基于Zigbee技术的农田自动灌溉系统的设计

◎刘立佳

基于Zigbee技术的农田自动灌溉系统的设计

◎刘立佳

为解决传统的灌溉方式费时费力，劳动效率低的现状，本设计研究一种根据土壤实际情况来自动灌溉的智能化系统。自动灌溉方式有效节省了劳力，大大提高了农民的工作效率，从而降低了农业的投资成本。本设计采用Zigbee技术，该项技术凭借其功耗低、通信可靠、数据安全等优点而在多个领域崭露头角。

随着现代社会的快速发展，农业发展必须紧跟步伐。种植农业最基础的就是农田灌溉问题，现在广泛应用的灌溉方式是采用人工灌溉，人眼观察土壤的含水情况，根据经验判断是否需要实时灌溉。这种方式费时费力，使劳动效率大大降低，从而严重影响农业的发展。为解决这一大农业问题，本设计提出一种基于Zigbee技术的农田自动灌溉系统的设计方案。

本设计硬件部分的布线工作主要将测量土壤含水率的传感器安装到合适的位置，再利用Zigbee无线传输的优点，将采集到的土壤含水率信号无线传输到信息管理中心，信息管理中心根据采集到的信号控制自动灌溉设备的工作状况。这种设计方法节省了布线的麻烦，降低了投资成本，但可靠的实现了农田自动灌溉的目的。

系统硬件设计

系统硬件部分的总体结构图如图1所示。本设计的硬件部分主要包括三大模块：数据采集模块、数据传输模块、动作执行模块。硬件系统采用模块化设计方案，便于整个系统的开发、调试、检测及后期硬件的维护。

数据采集模块。数据采集模块的主要设计工作为安装传感器的位置，即选择合适的测量位置安装测量土壤含水率的传感器。土壤湿度传感器通过信号转换电路与Zigbee终端节点连接，终端节点芯片选用TI公司推出兼容Zigbee 2007协议SoC芯片CC2530。

图1　系统总体结构

数据传输模块。系统中传感器采集到的信号经过转换电路转换后传输给Zigbee终端节点，Zigbee终端节点将数据处理后通过无线传输方式传输给信息汇总中心，即Zigbee协调器。

本设计中建立无线网络非常关键，Zigbee网络组网方式主要有星型网络和网型网络两种拓扑结构，不同的拓扑结构使用于不同的领域。星型网络中包含一个协调器和多个终端节点，终端节点可以定时休眠。自动灌溉系统采集土壤湿度信号不需要实时采集，可选择在规定的时间点进行信号采集，所有不采集湿度信号的期间，自然不需要数据传输，因此在这个期间内终端节点均进入休眠模式，以降低功耗，节约成本。根据本系统的使用环境本文选用星型网络拓扑结构。Zigbee网络建立成功后，周期性的采集土壤湿度信号，采集完发送给协调器后自动进入睡眠模式。

动作执行模块。动作执行模块的设计主要是灌溉设备选型及安装。灌溉设备的启动、停止以及灌溉速度全部由信息汇总中心（Zigbee协调器）发出控制命令，控制相应地继电器完成灌溉任务。整个过程不需要人工干预，完全实现自动化。

系统软件设计

农田自动灌溉系统的软件主要包含两部分：Zigbee终端节点的应用程序及协调器的应用程序。软件设计基于TI公司的Z-Stack协议栈编写，Z-Stack协议栈已为用户写好驱动层部分代码，开发人员只需将大部分精力投入在应用层开发即可，省去了开发底层协议的繁重工作。

终端节点软件部分程序，只需在Z-Stack协议应用层实现将采集到到的土壤湿度信号做简单处理后向协调器转发的功能，将数据转发成功后自动进入睡眠模式；协调器软件部分完成接收网络中的各个端节点发送的数据，并且将数据进行相应的处理，根据数据处理结果控制灌溉设备的工作。

本文针对农田灌溉技术落后的现状，提出了一种基于Zigbee技术的农田自动灌溉系统的设计方案，根据自动灌溉系统的使用环境及充分的理论研究，系统完全能够满足设计的要求。经过实验测试，试验结果表明系统实现了稳定、可靠地检测土壤湿度情况、并将检测数据可靠地传输到了信息汇总中心，最终实现根据土壤的实际湿度情况控制灌溉设备的工作，实现了自动灌溉。

（作者单位：石家庄域联视控控制技术有限公司）