基于ZigBee无线传感网络的自动滴灌系统设计

　　0 引 言 

　　滴灌技术是通过干管、支管和毛管上的滴头，在低压下向土壤经常缓慢滴水，可直接向土壤供应已过滤的水分、肥料或其他化学剂等的一种灌溉系统，其对水的利用率可达95 % ,较喷灌具有更高的节水增产效果。

　　长期以来，我国的滴灌系统大多靠人工进行经验控制，由于没有实时数据的采集与分析，灌溉的随意性较大。而基于计算机的滴灌测控系统，又由于布线不便，且成本较高、耗时较长，往往难以在生产实际中推广。近年来，随着无线信息传输技术的发展，ZigBee 无线网络以其低功耗、低成本、低速率、近距离、短时延、高安全等特点，在农业生产中得到高度关注。

　　我国已有研究如基于ZigBee 技术的农田信息采集节点、温室环境远程监控系统、作物精量灌溉系统，而将其用于大田滴灌的自动控制则尚未见报道。本文的基于ZigBee 无线传感网络控制的滴灌系统能克服在农田中布线和维护的种种困扰及不可预知的因素，根据得到的田间信息对滴灌系统进行控制，实施分区精确灌溉。

　　1 系统的设计

　　1. 1 系统组成

　　系统结构如图1 （a） 所示，由上位机（ PC） 、网关、路由节点、终端节点和执行机构组成，其中路由器及终端节点均可装备传感器；执行机构为控制滴灌开闭的电磁阀。 采用一台计算机作为上位机，主要作用为监测作物各项环境指标并实施相应的灌溉决策；网关为整个网络的协调器，对于全功能设备，路由器和终端通过内部程序进行设置，且在一定距离内均可与网关直接通信；网关与上位机通过RSO232 总线相连，下层节点通过ZigBee 无线网络联系，电磁阀连接至任意节点均可执行控制。

　　基于灌溉时农作物需水量主要由其所处环境的土壤湿度、温度和光照度密切相关，因此本系统采用土壤湿度传感器、空气温度传感器和光照度传感器。根据在田间应用的实际情况，设置路由器节点连接至执行机构即电磁阀，上位机放置于距电磁阀较近的室内，传感器连接至终端节点，在田块面积大、信号传送不稳定的情况下，可将部分连接传感器的终端节点替换为路由节点。

　　1. 2 滴灌系统结构设计

　　参考滴灌相应要求，水源处加置节流阀、过滤器和压力表，选用PVC Ф32 mm 作干管， Ф20 mm 的PE 管作支管，支管前端接电磁阀、压力表，选用PVC Ф32 mm 作干管， Ф20 mm 的PE管作支管，支管前端接电磁阀、调压阀和流量计，电磁阀选用直流24 V ,2 . 3 L/ h 压力补偿滴头，一棵作物加一个滴头嵌入滴灌支管中。支管行距不可过小防止行间水分入渗造成干扰，本系统设定行距为1 m.滴灌管网设计如图1 （ b） 所示。传感器加在灌区内生长良好的植株上，土壤湿度传感器埋于地表下植株根系附近，光照度传感器和温度传感器安放于ZigBee 模块并将模块固定在植株边的标杆。电磁阀连接路由器节点的驱动电路，网关通过RSO232 串口接至上位机。 

　　图1 系统结构

　　1. 3 无线传感器网络硬件设计

　　本系统的ZigBee 芯片选用TI 的CC2430 ,功能强大，只需要很少的外围部件配合就能实现信号的收发功能，片上资源丰富、功能强大，使得无论是处于协调器位置的网络节点，还是处于网络末梢的传感器节点， 其硬件结构都非常简单、可靠、实用。

　　根据需要，系统选用STHO01 型土壤湿度传感器， tc77 数字温度传感器， P9003 光敏电阻，执行部分采用DC24V 电磁阀，驱动电路如图2 .STHO01 土壤湿度传感器测量精度为±3 % ,量程0~100 % ,输出信号4~20 mA ,工作电压12 VDC ,稳定时间为通电后2 s ,可进行土壤湿度的实时监测，满足系统要求。其输出的电流信号通过高精度电阻转为0~5 V 电压后再由CC2430 进行AD 转换成为数字信号，通过传输所得不同电压幅值即可确定土壤含水率。信号的接收与发送均由天线实现。 

　　图2 系统硬件图