基于ZigBee无线传感网络的自动滴灌系统设计

 

　　图3 入渗湿润体形状（1/ 2 剖面）

表1 土壤湿度值 

　　由表1 知，各深度土壤湿度值差异不大，而实验用作物根系在10 cm 水平，因此即选择在10 cm 处埋设土壤湿度传感器。此外各深度数据均在5 min 及20 min 时出现较大变化，其余时段变化相对较小，考虑5 min 时距滴灌结束尚有较多时间，因此将传感器开启时间设定为滴灌后20 min.

　　1. 4 节点软件设计

　　ZigBee 技术以ZigBee 协议栈为核心，是基于标准的7 层开放式系统互联模型[6 ] ,协议套件紧凑且简单，相比于常见的无线通信标准，实现要求较低。

　　ZigBee 规范定义了3 种类型的设备，每种都有自己的功能要求：ZigBee 协调器是启动和配置网络的一种设备，负责网络正常工作以及保持同网络其他设备的通信，一个ZigBee 网络只允许有一个ZigBee 协调器； ZigBee 路由器是一种支持关联的设备，能够将消息转发到其他设备； ZigBee 终端设备可以执行它的相关功能，并使用ZigBee 网络到达其他需要与其通信的设备。它的存储器容量要求最少。本设计采用的节点均为全功能设备，因此除网关在硬件结构上也有区别外，路由器和终端节点通过植入不同程序，执行不同功能。

　　考虑到系统结构与环境的特殊性，单一的传感器不能保证采集数据的合理性和准确性，本系统采用分布式多传感器体系结构，3 个点数据作信息融合处理，以融合后的数据作为模糊控制器的输入决策判据如图4 所示。当某个节点传输失败时，借助其他正常节点提供的信息，还是能获得更加准确的结果。融合后对温度、湿度和光照度这3 个主要环境参数进行模糊控制，对滴灌做出较精确的判断。多传感器彼此独立但并不孤立，它们通过信息交换，相互影响，消除彼此之间可能存在的冗余和矛盾，加以互补，从而降低了测量、控制的不确定性。

　　系统运行时，协调器和传感器节点首先上电初始化，启动网络后自动进行组网，传感器节点收到信号采集数据后判断数据是否在系统要求范围，若不在则表明需要进行滴灌，此时驱动电磁阀开启至设定时间，之后再次采集数据判断，直至满足系统要求。节点空闲时处于休眠状态，最大限度降低功耗。 

　　图4 系统软件设计

　　1. 5 上位机监控软件设计

　　本系统中监控软件起着至关重要的作用，采用C # 语言编写，通过该监控软件来实现对ZigBee 网络的组网监控，信息提取和控制输出等功能。

　　首先，软件界面显示无线网络的拓扑图，确认无误后开始按预定程序接收节点传感器信号，信号可由两种方式显示，分别是数值显示和曲线显示，采集步长可设置为1~60 min ,此外也可手动操作获取当前信息。对同区内作物采得的信息进行处理，同种传感器信号取均值，再对3 种传感器信号综合计算，设定阈值，根据控制方法，在传感器信号到达设定值后，输出对电磁阀的开关信号。获取的传感器信号和输出的控制信号可定时自动保存，并可导出至界面以供观察和对比。

　　2 实验验证

　　监控软件调试完毕后，将本系统移至室外实际运作，实验场地选择南京农业大学工学院农机实验室旁院试验田，选取面积约10 m ×30 m ,土壤为普通黄土，2009 年6 月种植玉米（香糯品种） 6 行，其中2 行为一组，组内行距0. 4 m ,组间行距1 m ,每组均有一行使用本系统滴灌及一组人工浇灌；每行长度约15~16 m ,行内每株间距0. 3 m 左右。

　　选取每组采用滴灌的一颗生长良好玉米，以其融合数据代表整片试验田，设定土壤湿度在任何状况下均不可低于20 %或高于50 %;采样步长设为30 min ,当监测值达到灌溉要求，即滴灌20 min ,若未满20 min 时已达到湿度上限，则提前停止灌溉，若滴灌结束后湿度仍未达要求，则根据测得数据再次滴灌，监控软件每60 min 显示一次测定结果。

　　3 结果分析

　　图5 所示为2009 年8 月18~20 日试验田内玉米土壤湿度的变化情况，系统数据记录良好无丢失。由于天气炎热，18 日及19 日分别有1 次次达到灌溉阈值下限，最小值24 % ,最大值为49 % ,基本在理想范围内。这表明在作物缺水时，系统能及时灌溉，当湿度达到作物要求上限时则适时停止灌溉，减少了不必要的浪费，即达到节水目的。此外，作物所处土壤湿度基本保持在设定值附近，保证其生长所需的水分，提高产量和质量。 

　　图5 2009 年8 月18~20 日土壤湿度变化 

　　4 结 语

　　如今精准农业的研究和应用越来越广泛，节水灌溉也是其中一项关键技术。本系统将ZigBee 无线传感器网络技术运用于滴灌，设计了基于ZigBee 的无线滴灌控制系统。该系统有灵活性强、安全可靠、低功耗的特点，无需人为操作，免除有线接入的繁琐过程和种种隐患，能够长期、稳定的工作，是对有线控制方法的有益补充。通过监控软件可以实时观测田间墒情和控制水阀开启及关闭，实现土壤水分及温度、光照的在线监测和控制，让本来难于了解的情况一目了然，进一步减轻种植人员的负担。可以说ZigBee 技术的引进，提高了自动灌溉的实用性及灌溉用水的使用效率，为我国精准农业工程提供了强有力的工具。