基于Zigbee的校园草坪智能灌溉系统的设计

赖其涛

摘要 通过对传统草坪养护方式的分析，提出了采用光伏供电、远程可控的草坪养护方式，并且在设计中采用了分布式单元设计，解决了各种校园复杂地形的布局问题。在设计中充分考虑环境和工程因素，使设计简单、可靠，易于施工等。同时对单元单体进行了测试和验证，结果表明该工艺简单，数據可靠，生产效率高。

关键词 草坪；灌溉；智能

中图分类号 S274.2；TP23 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2017）13-0218-02

Design of Intelligent Irrigation System for Campus Lawn Based on Zigbee

LAI Qi-tao

（College of Information Engineering， Shaoxing Vocational&Technical College， Shaoxing， Zhejiang 312000）

Abstract Through the analysis of the traditional turf maintenance mode， the photovoltaic power supply， lawn maintenance methods of remote control， and distributed unit design were adopted in the design to solve a variety of complex terrain of the campus layout problem. By full consideration of environmental and engineering factors， the design was simple， reliable and easy to construct. The unit cell was tested and verified. The results showed that the process was simple， reliable and efficient.

Key words Lawn；Irrigation；Intelligence

随着经济的发展，人们对生活品质的追求越来越高，学校管理者对校园环境的建设也越来越重视，各级政府每年也会对各级院校进行绿色校园等方面的考评，环保、节能、绿化是主要的考核内容。现在人们一进校园往往看到的是一大片绿油油的草坪，校园内其他的地方也基本上都铺上了草坪，很少见到裸露的泥土，虽然环境相比20世纪90年代可以用“翻天覆地”来形容，但是为此所付出的代价也是巨大的[1]。特别是近几年劳动力市场发生了较大的变化，人工成本大幅上升。既要美化生活，又要降低成本和节约能源，这

种理念不断地推动着人们往人工智能的道路上前行，如何节

约能源、减少劳动力、降低成本变得非常有意义。笔者对校园智能灌溉系统的设计与实施做了较为详细的阐述，设计了整个管路系统和通信控制系统，为了让系统更加环保、绿色，还为系统设计了太阳能光伏系统，真正达到了绿色、环保、智能。

1 系统的结构设计

校园草坪一般分布范围宽、形状各异，为了安装和维护比较简单，采用了单元分布式结构设计，一个单元自成系统，然后通过积木式搭建构成系统，智能灌溉网结构示意如图1所示。

图1中共由4个智能灌溉单元构成，1个光伏发电单元，1个市政进水管网系统。每个单元拥有10个喷水接口，设计工作水压0.04 MPa（国家自来水标准水压0.06 MPa），喷射有效半径为3 m（不留死角），这样一个喷头有效覆盖面积为S=πr2=28.26 m2。

按此计算一个单元覆盖的面积为282.60 m2，所以在实际工程中根据有效的草坪面积可以简单计算出所需要的单元数量，使工程预决算变得简单方便[2]。每个单元都放置了1个Zigbee通信控制系统，可以和网关直接通信，也可以作为路由器来进行数据包的转发，控制系统可以接受上位机下达的指令进行操作，也可以根据土壤传感器、水管压力传感器等采集回来的数据进行闭环自动控制，上位机也可以根据当地气象数据，预判天气情况，进行策略控制，节省能源和水资源，降低成本。为了让系统安全、环保，整个系统全都采用光伏直流24 V供电，真正杜绝了用电安全事故，图2为单元设计示意图。

整个系统由控制器、无线通信模块、电磁水阀、进水压力传感器、出水压力传感器、手动球阀、喷头及管道组成。无线通信模块和控制器集成在一起，用目前使用比较广泛、由TI公司生产的CC2530芯片为主芯片设计而成，电磁水阀用24 V直流电磁阀，为了能够获得足够的反馈信息，精确地控制系统，所以在水阀的进水和出水部位都安装了水压传感器，但是这会增加整个工程的成本。

2 电气控制系统设计

为了能让整个系统具有智能化，特为校园草坪智能灌溉系统设计了具有Zigbee通信的电气控制系统，控制结构框图如图3所示。

整个电控系统由光伏发电系统、控制器、土壤湿度传感器、出水压力检测模块、进水压力检测模块、电磁水阀控制模块、网关等模块组成[3]。

光伏发电系统为整个控制单元提供可靠、安全的供电系统，由于整个控制系统采用工业24 V供电，所以为系统配置了最大电压为30 V的光伏电池板，通过MPPT控制器给系统提供高效稳定的24 V直流电源。因为灌溉系统只在晴天的时候给系统浇水，晴天的时候太阳很好，阴天的时候没必要进行灌溉，所以系统没有备用蓄电池，整个系统中最耗电的就是电磁水阀，功率约为15 W，其他系统加起来也不超过10 W，为了留有足够的余量，光伏发电系统最大发电功率为70 W。

水压传感器，为了更加精准地检测出水和进水的情况在电磁阀的进水和出水都安装了水压传感器来感知电磁阀开关的状态和水管中水压的情况，水压传感器选用24 V，4～20 mA电流型传感器。

电磁阀是用来控制管道水开关的器件，由于浇水的时间不是很多，所以选用常闭电磁阀，电磁阀也选用24 V全铜直流电磁阀。

土壤湿度传感器，由于要根据实际地形情况进行布设，为了使布设比较简单，使用具有Zigbee通信的无线土壤湿度传感器，采用电池供电，由于系统采用低功耗设计，电池可以保证2年以上的使用壽命[4]。

控制器负责整个灌溉系统的控制和数据转发，核心控制的CPU采用目前市场的最常用的stm32 cortex-m3的核，该系列价格便宜、性能稳定、开发资料齐全[5]。

3 控制流程

图4为控制系统开阀门控制流程图，系统启动首先载入自动策略控制模式，然后通过无线Zigbee通信系统检测土壤湿度传感器数据，帖数据决定系统是否进行浇灌。在开启浇灌之前，先检测水压是否正常，如果不正常的话通过网关发

出告警通知维护人员进行维护，如果正常的话打开阀门，之后检测出水压力，如果异常的话也向网关发出告警信号通知维护人员进行维护[6]。浇灌系统打开之后，不断地检测土壤湿度是否达到关闭阈值，如果达到则关闭水阀。

4 结论

该设计在控制系统中增加了Zigbee通信方式解决了当前生产中维护费时、费力的工作方式，在一定程度上提高了生产效率。并且在设计中重视供电电源的安全、可靠，采用了光伏分布式供电方式，在用电上保证了安全，并且也解决了电路布线问题，真正做到了绿色环保，应用前景较好。

参考文献

[1] 郁晓庆，吴普特，韩文霆，等.基于无线传感器网络的农田灌溉远程监控系统[J].排灌机械工程学报，2013，31（1）：66-69.

[2] 黄建军，陈西曲. 基于Modbus TCP/IP通信的研究与实现[J].信息技术，2014（5）：162-164.

[3] 于嵩，敖长林，袁成明.智能灌溉系统的可靠性仿真研究[J].农机化研究，2012，34（2）：63-65

[4] 寇恒.西门子PLC与HMI的以太网通讯的应用[J].天津职业院校联合学报，2014（5）：51-52.

[5] 肖克辉，肖德琴，罗锡文.基于无线传感器网络的精细农业智能节水灌溉系统[J].农业工程学报，2010，26（11）：170-175.

[6] 金宏智，严海军，钱一超.国外节水灌溉工程技术发展分析[J].农业机械学报，2010，41（S1）：59-63.