摘 要：針對國內(nèi)目前多數(shù)滴灌作業(yè)人工操作，費時費力效果不佳，部分自動滴灌系統(tǒng)實用性不強的情況，提出了基于ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自動控制滴灌系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，軟件設(shè)計和工作過程。該系統(tǒng)能夠監(jiān)測植物土壤濕度、環(huán)境溫度和光照的變化，通過無線網(wǎng)絡(luò)將傳感器信號反饋，結(jié)合傳感器融合技術(shù)可對滴灌動作做出判斷，實施高效的節(jié)水灌溉措施。

　　0  引 言

　　滴灌技術(shù)是通過干管、支管和毛管上的滴頭，在低壓下向土壤經(jīng)常緩慢滴水，可直接向土壤供應(yīng)已過濾的水分、肥料或其他化學劑等的一種灌溉系統(tǒng)，其對水的利用率可達95 % ,較噴灌具有更高的節(jié)水增產(chǎn)效果。

　　長期以來，我國的滴灌系統(tǒng)大多靠人工進行經(jīng)驗控制，由于沒有實時數(shù)據(jù)的采集與分析，灌溉的隨意性較大。而基于計算機的滴灌測控系統(tǒng)，又由于布線不便，且成本較高、耗時較長，往往難以在生產(chǎn)實際中推廣。近年來，隨著無線信息傳輸技術(shù)的發(fā)展，ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)以其低功耗、低成本、低速率、近距離、短時延、高安全等特點，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到高度關(guān)注。

　　我國已有研究如基于ZigBee 技術(shù)的農(nóng)田信息采集節(jié)點、溫室環(huán)境遠程監(jiān)控系統(tǒng)、作物精量灌溉系統(tǒng)，而將其用于大田滴灌的自動控制則尚未見報道。本文的基于ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)控制的滴灌系統(tǒng)能克服在農(nóng)田中布線和維護的種種困擾及不可預知的因素，根據(jù)得到的田間信息對滴灌系統(tǒng)進行控制，實施分區(qū)灌溉。

　　1  系統(tǒng)的設(shè)計

　　1. 1  系統(tǒng)組成

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 （a） 所示，由上位機（ PC） 、網(wǎng)關(guān)、路由節(jié)點、終端節(jié)點和執(zhí)行機構(gòu)組成，其中路由器及終端節(jié)點均可裝備傳感器；執(zhí)行機構(gòu)為控制滴灌開閉的電磁閥。

　　采用一臺計算機作為上位機，主要作用為監(jiān)測作物各項環(huán)境指標并實施相應(yīng)的灌溉決策；網(wǎng)關(guān)為整個網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，對于全功能設(shè)備，路由器和終端通過內(nèi)部程序進行設(shè)置，且在一定距離內(nèi)均可與網(wǎng)關(guān)直接通信；網(wǎng)關(guān)與上位機通過RSO232 總線相連，下層節(jié)點通過ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系，電磁閥連接至任意節(jié)點均可執(zhí)行控制。

　　基于灌溉時農(nóng)作物需水量主要由其所處環(huán)境的土壤濕度、溫度和光照度密切相關(guān)，因此本系統(tǒng)采用土壤濕度傳感器、空氣溫度傳感器和光照度傳感器。根據(jù)在田間應(yīng)用的實際情況，設(shè)置路由器節(jié)點連接至執(zhí)行機構(gòu)即電磁閥，上位機放置于距電磁閥較近的室內(nèi)，傳感器連接至終端節(jié)點，在田塊面積大、信號傳送不穩(wěn)定的情況下，可將部分連接傳感器的終端節(jié)點替換為路由節(jié)點。

　　1. 2  滴灌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　參考滴灌相應(yīng)要求，水源處加置節(jié)流閥、過濾器和壓力表，選用PVC Ф32 mm 作干管， Ф20 mm 的PE 管作支管，支管前端接電磁閥、壓力表，選用PVC Ф32 mm 作干管， Ф20 mm 的PE管作支管，支管前端接電磁閥、調(diào)壓閥和流量計，電磁閥選用直流24 V ,2 . 3 L/ h 壓力補償?shù)晤^，一棵作物加一個滴頭嵌入滴灌支管中。支管行距不可過小防止行間水分入滲造成干擾，本系統(tǒng)設(shè)定行距為1 m.滴灌管網(wǎng)設(shè)計如圖1 （ b） 所示。傳感器加在灌區(qū)內(nèi)生長良好的植株上，土壤濕度傳感器埋于地表下植株根系附近，光照度傳感器和溫度傳感器安放于ZigBee 模塊并將模塊固定在植株邊的標桿。電磁閥連接路由器節(jié)點的驅(qū)動電路，網(wǎng)關(guān)通過RSO232 串口接至上位機。

圖1  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　1. 3  無線傳感器網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計

　　本系統(tǒng)的ZigBee 芯片選用TI 的CC2430 ,功能強大，只需要很少的外圍部件配合就能實現(xiàn)信號的收發(fā)功能，片上資源豐富、功能強大，使得無論是處于協(xié)調(diào)器位置的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，還是處于網(wǎng)絡(luò)末梢的傳感器節(jié)點， 其硬件結(jié)構(gòu)都非常簡單、可靠、實用。

　　根據(jù)需要，系統(tǒng)選用STHO01 型土壤濕度傳感器， tc77 數(shù)字溫度傳感器， P9003 光敏電阻，執(zhí)行部分采用DC24V 電磁閥，驅(qū)動電路如圖2 .STHO01 土壤濕度傳感器測量為±3 % ,量程0~100 % ,輸出信號4~20 mA ,工作電壓12 VDC ,穩(wěn)定時間為通電后2 s ,可進行土壤濕度的實時監(jiān)測，滿足系統(tǒng)要求。其輸出的電流信號通過高電阻轉(zhuǎn)為0~5 V 電壓后再由CC2430 進行AD 轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號，通過傳輸所得不同電壓幅值即可確定土壤含水率。信號的接收與發(fā)送均由天線實現(xiàn)。

圖2  系統(tǒng)硬件圖

　　STHO01 土壤濕度傳感器需埋入地下，埋設(shè)位置和開始滴灌后的啟動時間關(guān)系到數(shù)據(jù)準確性及實時性，而一般作物根系深度在10~20 cm，因此在參考相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，做以下實驗：取實驗地點泥土，烘干后置于一透明實驗箱內(nèi)，上置滴頭按照上節(jié)同樣方法設(shè)定滴灌流速，記錄不同深度不同時段土壤濕度值，如此3 次取平均值，得到數(shù)據(jù)如表1 .圖3 為滴灌入滲濕潤體分布圖。

圖3  入滲濕潤體形狀（1/ 2 剖面）

表1  土壤濕度值

　　由表1 知，各深度土壤濕度值差異不大，而實驗用作物根系在10 cm 水平，因此即選擇在10 cm 處埋設(shè)土壤濕度傳感器。此外各深度數(shù)據(jù)均在5 min 及20 min 時出現(xiàn)較大變化，其余時段變化相對較小，考慮5 min 時距滴灌結(jié)束尚有較多時間，因此將傳感器開啟時間設(shè)定為滴灌后20 min.

　　1. 4  節(jié)點軟件設(shè)計

　　ZigBee 技術(shù)以ZigBee 協(xié)議棧為，是基于標準的7 層開放式系統(tǒng)互聯(lián)模型[6 ] ,協(xié)議套件緊湊且簡單，相比于常見的無線通信標準，實現(xiàn)要求較低。

　　ZigBee 規(guī)范定義了3 種類型的設(shè)備，每種都有自己的功能要求：ZigBee 協(xié)調(diào)器是啟動和配置網(wǎng)絡(luò)的一種設(shè)備，負責網(wǎng)絡(luò)正常工作以及保持同網(wǎng)絡(luò)其他設(shè)備的通信，一個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)只允許有一個ZigBee 協(xié)調(diào)器； ZigBee 路由器是一種支持關(guān)聯(lián)的設(shè)備，能夠?qū)⑾⑥D(zhuǎn)發(fā)到其他設(shè)備； ZigBee 終端設(shè)備可以執(zhí)行它的相關(guān)功能，并使用ZigBee 網(wǎng)絡(luò)到達其他需要與其通信的設(shè)備。它的存儲器容量要求少。本設(shè)計采用的節(jié)點均為全功能設(shè)備，因此除網(wǎng)關(guān)在硬件結(jié)構(gòu)上也有區(qū)別外，路由器和終端節(jié)點通過植入不同程序，執(zhí)行不同功能。

　　考慮到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與環(huán)境的特殊性，單一的傳感器不能保證采集數(shù)據(jù)的合理性和準確性，本系統(tǒng)采用分布式多傳感器體系結(jié)構(gòu)，3 個點數(shù)據(jù)作信息融合處理，以融合后的數(shù)據(jù)作為模糊控制器的輸入決策判據(jù)如圖4 所示。當某個節(jié)點傳輸失敗時，借助其他正常節(jié)點提供的信息，還是能獲得更加準確的結(jié)果。融合后對溫度、濕度和光照度這3 個主要環(huán)境參數(shù)進行模糊控制，對滴灌做出較的判斷。多傳感器彼此獨立但并不孤立，它們通過信息交換，相互影響，消除彼此之間可能存在的冗余和矛盾，加以互補，從而降低了測量、控制的不確定性。

　　系統(tǒng)運行時，協(xié)調(diào)器和傳感器節(jié)點首先上電初始化，啟動網(wǎng)絡(luò)后自動進行組網(wǎng)，傳感器節(jié)點收到信號采集數(shù)據(jù)后判斷數(shù)據(jù)是否在系統(tǒng)要求范圍，若不在則表明需要進行滴灌，此時驅(qū)動電磁閥開啟至設(shè)定時間，之后再次采集數(shù)據(jù)判斷，直至滿足系統(tǒng)要求。節(jié)點空閑時處于休眠狀態(tài)，限度降低功耗。

圖4  系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　1. 5  上位機監(jiān)控軟件設(shè)計

　　本系統(tǒng)中監(jiān)控軟件起著至關(guān)重要的作用，采用C # 語言編寫，通過該監(jiān)控軟件來實現(xiàn)對ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)監(jiān)控，信息提取和控制輸出等功能。

　　首先，軟件界面顯示無線網(wǎng)絡(luò)的拓撲圖，確認無誤后開始按預定程序接收節(jié)點傳感器信號，信號可由兩種方式顯示，分別是數(shù)值顯示和曲線顯示，采集步長可設(shè)置為1~60 min ,此外也可手動操作獲取當前信息。對同區(qū)內(nèi)作物采得的信息進行處理，同種傳感器信號取均值，再對3 種傳感器信號綜合計算，設(shè)定閾值，根據(jù)控制方法，在傳感器信號到達設(shè)定值后，輸出對電磁閥的開關(guān)信號。獲取的傳感器信號和輸出的控制信號可定時自動保存，并可導出至界面以供觀察和對比。

　　2  實驗驗證

　　監(jiān)控軟件調(diào)試完畢后，將本系統(tǒng)移至室外實際運作，實驗場地選擇南京農(nóng)業(yè)大學工學院農(nóng)機實驗室旁院試驗田，選取面積約10 m ×30 m ,土壤為普通黃土，2009 年6 月種植玉米（香糯品種） 6 行，其中2 行為一組，組內(nèi)行距0. 4 m ,組間行距1 m ,每組均有一行使用本系統(tǒng)滴灌及一組人工澆灌；每行長度約15~16 m ,行內(nèi)每株間距0. 3 m 左右。

　　選取每組采用滴灌的一顆生長良好玉米，以其融合數(shù)據(jù)代表整片試驗田，設(shè)定土壤濕度在任何狀況下均不可低于20 %或高于50 %;采樣步長設(shè)為30 min ,當監(jiān)測值達到灌溉要求，即滴灌20 min ,若未滿20 min 時已達到濕度上限，則提前停止灌溉，若滴灌結(jié)束后濕度仍未達要求，則根據(jù)測得數(shù)據(jù)再次滴灌，監(jiān)控軟件每60 min 顯示測定結(jié)果。

　　3  結(jié)果分析

　　圖5 所示為2009 年8 月18~20 日試驗田內(nèi)玉米土壤濕度的變化情況，系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄良好無丟失。由于天氣炎熱，18 日及19 日分別有1 次次達到灌溉閾值下限，值24 % ,值為49 % ,基本在理想范圍內(nèi)。這表明在作物缺水時，系統(tǒng)能及時灌溉，當濕度達到作物要求上則適時停止灌溉，減少了不必要的浪費，即達到節(jié)水目的。此外，作物所處土壤濕度基本保持在設(shè)定值附近，保證其生長所需的水分，提高產(chǎn)量和質(zhì)量。

圖5  2009 年8 月18~20 日土壤濕度變化

　　4  結(jié) 語

　　如今精準農(nóng)業(yè)的研究和應(yīng)用越來越廣泛，節(jié)水灌溉也是其中一項關(guān)鍵技術(shù)。本系統(tǒng)將ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)運用于滴灌，設(shè)計了基于ZigBee 的無線滴灌控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)有靈活性強、安全可靠、低功耗的特點，無需人為操作，免除有線接入的繁瑣過程和種種隱患，能夠長期、穩(wěn)定的工作，是對有線控制方法的有益補充。通過監(jiān)控軟件可以實時觀測田間墑情和控制水閥開啟及關(guān)閉，實現(xiàn)土壤水分及溫度、光照的在線監(jiān)測和控制，讓本來難于了解的情況一目了然，進一步減輕種植人員的負擔?？梢哉fZigBee 技術(shù)的引進，提高了自動灌溉的實用性及灌溉用水的使用效率，為我國精準農(nóng)業(yè)工程提供了強有力的工具。

參考文獻:

[1]. tc77  datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/tc77+_1100985.html.
[2]. CC2430  datasheet http://m.58mhw.cn/datasheet/CC2430+_1055132.html.