基于无线传感网络的智能节水灌溉系统研究

滕红丽 李承辉 仝浩远 杨祥强 贾书恒*

（1、河南农业大学理学院，河南 郑州450002 2、河南省通信工程局有限责任公司，河南 郑州450002）

我国是传统农业大国，农业用水量大，占水资源总量的一半以上，而且农田用水灌溉效率低下和用水浪费的问题普遍存在。据资料[1,2]显示，目前，我国农业土地平均浪费水资源10t/hm2，农田灌溉水有效利用系数仅为0.53，远低于发达国家0.80 的平均水平。因此，加强农业用水管理，发展节水灌溉，对实现农业可持续发展、保护生态环境具有重要的现实意义和深远的历史意义。

本文提出一种基于ZigBee 技术的无线传感网络智能节水灌溉系统，可以根据作物的需水情况进行精准灌溉，系统具有组网简单、灵活、成本低、数据传输安全可靠、可维护性高、适用性好等特点，能够节约水资源、满足我国智能节水灌溉的迫切需求。

1 整体方案设计

系统由传感器节点、电磁阀控制器、风机控制器、路由节点、网关和上位机组成，如图1 所示。图中的1 号～X 号传感器节点测量温室内环境参数和土壤环境参数；每个温室设置一个路由节点，该路由节点收集本温室内的传感器节点信息、下发上位机送来的灌溉指令和抽湿指令、转发其他节点的指令和数据；温室内路由节点将本温室内的参数信息通过其他路由节点再转发给网关，通过以太网上传给上位机；上位机对接收的信息数据进行分析并存储，得到当前作物的灌溉决策。当需要灌溉时，上位机发出灌溉指令，通过网关、路由节点转发后下发给无线电磁阀控制器，由无线电磁阀控制器驱动电磁阀动作，开始进行灌溉作业。当上位机根据灌溉情况决策为灌溉用水已经满足需求时，再通过网关和路由节点下发停止灌溉的指令给无线电磁阀控制器，停止灌溉。当上位机判断出温室内湿度不适宜、作物不需水时，下发抽湿指令给无线风机控制器，驱动风机动作。ZigBee 网络采用网状结构，1～X号传感器节点、电磁阀控制器、风机控制器是ZigBee 网络中的终端节点，只收发数据，不转发数据，设计时采用精简功能设备RFD，网关是ZigBee 网络中的协调器，和路由节点一样都能转发数据，采用全功能设计FFD。

2 节点设计

ZigBee 网络中，因各节点分布分散，不可能采用市电作为供电电源，因此，节点功耗是设计时首先要考虑的问题。网关节点采用MSP430 系列单片机作为节点的主控芯片，无线收发模块采用低功耗、具有睡眠模式的CC2530 芯片。终端节点、路由节点的控制核心采用CC2530。CC2530 是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的内核为增强型的8051 单片机的片上系统（SoC）解决方案。它以非常低的成本建立强大的网络节，提供了101dB 的链路质量，不仅具有优秀的接收器灵敏度，而且还具有健壮的抗干扰性。CC2530 有8 kB 的RAM 、32/64/128/256 KB 的闪存、2 个USART、12 位ADC 和21 个通用GPIO，等广泛的外设集。

2.1 终端节点设计

终端节点功能主要是对温室环境参数、土壤参数信息的收集以及对温室风机、灌溉用电磁阀进行控制，包括传感器节点、电磁阀控制器节点和风机控制器节点。传感器节点主要由处理器模块、无线通信模块、传感器模块和电源模块组成。电磁阀控制器节点由处理器模块、无线通信模块、电磁阀驱动电路和电源模块组成。风机控制器节点由处理器模块、无线通信模块、风机驱动电路和电源模块组成。它们都通过ZigBee 协议与本温室的路由节点通信，将3 种节点表示在一个结构图上，如图2 所示。

图2 终端节点结构图

图3 温室内路由节点

图1 系统整体结构图

传感器节点测量环境参数和土壤环境参数，包括温室温度、湿度、光照度、CO2浓度，作物生长区土壤的含水量、土壤温度、土壤电导率，在本节点进行简单的数据处理后，将这些信息经路由节点转发给网关，送至上位机。传感器节点上电后立即搜寻并请求加入网络，同时该节点也会将自己绑定到本温室内的路由节点，为该节点分配一个唯一的网络地址。然后进入“休眠- 定时唤醒，采集数据——休眠”的低功耗工作模式。根据一般情况下作物环境参数短时间变化不大的特点，系统设计传感器节点15 分钟完成一次数据采集。

电磁阀控制器节点、风机控制器节点与传感器节点工作流程类似，不同的是，节点加入网络后，进入休眠状态，若上位机或温室内路由节点有灌溉或抽湿指令送来，则被唤醒，执行作业，判断是否有结束指令送来，若有，停止灌溉或抽湿，再次进入休眠状态。

2.2 路由节点设计

路由节点有两种类型：一种是各温室内的路由节点，另一种是只进行数据转发的一般路由节点。从可靠性上考虑，若上位机到温室之间的通讯出现故障，为保障单个温室还能独立正常运行，温室内的路由节点在设置的极限情况下能向电磁阀控制器和风机控制器发出作业指令，其硬件结构如图3 所示，除电源模块和无线收发模块外，还有E2PROM存储器、按键模块和液晶显示模块。使用按键模块可以进行参数设置、查询，灌溉、抽湿的阈值设置等与处理器的交互。显示模块包括液晶显示和LED显示灯，用来显示本温室内的环境参数，灌溉、抽湿阈值，电磁阀、风机状态，本节点的电源、通信等状态等。E2PROM保存本温室的环境参数历史数据，设置的灌溉、抽湿阈值等信息。一般路由节点只有电源和无线通信模块。

一般路由节点上电后先初始化硬件系统和软件架构需要的各个模块，然后搜索网关，若找到，路由节点申请加入网络，并等待网关响应。网关收到路由节点的入网请求后，若允许加入，路由节点获得由网关分配的一个唯一的网络地址，然后路由节点等待接收与之相连的子节点的入网请求，同时转发来自网关、其他路由节点和子节点经本节点的数据包。

2.3 网关设计

网关在ZigBee 网络中充当协调器的作用，即组建整个ZigBee 网络、汇聚传感器节点数据、传送灌溉指令和抽湿指令，在上位机和终端节点之间转发数据和命令。每个Zigbee 网络有且只有一个网关，不同ZigBee 网络的网络ID 号不一样，以免引起冲突。网关始终处于监听状态，发现有节点加入ZigBee 网络时，由网关节配地址并计算其路由信息，更新路由转发表，实现新节点的入网。网关为不能掉电的设备，没有低功耗状，网关结构图在图3 的基础上增加了RS232 通信模块和以太网通信模块。网关的处理器模块使用MSP430 单片机。在系统运行前，首先需要通过上位机用RS232串口通信模块对网关进行配置，设置好IP 地址、网关、通信端口等参数，才可以使用以太网口和上位机进行数据通信。

MSP430 单片机上电后，进行软硬件的初始化，开始运行ZigBee 协议栈执行网络的创建，包括设置网关的短地址为0、设置网络的PANID、设置网络的最大深度、设置网关可以处理的具有路由功能的子节点的最大个数、选择通信信道等。ZigBee 网络创建完成后，开始监听网络，等待无线网络和以太网分别发送来的数据，并判断数据是从什么网络中传来的，若是以太网传来的命令，则需进行指令解析，将指令传送到微处理器、电磁阀控制器或风机控制器，若是无线网络传来的数据，则使用ZigBee 协议栈进行解析，然后打包为以太网交互数据，传送给上位机。

3 上位机监控软件设计

上位机监控软件采用组态王进行开发，单个温室的监控界面如图4 所示。上位机实现了终端节点数据的采集、历史数据的存储与查看、灌溉和抽湿指令的下发。在工作过程中，上位机不断接收信息，将温室环境和土壤环境实时的显示在上位机界面中。同时，系统自动记录接收到的数据，写在Excel 表中，作为记录，可用于用户分析。根据接收到的参数信息，执行灌溉算法和抽湿算法，判断出需要灌溉和抽湿时，发送灌溉指令和抽湿指令给指定的温室。

结束语

本文研究设计了一种基于ZigBee 无线传感网络的温室智能节水灌溉系统，此系统的各节点能够自组网，形成自愈型网状网。系统充分利用了ZigBee 设备低能耗、低成本、可靠性高、自组网、网络容量大等优点，在一定灌溉范围内根据作物的需水情况进行灌溉，从而达到精准灌溉的目的。