基于ZigBee的水肥一体化智能灌溉系统设计

邓晓栋 张文清 翁绍捷

摘要：针对农业灌溉过程中水资源浪费严重以及施肥造成的环境污染现象，设计了基于ZigBee的水肥一体化智能灌溉系统。系统将实时采集到的数据通过ZigBee网络传送至服务器，用户在服务器端通过组态王软件控制水池、肥料池或者混合池电磁阀的打开，进而用滴灌的方式对农田进行水或者水肥的灌溉。试验结果表明，系统在1 500 m的范围内能够正常将数据采集模块采集到的数据传送至服务器，同时服务器的控制模块在人为的条件下能够对大田进行灌溉。

关键词：ZigBee；水肥一体化；智能控制；灌溉系统

中图分类号：TP29；S275 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）03-0690-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.03.048

Design of Intelligent Water and Fertilizer Irrigation System based on ZigBee Platform

DENG Xiao-dong， ZHANG Wen-qing， WENG Shao-jie

（College of Mechanic and Electronic Engineering， Hainan University， Haikou 570228， China）

Abstract： Aiming at the phenomena of wasting water and fertilizer which had caused environmental pollution in the process of agricultural irrigation， the intelligent irrigation system for integration of water and fertilizer based on ZigBee platform was designed. The real time data of farmlands collected by data acquisition module could be sent to the server through net of ZigBee where the users can control switches of water， fertilizer pool or mixing pit through the software of kingview. So the farms could be irrigated with water or the mixture of water and fertilizer to retrench water and fertilizer. Experiment of the system proved that the real data of farmlands collected by data acquisition module could be sent to the server well within 1 500 m， and the users can irrigate the farmland through the control module of the server.

Key words： ZigBee； integration of water and fertilizer； intelligent control； irrigation system

水资源分布不均、可利用的人均水资源较少以及水资源使用过程中造成的浪费现象是目前中国在农业灌溉方面所面临的问题[1-3]。据统计，当前所采用的大水漫灌、沟灌等灌溉方式的水源利用率仅为40%[4]。与此同时，农业生产过程中所使用的肥料不仅利用率低而且还经常造成环境污染，例如土壤板结现象[5-7]、江河湖水富营养化[8，9]等问题。水肥一体化技术通过滴灌将水或水肥送至植物的根部，不仅能有效提高水肥的利用效率，减少资源浪费，同时还能提高粮食产量，增加农民的收入，进一步提高中国的农业综合生产能力[10]。

ZigBee无线通信技术[11，12]具有智能化、信息的时效强、较广的覆盖区域以及支持同时同步采集多路传感器数据等特点。为此，结合大田环境特点和对水分监测、灌溉控制的要求，设计了基于ZigBee的水肥一体化智能灌溉系统。该系统具有组网方便、低功耗性能以及较强的延展性，其设计改变了传统的有线监测控制方式。系统工作时，观测者通过网络对大田各个位置的ZigBee协调器采集到的温湿度数据进行监测，同时还可以通过网络直接对大田进行水肥的浇灌。

1 系统总体结构设计

水肥一体化智能灌溉系统的设计采取C/S架构，其结构分为两部分：监测控制中心和无线传感器的组网。其中，无线传感器的组网由ZigBee协调器节点、ZigBee路由节点以及ZigBee终端节点组成。组网方式采用树型拓扑结构，其结构如图1。ZigBee组网内部的结点分布在大田内部，用以完成温湿度的实时采集和传输。监测控制平台由组态王软件构建，负责接收发送存储协调器通过RS232串行总线发送给服务器的温湿度，并将服务器反馈的控制信息传送到电磁阀控制部分。

2 系统上位机的开发

上位机开发过程使用图形语言和C语言对监控中心上位机软件进行编译。整个系统采取模块化设计，利用组态王6.5软件的图形语言进行系统功能界面的设计，同时利用C语言实现界面控制、数据接收存储等功能。整个上位机的运行过程为：监控中心接收数据采集模块采集的数据并进行相应的解析，以获取生产环境的实际情况，并显示和储存相应的数值。通过对数值的分析，利用组态王软件中的控制模块可以由人工或系统自动对大田进行水肥灌溉。系统的功能界面包括实时数据、历史数据、超限警报以及对相应电磁阀的控制等。实时数据可以显示大田当前土壤及空气的温湿度；历史数据用来查询过往数据；超限报警则对当前状态下土壤和空气温湿度超过限定数值时自动报警，并启动电磁阀控制模块。系统工作流程如图2。

3 系统下位机各部分设计

系统的硬件部分由数据采集、ZigBee节点硬件、电磁阀控制以及上位机四部分组成。数据采集模块采集当前大田的实时数据，并由ZigBee节点完成无线传输，上位机则整理、显示、保存经ZigBee网络传送的数据，分析后由人工或自动开启相应电磁阀的开关。

3.1 数据采集模块设计

系统的数据采集模块由传感器和调理电路等组成。此模块为ZigBee终端节点，负责对周围环境和土壤的温湿度数据进行采集传输。传感器选用瑞士Sensirion公司生产的具有I2C总线接口的温湿度集成的传感器SHT11[13]。其温度的测量范围为-40～120 ℃，精度为±0.9 ℃（0～40 ℃）或±0.5 ℃（25 ℃）；相对湿度的测量范围为0%～100%，精度为±0.3%，满足系统数据采集的需要。其内部的结构和接口如图3。

3.2 ZigBee节点软硬件的设计

ZigBee节点具有自组网、低功耗、自愈能力强等特点，由协调器节点、路由节点和终端节点组成，用于系统数据的接收和发送功能。系统ZigBee节点硬件部分选取的是TI公司生产的CC2430芯片。该芯片内置8051内核，符合2.4 GHz的ZigBee通信协议，能顺利完成系统无线收发的过程[14]。ZigBee组网选用了树型拓扑结构，数据采集模块将采集的数据传送至路由节点，路由节点将收集到的数据以自组网的形式传送至协调器节点。协调器节点选用全功能设备，负责收集路由节点传送来的参数，然后将其通过RS232串口传输至监控中心。

ZigBee节点软件部分设计选用模块开发的方式，主要包括数据收发模块、事件处理和协调模块、计算处理模块、低功耗的底层驱动模块以及传感器数据采集模块和封装模块。同时软件部分设计结合多任务处理与消息循环机制，通过事件发送来触发和完成各个模块之间的数据通信[15]。系统ZigBee节点的软件模块和运行机制框图如图4。

3.3 电磁阀控制部分的设计

水肥一体化中的滴灌技术使得水或水肥的流量不用过快过猛，因此控制部分采取电磁阀即可。根据水池、肥料池和混合池内物质状态，系统内需求液态和粉态两种电磁阀。水池和废料池选用ZCS DN25型液用电磁阀，其采用25 mm通径和常闭操作，具有耐腐蚀性。废料池介于混合池上方，打开电磁阀后依靠肥料自身重力倒入混合。为防止肥料堵塞采用ZQDF DN40型防腐蚀电磁阀，其采用50 mm通径和常闭操作。电磁阀控制电路图如图5。

4 系统测试

4.1 ZigBee通信距离和丢包率的测试

为取得系统工作的最优参数，在海南大学儋州校区机电工程学院试验基地进行系统测试。选取以100 m为间隔、直线距离为1 700 m长的距离测试，系统每秒发送13个数据包，根据系统反馈的情况得出ZigBee节点通信距离和丢包率的情况（表1）。从表1可以看出，系统工作的最优距离在1 500 m以内。

4.2 组态王软件的测试

在试验基地设置了7个数据采集监测点进行实时监测。系统设置为每10 min进行一次数据采集，组态王软件采集的实时参数如图6。同时，根据数据反馈的信息手动控制电磁阀，结果表明系统能够正常运行。

5 小结

当前，在中国传统的浇灌方式下，水资源和肥料在使用过程中利用率低且肥料还会造成一定程度上的环境污染。针对这一问题，设计的基于ZigBee的水肥一体化智能灌溉系统通过数据采集模块采集农田的实时数据，再利用ZigBee网络传送至服务器，用户在服务器端通过组态王软件控制水池、肥料池或者混合池电磁阀的打开，进而用滴灌的方式对农田进行水或者水肥的灌溉，以达到节水节肥、增产增收的目的。

系统在海南大学儋州校区机电工程学院试验基地应用，进行了ZigBee距离测试和丢包率的测试，并选取7个大田监测点进行了组态王软件的测试。结果表明，系统在1 500 m的范围内能够正常工作。系统操作简便、工作状态稳定，为水肥一体化智能灌溉系统的进一步研究提供了参考。

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