基于無線傳感器網絡的節水灌溉控制系統

摘要：為提高灌溉用水利用率，緩解水資源日趨緊張的矛盾，采用基于ZigBee技術的無線傳感網絡與GPRS網絡相結合的體系結構，基于CC2530芯片設計無線節點，開發了此節水灌溉控制系統。該系統以單片機為控制核心，由無線傳感器節點、無線路由節點、無線網關、監控中心四部分組成，能實時監測土壤溫濕變化，根據土壤墑情和作物用水規律實施精準灌溉。系統實現了節水灌溉的自動化控制，有助于改善農業灌溉用水的利用率和灌溉系統自動化的水平普遍較低的現狀。
關鍵詞：ZigBee；無線傳感器；節水灌溉；墑情監測

農業灌溉是我國的用水大戶，其用水量約占總用水量的70％。據統計，因干旱我國糧食每年平均受災面積達兩千萬公頃，損失糧食占全國因災減產糧食的50％50％。長期以來，由于技術、管理水平落后，導致灌溉用水浪費十分嚴重，農業灌溉用水的利用率僅40％40％。如果根據監測土壤墑情信息，實時控制灌溉時機和水量，可以有效提高用水效率。而人工定時測量墑情，不但耗費大量人力，而且做不到實時監控；采用有線測控系統，則需要較高的布線成本，不便于擴展，而且給農田耕作帶來不便。因此，設計一種基于無線傳感器網絡的節水灌溉控制系統，該系統主要由低功耗無線傳感網絡節點通過ZigBee自組網方式構成，從而避免了布線的不便、靈活性較差的缺點，實現土壤墑情的連續在線監測，農田節水灌溉的自動化控制，既提高灌溉用水利用率，緩解我國水資源日趨緊張的矛盾，也為作物生長提供良好的生長環境。

1 系統構架
1．1 無線傳感器網絡
無線傳感器網絡技術應用在該節水灌溉控制系統中，其核心技術是ZigBee自組網技術。 ZigBee是一種低復雜度、低功耗、低數據率、低成本、高可靠信度、大網絡容量的雙向無線通信技術。由應用層、網絡層、介質接人控制層和物理層組成。ZigBee網絡中的設備分為全功能設備(Full Function Device，FFD)和簡化功能設備(Reduce Function Device，RFD)兩種。 ZigBee網絡支持星型網、樹狀網和網狀網三種拓撲結構。本系統采用混合網，底層為多個ZigBee監測網絡，負責監測數據的采集。每個ZigBee監測網絡有一個網關節點和若干的土壤溫濕度數據采集節點。監測網絡采用星型結構，網關節點作為每個監測網絡的基站。網關節點具有雙重功能，一是充當網絡協調器的角色，負責網絡的自動建立和維護、數據匯集；二是作為監測網絡與監控中心的接口，與監控中心傳遞信息。此系統具有自動組網功能，無線網關一直處于監聽狀態，新添加的無線傳感器節點會被網絡自動發現，這時無線路由會把節點的信息送給無線網關，有無線網關進行編址并計算其路由信息，更新數據轉發表和設備關聯表等。
1．2 系統體系結構
該系統以單片機為控制核心，由無線傳感節點(RFD)、無線路由節點(FFD)、無線網關(FFD)、監控中心四大部分組成，通過ZigBee自組網，監控中心、無線網關之間通過GPRS進行墑情及控制信息的傳遞。每個傳感節點通過溫濕度傳感器，自動采集墑情信息，并結合預設的濕度上下限進行分析，判斷是否需要灌溉及何時停止。每個節點通過太陽能電池供電，電池電壓被隨時監控，一旦電壓過低，節點會發出電壓過低的報警信號，發送成功后，節點進入睡眠狀態直到電量充足。其中無線網關連接ZigBee無線網絡與GPRS網絡，是基于無線傳感器網絡的節水灌溉控制系統的核心部分，負責無線傳感器節點的管理。傳感器節點與路由節點自主形成一個多跳的網絡。溫濕度傳感器分布于監測區域內，將采集到的數據發送給就近的無線路由節點，路由節點根據路由算法選擇最佳路由，建立相應的路由列表，其中列表中包括自身的信息和鄰居網關的信息。通過網關把數據傳給遠程監控中心，便于用戶遠程監控管理。本文設計的基于無線傳感器網絡的節水灌溉控制系統組成框圖如圖1所示。

2 硬件設計
2．1 傳感器節點模塊
土壤水分是作物生長的關鍵性限制因素，土壤墑情信息的準確采集是進行農田的節水灌溉、最優調控的基礎和保證，對于節水技術有效的實施具有關鍵性的作用。本系統傳感器節點硬件結構如圖2所示。

系統采用TDR-3A型土壤溫濕度傳感器，該傳感器集溫度和濕度測量于一體，具有密封、防水、精度高的特點，是測量土壤溫濕度的理想儀器。溫度的量程是-40～+80℃，精度為±0．2℃；濕度的量程是0～100％，在O～50％范圍內精度為±2％。溫濕度傳感器輸出信號是4～20 mA的標準電流環，在主控制器電路上先進行I／U轉換，然后進行A／D轉換為數字信號后通過射頻天線發射出去。電流變換器采用RCV420JP芯片，該芯片集成電阻網絡、運算放大器和標準的10 V基準電壓源，能夠將4～20 mA的電流環轉換成0～5 V的電壓輸出。