基于ZigBee技术的智能节水灌溉系统设计

李庆鸿，孙 霞，阚 聪，刘 航

(安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001)

目前，我国大部分农作物的浇灌方式以人工浇灌为主[1]，获取的信息不够准确，会导致大量水资源浪费和农作物浇灌不合理。国家对三农工作越来越重视，农业灌溉也受到广泛关注，农业灌溉方面的研究日益增长。把物联网技术结合到农业灌溉中是未来发展的大趋势[2]。本文的节水灌溉系统利用了传感器技术、ZigBee技术以及其他相关技术来设计智能化的节水灌溉系统。

1 智能灌溉系统总体设计概述

本文设计的智能节水灌溉系统设计图如图1所示。传感器节点采集田间数据并上行数据经过网络中的路由节点到协调器节点，协调器将各传感器节点采集到的土壤湿度值进行汇总，并根据农作物的需水量预设土壤湿度阈值。如果土壤湿度值小于阈值则开启与协调器相连的继电器，水泵进入抽水状态。此时，系统检测缺水的终端节点的具体位置，打开相应区域内的继电器，与此继电器相连的电磁阀开启，指定区域开始进行灌溉。ZigBee网关则可以使得协调器与移动端APP通信，在APP上同样可以显示作物生长信息。

图1 智能灌溉系统设计框图

2 智能灌溉系统硬件结构设计

2.1 感知层模块设计

感知层模块结构如图2所示。终端节点通过传感器将采集到的土壤湿度值用多跳通信[4]的方式发送至此终端节点的邻近节点，再由邻近节点转发给系统的协调器节点。

图2 感知层模块结构图

终端控制模块采用cc2530[3]对继电器进行控制，并用继电器控制电磁阀的开关。电源模块摒弃了传统的有线供电模式采用可持续性比较高的太阳能供电模式[5]。传感器模块采用的土壤湿度传感器，选择型号为YL-69的土壤湿度传感器，传感器的比较器型号为LM393芯片。

2.2 传输层模块设计

传输层模块采用ZigBee无线通信方式，它的优点在于功耗低、组网灵活、数据传输的有效性和可靠性较高[6]。ZigBee终端节点采集需要的底层数据，并应用ZigBee协议无线传输数据，将数据发送给自组网络中的其他节点，同时又可将其他自主网络节点的返回数据进行基本分析和显示。

2.3 应用层模块设计

应用层模块选择了12 V小型水泵，实际应用中可以根据水源位置农田地形等不同情况选择不同的水泵。继电器需要接大负载水泵，可选择外接电源。继电器的作用是根据传感网络提供的信息判断各用电器是否需要供电。实验中电磁阀采用12 V、12 mm口径，用于控制水泵抽取水后水流在水管中的走向。

本系统的上位机采用Windows操作系统的PC机，土壤湿度传感器检测到的土壤数据通过ZigBee的组网通信方式上行到上位机，上位机界面可以查看相应数据。

3 智能灌溉系统软件设计

3.1 终端基本设置

在ZigBee终端节点 进行上电操作后，需要对相应的节点设备1ogicalType进行相应的配置，即ZG_DEVICETYPE_ENDDEVICE，配置完成后申请加入父节点，调用ZD0_Start( )。由于在终端节点连接进入网络之前，底层节点地址路由器以及协调器无法确定，故提前静态绑定。之后zb_sendDataReques( )功能周期性将采集到的土壤湿度数据向上层汇报。

3.2 继电器设置

继电器作为本系统控制模块执行器件，当其输入端接收到高电平时断开，低电平则吸合。主函数中将寄存器设置为0×20。然后将DATA_PIN设置为1时继电器断开，水泵停止工作，将DATA_PIN设置为0时继电器吸合，电磁阀开启，将水引入缺水场所。

3.3 增加路由器中继功能

由于农业灌溉的面积较大，需要在系统中增加路由器。路由器可完成网络中的中继功能，并放大收到的来自其他路由器或终端节点的信号，更好地转发给上层路由器或协调器[7]。

3.4 协调器节点基本设置

将协调器节点上电后，由相应的程序判断协调器节点是作为ZigBee网络中的路由节点，还是用来组网。ZigBee网络的组网流程图如图3所示。

3.5 网络拓扑结构

本文设置系统中，小范围情况下采有树状结构，大范围情况下采用网状结构。由于树形结构本身传输链路单一，所以这里可以采用多生成树协议MSTP[9](Multi-Service Transfer Platform)的思想，来解决该问题。为解决网状结构上层路由器工作量大、容易损坏的问题，这里采用虚链路的方式。

图3 ZigBee组网流程图

图4 节点结构图

节点结构图如图4所示。底层节点向上层节点直接建立两棵树状结构，比如图4中D节点与E节点的父节点本来设置为B节点，但在该算法中，添加C节点为他们的第二个父节点。D、E节点优先选择B节点数据传输，C节点与D、E节点暂时逻辑阻塞，但用于确认相互关系的报文依然保持发送。若B节点失效，则C节点与D、E节点的逻辑阻塞链路开启。这样可以完成树状结构的负载分担，保证链路分配报文均匀以及完成上行节点失效后的快速切换。

3.6 上位机与数据库设计

上位机开发软件采用Java EE，作用是读取显示底层系统上传的数据，并将其储存至数据库中。数据库设计采用MYSQL，数据库中存储了各作物、各地形在每个时期生长所需水量，可根据管理需求进行修改，并可用于软件和底层设备读取。

3.7 移动端APP

为了方便相关人员对一定区域内的灌溉状况进行监控，本系统设计出移动端APP如图5所示。

图5 移动端APP

4 测试与分析

4.1 实验设计

实验灌溉系统结构示意图如图6所示。设计的实验中将系统简化使用4个终端节点，一个协调器节点，构成了ZigBee智能节水灌溉系统。实验结果数据采用AD表示。实验中以小麦为例，适宜小麦生长的湿度为60%-80%[10]，因此将阈值设定在65%，其对应的AD值为55。

4.2 实验结果

经过测试，灌溉前数据如图7所示。在水泵未启动之前的土壤湿度AD值稳定在80左右。灌溉后数据如图8所示。水泵启动之后的土壤湿度AD值稳定在50左右。

图6 实验灌溉系统结构示意图

图7灌溉前数据 图8灌溉后数据

5 结 语

该系统灌溉效果可以及时满足小麦生长需求，因此具有良好的实用价值。若想对多种不同需水量的作物进行灌溉则只需要根据作物的需水量设置不同节点的阈值。本文设计的优势在于传统的终端控制机制是终端将数据上传给协调器，由协调器判断下一步指令，并发送给终端。这里终端在把数据发送给协调器的同时让数据与阈值进行比较，可在事件发生的同时让电磁阀先于水泵打开，保护了水管。并且可以根据不同植物的最适湿度阈值灵活的进行浇灌阈值调整。