利用率，减少对环境的污染。由于灌溉定额大幅降低，可减少对地下水的补给，防止土壤再盐碱化，有利于土壤生态环境的改善。

4 ZigBee无线控制技术应用于智能化滴灌系统的意义

ZigBee技术应用于智能化滴灌系统是将无线通信及信息技术与农业生产技术相结合的一种创新理念，是精准农业实施的基础。安装ZigBee芯片的无线控制设备无需埋设线缆连接监测控制器件，系统造价低，配备的各种感应器监测精度高，提高了灌水均匀度，不影响机械作业。灌溉过程不需人工手动操作，通过无线传感和自动控制功能即可实施土壤、气象（温湿度）、作物监测及灌水、施肥等农田作业，减轻人员的劳动强度。