基於ZigBee技術的農業自（zì）動灌溉係統方案

一、概述

       為了加快農業生產的數（shù）字化（huà）和信息化的發展，提高農田灌溉中（zhōng）的生產效率，采用單片機技術、ZigBee 以及組態等（děng）技術設計開發了一種遠程灌溉監控控製係統。該係統由監控計算機、主控製（zhì）器、分控製（zhì）器等組成。分控製器由傳感器、電源模塊、太陽能電池板、電磁閥組成，通過傳感器把現場（chǎng）的池塊溫度、土（tǔ）壤含水率、池塊水位采集回來，將數據打（dǎ）包後通過 GPRS 發（fā）送到監（jiān）控終端的上位機 ; 上位機軟件接收並處理數據，根據相（xiàng）應的預設參數和采集回來的參數，發送相應的命令給現場（chǎng）。該係統能夠（gòu）控製電磁閥的動作，連續運行未發生故障，可實現無人值守的遠程灌（guàn）溉監控。

現在的農業灌溉都是（shì）采用噴灌、滴灌、微灌等（děng）技術方法，需要手動對監控（kòng）現場（chǎng）的情（qíng）況進行控製，而（ér）且需要另外的網（wǎng）絡構建與布線，成（chéng）本較高。隨著經濟社會的發展，需要（yào）一種自動、科學的灌溉係統來控（kòng）製灌溉。為此（cǐ） 設計一種基於 ZigBee 和 智能（néng）自動灌溉係統，在監控中心（xīn）通過上位機可以看到現場的數據，同時會根據農業各個生（shēng）長期的需水情況，自動發送命令控製電磁閥的動作。綜合來看，該係統成本低，與傳統的控製（zhì）係統相比更加智能。

2、需（xū）求分析

目（mù）前，國內大部分微灌係（xì）統都是采用有線（xiàn）方式來采集和傳遞農業（yè）信息。這種方式不僅構建起來現場布（bù）線麻煩，而且管理維（wéi）護也不方便、組網方式（shì）也不靈活，並且（qiě）農田（tián）的麵積（jī）大的話，布線費用的造價也比無線的方式昂貴（guì）。

另外也可以用GSM/GPRS，CDMA等無線（xiàn）通信模塊（kuài）來傳遞信息，但GSM/GPRS無（wú）線通信模塊相對（duì）價格比較高，使用會（huì）產生費用，且需要借助於公用通（tōng）信網，考慮到農場均在偏遠地帶，多處接收不到信號，可行性不大，還有的提出了點對點的近（jìn）距（jù）離無線通信模塊，其組網性能不佳，也不（bú）能大規模組網。

本係統（tǒng）運用目前發展迅猛的新通信技術ZigBee，再加上原（yuán）有的DTU合並成為帶GPRS的ZigBee無線通訊產品，隻需匯（huì）聚點借助（zhù）公用通信網的支撐，低功耗，分布麵積廣，在（zài）作物種植區中組網便捷，且建網成本低，適合用在微灌測控係統中，用（yòng）來完成墒情信息的采集和傳遞，以及控製電磁閥動作，從而完（wán）成整個微灌（guàn）控製的過程。

二、係統的結構及工（gōng）作原理

係統由上位機（jī）和下位機組成，總體（tǐ）結構圖如圖 1 所示。其中，上位（wèi）機安裝了組態軟件服務器，負責接;收發回來（lái）的數據和發送相應的（de）命令 下位機由網關和節點組成。其（qí）中，節點是由電源模塊、ZigBee 模塊、傳感器、太陽能板、電磁（cí）閥等（děng）部分組成。在農業處放置節點，根據農產（chǎn）品生長時期和土（tǔ）壤狀況確定傳感器埋設深度，實時監測池塊變化（huà）。設（shè）計時，在中布置 8 個節點，網關與節點中采用 ZigBee 樹狀網絡通（tōng）訊，網關（guān）與上位機采用 GPRS 通訊，係（xì）統網關和節點都通過太陽能板供（gòng）電。

節點（diǎn）實時采集傳感器的數值（zhí），經（jīng） ZigBee 傳輸（shū）到（dào）網關，數據實時顯示在組態屏上，網（wǎng）關將數據融合後由（yóu）GPRS 傳送到上位機。上位機軟件接收並處理數據，根據相（xiàng）應的預設參數（shù）和采集回來的參數，會（huì）自動控製（zhì）電（diàn）磁閥啟停功能（néng）。同時（shí），網（wǎng）關還可以監測電池電量的參數，並傳（chuán）送至上位機。

Zigbee傳輸網絡

前端采用（yòng）才茂CM210 ZigBee模塊，通過232/485（端子接（jiē）口）和采（cǎi）集器相連接，ZigBee作為一種無線連接（jiē），可工作在2. 4 GHz的（de）傳輸速率。該型（xíng）號設備（bèi）一般為終端節（jiē）點，完成信息的發送（sòng）和（hé）接收。

ZigBee中心節點采（cǎi）用才茂（mào）CM3161 ZigBee+GPRS模塊（kuài），該模塊集成（chéng）了Zigbee+GPRS，中心節點（diǎn）收到的數（shù）據可以通過串口直接是輸（shū）出到服務器上（前（qián）端與服（fú）務器的距（jù）離較近）；還可有通過GPRS把其收到的數據發送的遠端（duān）的服務器上，GPRS部分采用國際標準TCP/IP通信（xìn）協議，且兩種方式（shì）都是（shì）實現數據透明傳輸功能。省去了每個終端的GPRS模塊，隻需要一個中心（xīn）節點（diǎn），節約（yuē）了成本。

三、方案特點

       1、本地采用ZigBee無線組網，設備投入成本低，網（wǎng）絡使用零資費，為（wéi）整個項目節省大量的費用支出、設備配置操（cāo）作簡單，易（yì）懂（dǒng），所有模塊能夠完成自組網能力，故障自愈，低功耗，穩定（dìng）；

2、采用本地大麵積ZigBee組網匯集通過少（shǎo）量GPRS廣域網實現遠程集中監控管理，即保證了網絡穩定也同時有效降低了成本（běn）；

       3、CM210係列除（chú）了（le）RS232/485通訊接口外還有自帶的模擬采集和數字I/O，采用標準MODBUS方（fāng）式通訊（xùn）可方便客戶直（zhí）接在設備上擴（kuò）展應用，節（jiē）省控製盒數據采集（jí）終端（duān）成本；

4、CM210係列專為（wéi）野外無人值（zhí）守、工作環境惡劣等場合設計，特別適合灌溉等野（yě）外監控係統（tǒng）應用；

5、CM210廣域傳（chuán）輸部分支持公網、APN、VPDN等組網方（fāng）式，同時支持（chí）主備中心、多中心（xīn）、多種激活和上下線等應用方便客戶根據自（zì）己需求進（jìn）行選擇，同時（shí）支持遠程配置，方便（biàn）後期維護。

四、方案效益

    隨（suí）著物聯網、工業無線通信等相關學科（kē）發展，農業灌排通過引用相關領域新產品、新技術實（shí）現（xiàn）了數據監測、傳輸、管理、預警、應急指揮的智能化。基於ZigBeee技（jì）術（shù）智能（néng）灌溉係統的（de）研發與（yǔ）應用，在實現節約灌溉、智能（néng）灌溉、高效灌溉的同時，不（bú）僅可以提高水資源利用率，緩解水資（zī）源日趨緊張的矛盾，還可（kě）以增加農作物的產量，降低農產品的成本。基於傳感器技術的（de）智能灌溉係統將是中國未來發展高效農業和精細農業的（de）必由之路。