溫室大棚的無(wú)線自動(dòng)控制灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

杜佳豪++王筱雨++高原++周鋒

摘 要為了滿足溫室大棚節(jié)水灌溉的迫切需求，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的自動(dòng)控制灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)用濕度傳感器采集數(shù)據(jù)，用ZigBee實(shí)現(xiàn)無(wú)線采集、發(fā)送、接收等工作。如果溫室大棚內(nèi)濕度低于作物所需時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行灌溉，可以有效地對(duì)作物的生長(zhǎng)進(jìn)行監(jiān)控。

【關(guān)鍵詞】溫室灌溉 ZigBee 無(wú)線

1 引言

目前大部分溫室大棚主要采用傳統(tǒng)粗放灌溉方式，水資源利用效率低，并且很難保證合理準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)土壤濕度。因此，采用先進(jìn)的無(wú)線自動(dòng)化控制技術(shù)實(shí)施精準(zhǔn)灌溉，能夠有效地提高灌溉準(zhǔn)確度和提高水的利用率。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)逐漸運(yùn)用到遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。

2 系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要由終端節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)，上位機(jī)組成。終端節(jié)點(diǎn)與YL-69土壤濕度傳感器相連，主要接收傳感器采集到的數(shù)據(jù)，并且存儲(chǔ)和發(fā)送數(shù)據(jù)。主節(jié)點(diǎn)也就是協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，可以修改ZigBee協(xié)議棧讓更多的終端節(jié)點(diǎn)尋址加入，它主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)終端節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)到上位機(jī)。上位機(jī)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接收、處理和顯示。將終端節(jié)點(diǎn)放在待測(cè)地點(diǎn)采集土壤濕度，讓協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)相連。當(dāng)打開(kāi)上位機(jī)自動(dòng)控制灌溉系統(tǒng)界面時(shí)，通過(guò)上位機(jī)界面的對(duì)話框來(lái)修改土壤濕度閾值等參數(shù)，協(xié)調(diào)器開(kāi)始工作，初始化網(wǎng)絡(luò)配置。每一個(gè)子網(wǎng)絡(luò)都通過(guò)尋址加入到協(xié)調(diào)器上來(lái)，此時(shí)終端節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)，并采集傳輸數(shù)據(jù)。

3 主節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

主節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)上都是一樣的，硬件框圖如圖1所示。它們不參與數(shù)據(jù)采集，只是對(duì)傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和傳輸以及接收。此硬件系統(tǒng)的核心模塊為美國(guó)TI公司的CC2530，此芯片具有基于ZigBee2007協(xié)議棧的模板。本系統(tǒng)采用2.4GHz的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線頻段，信號(hào)穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。

4 管理系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

灌溉系統(tǒng)的主程序結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)主程序主要實(shí)現(xiàn)控制算法編程，協(xié)調(diào)器、路由器、控制節(jié)點(diǎn)相關(guān)程序由C語(yǔ)言編程，主要是ZigBee 協(xié)議的移植，實(shí)現(xiàn)控制命令的發(fā)送、接收和執(zhí)行。傳感器節(jié)點(diǎn)采集土壤濕度數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再發(fā)送給管理平臺(tái)，然后與設(shè)定值進(jìn)行比較，若超出濕度閾值，給出對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)，控制信號(hào)經(jīng)協(xié)調(diào)器、路由器，傳送給控制節(jié)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)相關(guān)控制設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)灌溉系統(tǒng)的自動(dòng)控制。

5 系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)在當(dāng)?shù)販厥掖笈飪?nèi)進(jìn)行了初步試驗(yàn)，該溫室大棚采用地面固定式滴灌系統(tǒng)，每塊地采用一主管加多支管的梳狀輸配水管網(wǎng)，本系統(tǒng)將灌溉閥門(mén)安裝于主管道末端，每個(gè)灌溉閥門(mén)通過(guò)電纜與一個(gè)控制節(jié)點(diǎn)相連接，并由該控制節(jié)點(diǎn)控制該溫室的灌溉策略的執(zhí)行。溫室大棚一共布置了24個(gè)設(shè)備，其中1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，4個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，4個(gè)控制節(jié)點(diǎn)，15個(gè)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)具有與一階慣性系統(tǒng)相似的響應(yīng)特性，表明系統(tǒng)的穩(wěn)定性很好，系統(tǒng)運(yùn)行56min 即能將溫室內(nèi)土壤濕度由30%提高到設(shè)定的56%，系統(tǒng)超調(diào)量≤8%。而一般果蔬類植物對(duì)水分的脅迫的忍耐時(shí)間至少在1h以上，可見(jiàn)本系統(tǒng)可以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的要求。

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了溫室大棚自動(dòng)控制灌溉系統(tǒng)，采用8051單片機(jī)內(nèi)核的無(wú)線頻射芯片CC2530和土壤濕度傳感器YL-69組成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。本文給出了無(wú)線濕度系統(tǒng)各模塊的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試。測(cè)試證明，系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性，并能滿足不同蔬菜不同時(shí)期灌溉的需要。

參考文獻(xiàn)

[1]程文鋒，楊祥龍，王立人等.PLC和觸摸屏在自動(dòng)噴灌控制器中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究，2009，31（05）：128-131.

[2]薛艷亮，胡建萍，王江柱.基于分布式編址機(jī)制的ZigBee組網(wǎng)技術(shù)研究[J].杭州電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28（02）：33-36.

作者簡(jiǎn)介

杜佳豪（1996-），男，江蘇省南通市人。鹽城工學(xué)院本科生。主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。

王筱雨（1995-），男，江蘇省鹽城市人。鹽城工學(xué)院本科生。主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理。

高原（1996-），男，江蘇省徐州市人。鹽城工學(xué)院本科生。主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理

周鋒（1981-），男，江蘇省鹽城市人。鹽城工學(xué)院信息工程學(xué)院，博士在讀，講師。主要研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理、圖像與語(yǔ)音信號(hào)處理等。

作者單位

鹽城工學(xué)院信息工程學(xué)院 江蘇省鹽城市224051