基于ZigBee物联网技术的智能农业灌溉系统设计

2018-01-04罗嘉龙刘卫星陈正铭林佳煜

电脑知识与技术 2018年30期

罗嘉龙刘卫星陈正铭林佳煜

摘要：传统农业灌溉技术如畦灌、沟灌、淹灌和漫灌所需水资源多，水资源短缺与需水量逐年增加之间矛盾日益加剧，为解决传统农业灌溉技术存在的问题，通过对物联网与智能农业的近期状况研究与分析，提出了基于ZigBee物联网技术的智能农业灌溉系统设计方案，该方案采用温度、湿度、光照等专业传感器采集数据，基于ZigBee无线通信方式进行设备连接，ARM处理器实现数据处理和智能控制。经实验验证，该方案可实现无线数据采集与智能灌溉功能。

关键字：物联网；智能农业；无线数据采集；节水灌溉；CC2430；ZigBee

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）30-0186-04

Abstract： Traditional agricultural irrigation technologies such as border irrigation， furrow irrigation， flooding irrigation and flooding irrigation need more water resources， and the contradiction between water shortage and water demand is increasing year by year. In order to solve the problems of traditional agricultural irrigation technology， this paper puts forward the technology based on ZigBee Internet of Things through the research and analysis of the recent situation of Internet of Things and intelligent agriculture. The design scheme of intelligent agricultural irrigation system is based on ZigBee wireless communication， and the ARM processor realizes data processing and intelligent control. Experimental results show that the scheme can achieve wireless data acquisition and intelligent irrigation function.

Key words： Internet of Things； intelligent agriculture； wireless data collection； water-saving irrigation； CC2430；ZigBee

物联网（Internet of Things，IOT）在2000年左右已被提及，国际电信联盟于2005年正式提出其定义：通过射频识别（RFID）、全球定位系统、红外感应器以及激光扫描器等一系列通信设备，根据约定协议，完成数据交流和信息识别，实现智能化监管、定位、跟踪等功能的一种物与物之间相互连接网络。智能农业（Smart Agriculture）又称智慧农业、工厂化农业，是在传统农业现有条件下结合当下新型物联网技术，集科研、生产、加工以及销售于一体，在相对可控的环境条件下实现集约高效可持续发展的现代化生产模式。以广东省韶关市为例，当前农业发展正在走向职业化、集约化、智能化，大量的名特新优当地农产品种植、加工及销售均需大量的高素质职业农民，但随着老年化的来临与城镇化的加剧，农业企业必须走向只需少量人员即可自动化种植生产的道路才能实现可持续化发展。为提升农产品灌溉效率，本文对当前市场主流物联网技术做了详细分析，设计了一个基于ZigBee技術的智能农业灌溉系统，并对系统做了实验验证。[1]

1 国内外智能农业灌溉系统应用概述

目前，荷兰、英国、德国、日本等发达国家的智能农业已形成设施制造、环境调节、生产资材一体化的产业体系，现代化温室是国外智能农业灌溉系统应用的主要表现形式。国外灌溉控制器已趋于成熟阶段，智能农业灌溉系统更是被用于不同地域、不同环境以达到节水灌溉等成效。如美国政府在城市推广智能灌溉系统，每年节省8.52亿吨水量。以色列根据国内需求，利用智能农业浇灌，实现荒漠上发展灌溉农业，缓解水资源不足问题。法国设立农作物区域范围监控网络，并已可通过卫星通信技术对灾害性气象进行预控，对危害疾病虫害实现监管。雨鸟、摩托罗拉等几家商业科技公司共同开发并研制出智能化中央计算机灌溉控制系统，目前，全美平均每个州已安装该系统达30套左右。其中著名项目包括有微软总部、英特尔总部、摩托罗拉总部、迪士尼世界及迪士尼乐园、世界之最的拉斯维加斯米高梅（MGM）大饭店以及斯坦福高校等。

而我国于2015年7月4日，国务院印发《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》，为智能农业灌溉发展方向奠基。目前，相对国外在这发面发展，我国处于起步阶段。国外灌溉控制器性能优越，但价格昂贵，在开发研制的过程中并没有考虑中国特殊的地形、土壤资源、基层经济状况等因素，因此，国内农业灌溉发展多数集中在农业示范区、高校、科研单位。如江苏省的智能农业物联网平台，以及北京航空航天大学体育场引进国外智能化中央计算器灌溉系统。[2]

2 物联网技术简介

2.1射频识别（RFID）技术

射频识别，又称无线射频识别（RFID，Radio Frequency Identification）技术，是自动识别技术在无线电技术上具体发展的一种通讯技术。其技术原理为当射频标签进入磁场，接收射频信号，以感应电流形式发送储存信息，然后通过频率，由阅读器获取信息并解码后，送至中央信息管理系统进行数据处理。技术组成包括：

1）应答器：由天线、耦合元件以及芯片组成，又称射频标签，原理是将几块主要模块集成在一块芯片中，完成通讯。芯片内含EEPROM用于储存识别码或数据。可用于工作人员身份识别卡或者货物识别卡。区别于传统的条码、磁卡、IC卡识别技术，射频电子标签具备非接触、适应恶劣环境、效应距离远等优势。

2）阅读器：由天线、耦合原件和芯片组成，读取或者被写入标签信息的设备，在一定区域范围内发射电磁波（区域大小取决于天线尺寸和工作频率），与应答器内L C串联谐振电路发生频率共振，从而读取信息。

3）应用软件系统：主要为应用层软件，是RFID技术的信息处理中心，将收集到的数据进一步处理优化，方便人们使用。[3]

2.2 WiFi技术

2008年，中国走进3G时代，WLAN（无线网络）技术成为主流，而作为WLAN的重要的一员，WIFI技术凭借自身优势逐渐得到广泛的认知与认可。WIFI（Wireless Fidelity）又称IEEE802.11协议，高速传输是WIFI技术优势特点，在具备54Mbit/s传输速度基础上有较长的有效距离，可兼容已有的IEEE802.11DSSS设备。其中IEEE802.11b最高技术达11Mbps，IEEE802.11a与IEEE802.11g最高速度可达54Mbps，现多用IEEE802.11b和IEEE802.11g设备在2.4～2.4835GHz频段的免许可频段，频段资源不受限制，成本低廉成为WIFI技术又一大优势。WIFI无线网络由AP（Access Point）和无线网卡组成，组成方式简单，具有根据信号强弱自动调整带宽功能，可保证网络的稳定性与可靠性。但WIFI技术存在以下局限性：

1）覆盖范围有限，开放性区域通讯距离可达305米，封闭性区域则在76～122米范围内。

2）移动性不佳，静止或步行情况下才可保证通讯质量，高速移动下会出现通讯中断情况。

3）无线信号易受建筑物墙体阻碍，传播易受同频段信号干扰。

4）安防措施技术有待提高。[4]

2.3 Zigbee技术

2000年12月，IEEE设立IEEE802.15.4工作组，力求命名一种提供小型设备、低配置成本设备的无线连接技术—ZigBee技术。ZigBee是基于IEEE802.15.4设立标准相对耐耗能性强的局域网协议，拥有位移短、耐耗能性强、自我管理等特点，致力于较小型装置系统，使用期限可达6个月甚至两年。[5]ZigBee协议自下而上可分为会聚层（APL）、网络管理层（NWK）、逻辑链路控制层（TL）、媒质接入控制层（MAC）、物理层（PHY）等，基层原理基于IEEE 802.15.4，相对应的物理层和媒质接入控制层要求根据IEEE 802.15.4标准运行并直接使用。[6]

2002年，英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司、荷兰飞利浦半导体等公司联合组成Zigbee联盟，迄今已吸引上百家芯片公司、产品开发商及无线设备公司，引领着Zigbee技术高速发展。

Zigbee是一种低成本、商业型应用技术，其无线装置解决了近距离安装问题，消除了传统无线技术不可靠性和稳定性等技术问题，随着技术的不断完善，它将在数据化无线技术领域愈加重要。

2.4 传感器技术

传感器，是对能够感应（或响应）与检出对象某一准确信息，并按照一定规律形式转换成对应可输出信号的元器件或装置的总称。由三部分组成：敏感元件、转换原件、测量电路。不同场所对传感器需求不同，但均需满足基本要求：高抗干扰性、高精度、高敏锐性、无滞性、寿命时间长等。主要作用可分为两种：完成信号传递和实现非电量到电量转换效果。[7]

3 基于ZigBee技术的智能农业灌溉系统设计

3.1 系统功能概述

基于ZigBee技術的智能农业灌溉系统通过利用多种传感器分别对不同的影响因素进行信号的采集，并对数据做初步处理后，通过ZigBee无线通信技术将数据传输到数据中心计算机中，由计算机对数据进行分析和管理，根据农业专家给出的灌溉指导，反馈到灌溉控制系统，进而实现精准灌溉。

3.1.1 温室环境实时监控

用户可通过电脑或者手机远程查找温室的实时环境数据，例如空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、氧气浓度、二氧化碳浓度等。

3.1.2 智能报警系统

系统可针对不同温室环境参数灵活设置上下阀值。一旦出现异常现象，系统将根据配置，通过手机短信、系统信息等形式提醒管理员。报警提醒内容将根据不同客户需求设置不同提醒内容。管理员可根据报警记录查看关联设备，快速远程控制温室设备，更加及时、高效处理温室环境问题。

3.1.3 远程自动化控制

系统提供手机客户端，通过远程自动化控制技术，客户可以通过手机远程控制温室设备。系统可制定自定义规则，实现温室设备自动化管理，例如当土壤温湿度过低时，温室灌溉系统自动浇水。

3.1.4 历史数据分析

系统可通过不同条件组合分析对比及查询历史环境数据。系统支持列表和图标两种形式查询，用户能够更直观观看到历史数据曲线图。系统提供与农业生产数据建立统一的数据模型，通过数据统计、数据挖掘等技术更好的分析数据，得出更适合农作物生长、有效提高农作物产量的辅助决策。

3.2 实验系统的总体结构设计

智能农业灌溉控制系统以ZigBee技术为基础综合Internet通信技术、GPRS无线通信建立而成的一套完整的智能农业控制系统。目的在于将各设备链接在网络之中，使传统农业设备具备自、动化、网络化、智能化等新特征。系统包含多个农业设备之上安装与之对应的节点模块，包括了传感器、通信模块和执行器。从功能层次可将系统分为农业设备节点、主节点、网关、终端控制。

3.3 主体硬件或设备选型

目前市场上基于ZigBee技术的硬件平台有Chipcon公司的CC2420、CC2430，FreeScale公司的MCl3192，MCl3193和Jennie和HelicoIll等公司开发的符合ZigBee规范的芯片和模块。基于系统集成度、成本以及性能等各方面进行综合考虑，选择了由Chipcon（目前已被TI公司收购）推出的CC2430作为本系统硬件选择。

CC2430芯片主要特性如下：

·具备高配置和相对其他器核更好耐耗能性的51微控制器核；

·拥有比较宽广的电流压强作用域（2.0"--3.6 v）

·具备集合成了14位模数信号优质转换的ADC；

·拥有集合成AES安全协处理器；

·具备集合成并符合IEEE 802.15.4基本标准的2.4 GHz无线电收发机；

·拥有良好的远程无线通讯灵敏度和较为强大的抵抗外界干扰信号的能力；

·具备数字转化的RSSFLQl支持和较强的DMA功能；

·拥有外界可突暂停或RTC的可唤醒系统；

·具备可兼容RollS的7x7ram QLP48封装设备；

·拥有较为强大且灵敏性高的研发设备。[8]

CC2430 芯片采用0.18 μm CMOS 部件合成；在通讯状态下，电场流能损失低于27 mA 或25 mA，可待机模式和快速唤醒特点，对电池要求较高的设备具有高匹配性。CC2430芯片在延用以往CC2420芯片架构之上，融合了ZigBee 的内部储存和低微控制器和基于射频技术（RF）的前端，实现系统高性能配置并提供了以ZigBee为标准的2.4GHz ISM波段设备需求，同时兼备高耗能性和低成本等优势。

3.4 系统软件界面简介

系统软件操作界面（如下图5）分为三部分，分别是监控区、自控区以及遥控区。

监控区：实时获取湿度传感器与土水分传感器反馈信息，获取灌溉区域实时数据与阀门状态情况，如土壤湿度、瞬时流量等数据，并分析出累計流量。管理人员可通过这些数据预测灌溉情况，根据数据进行监管工作。

自控区：管理人员根据农作物最适湿度环境进行自控，设定灌溉区域湿度上下限，并通过传感器实时反馈信息，确保土壤湿度处于最适环境。

遥控区：当灌溉区域土壤环境低于或超过自控区设定的预警值时，系统操作界面遥控区将根据管理人员提前设置进行远程遥控，自动化调控，确保灌溉区域农作物处于生长最适环境。

4 结语

本文讲述了在物联网浪潮中智能农业研发中基于物联网技术的智能农业灌溉系统的设计总体流程方案，其中重点阐述了该智能系统实例的框架构建、技术选型以及功能实现。系统目前可完成基本智能化灌溉需求功能，后期将扩展更多市场需求功能，逐步实现系统优化，进而投入市场。

参考文献：

[1] 管继刚.物联网技术在智能农业中的应用[J].通信管理与技术，2010（3）：24-27+42.

[2] 刘家玉，周林杰，荀广连，吴爱民，陈磊.基于物联网的智能农业管理系统研究与设计——以江苏省农业物联网平台为例[J].江苏农业科学，2013，41（5）：377-379.

[3] 余丽佳.浅析射频识别技术及其发展前景[J].成都电子机械高等专科学校学报，2007（3）：23-25+22.

[4] 唐思敏.WIFI技术及其应用研究[J].福建电脑，2009，25（10）：59+82.