基于ZigBee物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅嘉龍 劉衛(wèi)星 陳正銘 林佳煜

摘要：傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)如畦灌、溝灌、淹灌和漫灌所需水資源多，水資源短缺與需水量逐年增加之間矛盾日益加劇，為解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)存在的問(wèn)題，通過(guò)對(duì)物聯(lián)網(wǎng)與智能農(nóng)業(yè)的近期狀況研究與分析，提出了基于ZigBee物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該方案采用溫度、濕度、光照等專業(yè)傳感器采集數(shù)據(jù)，基于ZigBee無(wú)線通信方式進(jìn)行設(shè)備連接，ARM處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和智能控制。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方案可實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)采集與智能灌溉功能。

關(guān)鍵字：物聯(lián)網(wǎng)；智能農(nóng)業(yè)；無(wú)線數(shù)據(jù)采集；節(jié)水灌溉；CC2430；ZigBee

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）30-0186-04

Abstract： Traditional agricultural irrigation technologies such as border irrigation， furrow irrigation， flooding irrigation and flooding irrigation need more water resources， and the contradiction between water shortage and water demand is increasing year by year. In order to solve the problems of traditional agricultural irrigation technology， this paper puts forward the technology based on ZigBee Internet of Things through the research and analysis of the recent situation of Internet of Things and intelligent agriculture. The design scheme of intelligent agricultural irrigation system is based on ZigBee wireless communication， and the ARM processor realizes data processing and intelligent control. Experimental results show that the scheme can achieve wireless data acquisition and intelligent irrigation function.

Key words： Internet of Things； intelligent agriculture； wireless data collection； water-saving irrigation； CC2430；ZigBee

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IOT）在2000年左右已被提及，國(guó)際電信聯(lián)盟于2005年正式提出其定義：通過(guò)射頻識(shí)別（RFID）、全球定位系統(tǒng)、紅外感應(yīng)器以及激光掃描器等一系列通信設(shè)備，根據(jù)約定協(xié)議，完成數(shù)據(jù)交流和信息識(shí)別，實(shí)現(xiàn)智能化監(jiān)管、定位、跟蹤等功能的一種物與物之間相互連接網(wǎng)絡(luò)。智能農(nóng)業(yè)（Smart Agriculture） 又稱智慧農(nóng)業(yè)、工廠化農(nóng)業(yè)，是在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)有條件下結(jié)合當(dāng)下新型物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，集科研、生產(chǎn)、加工以及銷售于一體，在相對(duì)可控的環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)集約高效可持續(xù)發(fā)展的現(xiàn)代化生產(chǎn)模式。以廣東省韶關(guān)市為例，當(dāng)前農(nóng)業(yè)發(fā)展正在走向職業(yè)化、集約化、智能化，大量的名特新優(yōu)當(dāng)?shù)剞r(nóng)產(chǎn)品種植、加工及銷售均需大量的高素質(zhì)職業(yè)農(nóng)民，但隨著老年化的來(lái)臨與城鎮(zhèn)化的加劇，農(nóng)業(yè)企業(yè)必須走向只需少量人員即可自動(dòng)化種植生產(chǎn)的道路才能實(shí)現(xiàn)可持續(xù)化發(fā)展。為提升農(nóng)產(chǎn)品灌溉效率，本文對(duì)當(dāng)前市場(chǎng)主流物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)做了詳細(xì)分析，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于ZigBee技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)做了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。[1]

1 國(guó)內(nèi)外智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)應(yīng)用概述

目前，荷蘭、英國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的智能農(nóng)業(yè)已形成設(shè)施制造、環(huán)境調(diào)節(jié)、生產(chǎn)資材一體化的產(chǎn)業(yè)體系，現(xiàn)代化溫室是國(guó)外智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)應(yīng)用的主要表現(xiàn)形式。國(guó)外灌溉控制器已趨于成熟階段，智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)更是被用于不同地域、不同環(huán)境以達(dá)到節(jié)水灌溉等成效。如美國(guó)政府在城市推廣智能灌溉系統(tǒng)，每年節(jié)省8.52億噸水量。以色列根據(jù)國(guó)內(nèi)需求，利用智能農(nóng)業(yè)澆灌，實(shí)現(xiàn)荒漠上發(fā)展灌溉農(nóng)業(yè)，緩解水資源不足問(wèn)題。法國(guó)設(shè)立農(nóng)作物區(qū)域范圍監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，并已可通過(guò)衛(wèi)星通信技術(shù)對(duì)災(zāi)害性氣象進(jìn)行預(yù)控，對(duì)危害疾病蟲(chóng)害實(shí)現(xiàn)監(jiān)管。雨鳥(niǎo)、摩托羅拉等幾家商業(yè)科技公司共同開(kāi)發(fā)并研制出智能化中央計(jì)算機(jī)灌溉控制系統(tǒng)，目前，全美平均每個(gè)州已安裝該系統(tǒng)達(dá)30套左右。其中著名項(xiàng)目包括有微軟總部、英特爾總部、摩托羅拉總部、迪士尼世界及迪士尼樂(lè)園、世界之最的拉斯維加斯米高梅（MGM）大飯店以及斯坦福高校等。

而我國(guó)于2015年7月4日，國(guó)務(wù)院印發(fā)《關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見(jiàn)》，為智能農(nóng)業(yè)灌溉發(fā)展方向奠基。目前，相對(duì)國(guó)外在這發(fā)面發(fā)展，我國(guó)處于起步階段。國(guó)外灌溉控制器性能優(yōu)越，但價(jià)格昂貴，在開(kāi)發(fā)研制的過(guò)程中并沒(méi)有考慮中國(guó)特殊的地形、土壤資源、基層經(jīng)濟(jì)狀況等因素，因此，國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉發(fā)展多數(shù)集中在農(nóng)業(yè)示范區(qū)、高校、科研單位。如江蘇省的智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，以及北京航空航天大學(xué)體育場(chǎng)引進(jìn)國(guó)外智能化中央計(jì)算器灌溉系統(tǒng)。[2]

2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)

射頻識(shí)別，又稱無(wú)線射頻識(shí)別（RFID，Radio Frequency Identification）技術(shù)，是自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在無(wú)線電技術(shù)上具體發(fā)展的一種通訊技術(shù)。其技術(shù)原理為當(dāng)射頻標(biāo)簽進(jìn)入磁場(chǎng)，接收射頻信號(hào)，以感應(yīng)電流形式發(fā)送儲(chǔ)存信息，然后通過(guò)頻率，由閱讀器獲取信息并解碼后，送至中央信息管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。技術(shù)組成包括：

1） 應(yīng)答器：由天線、耦合元件以及芯片組成，又稱射頻標(biāo)簽，原理是將幾塊主要模塊集成在一塊芯片中，完成通訊。芯片內(nèi)含EEPROM用于儲(chǔ)存識(shí)別碼或數(shù)據(jù)?？捎糜诠ぷ魅藛T身份識(shí)別卡或者貨物識(shí)別卡。區(qū)別于傳統(tǒng)的條碼、磁卡、IC卡識(shí)別技術(shù)，射頻電子標(biāo)簽具備非接觸、適應(yīng)惡劣環(huán)境、效應(yīng)距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢(shì)。

2） 閱讀器：由天線、耦合原件和芯片組成，讀取或者被寫(xiě)入標(biāo)簽信息的設(shè)備，在一定區(qū)域范圍內(nèi)發(fā)射電磁波（區(qū)域大小取決于天線尺寸和工作頻率），與應(yīng)答器內(nèi)L C串聯(lián)諧振電路發(fā)生頻率共振，從而讀取信息。

3） 應(yīng)用軟件系統(tǒng)：主要為應(yīng)用層軟件，是RFID技術(shù)的信息處理中心，將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理優(yōu)化，方便人們使用。[3]

2.2 WiFi技術(shù)

2008年，中國(guó)走進(jìn)3G時(shí)代，WLAN（無(wú)線網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)成為主流，而作為WLAN的重要的一員，WIFI技術(shù)憑借自身優(yōu)勢(shì)逐漸得到廣泛的認(rèn)知與認(rèn)可。WIFI（Wireless Fidelity）又稱IEEE802.11協(xié)議，高速傳輸是WIFI技術(shù)優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，在具備54Mbit/s傳輸速度基礎(chǔ)上有較長(zhǎng)的有效距離，可兼容已有的IEEE802.11DSSS設(shè)備。其中IEEE802.11b最高技術(shù)達(dá)11Mbps，IEEE802.11a與IEEE802.11g最高速度可達(dá)54Mbps，現(xiàn)多用IEEE802.11b和IEEE802.11g設(shè)備在2.4～2.4835GHz頻段的免許可頻段，頻段資源不受限制，成本低廉成為WIFI技術(shù)又一大優(yōu)勢(shì)。WIFI無(wú)線網(wǎng)絡(luò)由AP（Access Point）和無(wú)線網(wǎng)卡組成，組成方式簡(jiǎn)單，具有根據(jù)信號(hào)強(qiáng)弱自動(dòng)調(diào)整帶寬功能，可保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性與可靠性。但WIFI技術(shù)存在以下局限性：

1） 覆蓋范圍有限，開(kāi)放性區(qū)域通訊距離可達(dá)305米，封閉性區(qū)域則在76～122米范圍內(nèi)。

2） 移動(dòng)性不佳，靜止或步行情況下才可保證通訊質(zhì)量，高速移動(dòng)下會(huì)出現(xiàn)通訊中斷情況。

3） 無(wú)線信號(hào)易受建筑物墻體阻礙，傳播易受同頻段信號(hào)干擾。

4） 安防措施技術(shù)有待提高。[4]

2.3 Zigbee技術(shù)

2000年12月，IEEE設(shè)立IEEE802.15.4工作組，力求命名一種提供小型設(shè)備 、低配置成本設(shè)備的無(wú)線連接技術(shù)—ZigBee技術(shù)。ZigBee是基于IEEE802.15.4設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)耐耗能性強(qiáng)的局域網(wǎng)協(xié)議，擁有位移短、耐耗能性強(qiáng)、自我管理等特點(diǎn)，致力于較小型裝置系統(tǒng)，使用期限可達(dá)6個(gè)月甚至兩年。[5]ZigBee協(xié)議自下而上可分為會(huì)聚層（APL）、網(wǎng)絡(luò)管理層（NWK）、邏輯鏈路控制層（TL）、媒質(zhì)接入控制層（MAC）、物理層（PHY）等，基層原理基于IEEE 802.15.4，相對(duì)應(yīng)的物理層和媒質(zhì)接入控制層要求根據(jù)IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行并直接使用。[6]

2002年，英國(guó)Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國(guó)摩托羅拉公司、荷蘭飛利浦半導(dǎo)體等公司聯(lián)合組成Zigbee聯(lián)盟，迄今已吸引上百家芯片公司、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)商及無(wú)線設(shè)備公司，引領(lǐng)著Zigbee技術(shù)高速發(fā)展。

Zigbee是一種低成本、商業(yè)型應(yīng)用技術(shù)，其無(wú)線裝置解決了近距離安裝問(wèn)題，消除了傳統(tǒng)無(wú)線技術(shù)不可靠性和穩(wěn)定性等技術(shù)問(wèn)題，隨著技術(shù)的不斷完善，它將在數(shù)據(jù)化無(wú)線技術(shù)領(lǐng)域愈加重要。

2.4 傳感器技術(shù)

傳感器，是對(duì)能夠感應(yīng)（或響應(yīng)）與檢出對(duì)象某一準(zhǔn)確信息，并按照一定規(guī)律形式轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)可輸出信號(hào)的元器件或裝置的總稱。由三部分組成：敏感元件、轉(zhuǎn)換原件、測(cè)量電路。不同場(chǎng)所對(duì)傳感器需求不同，但均需滿足基本要求：高抗干擾性、高精度、高敏銳性、無(wú)滯性、壽命時(shí)間長(zhǎng)等。主要作用可分為兩種：完成信號(hào)傳遞和實(shí)現(xiàn)非電量到電量轉(zhuǎn)換效果。[7]

3 基于ZigBee技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)功能概述

基于ZigBee技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)通過(guò)利用多種傳感器分別對(duì)不同的影響因素進(jìn)行信號(hào)的采集，并對(duì)數(shù)據(jù)做初步處理后，通過(guò)ZigBee無(wú)線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)中，由計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和管理，根據(jù)農(nóng)業(yè)專家給出的灌溉指導(dǎo)，反饋到灌溉控制系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉。

3.1.1 溫室環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控

用戶可通過(guò)電腦或者手機(jī)遠(yuǎn)程查找溫室的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，例如空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度、氧氣濃度、二氧化碳濃度等。

3.1.2 智能報(bào)警系統(tǒng)

系統(tǒng)可針對(duì)不同溫室環(huán)境參數(shù)靈活設(shè)置上下閥值。一旦出現(xiàn)異常現(xiàn)象，系統(tǒng)將根據(jù)配置，通過(guò)手機(jī)短信、系統(tǒng)信息等形式提醒管理員。報(bào)警提醒內(nèi)容將根據(jù)不同客戶需求設(shè)置不同提醒內(nèi)容。管理員可根據(jù)報(bào)警記錄查看關(guān)聯(lián)設(shè)備，快速遠(yuǎn)程控制溫室設(shè)備，更加及時(shí)、高效處理溫室環(huán)境問(wèn)題。

3.1.3 遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制

系統(tǒng)提供手機(jī)客戶端，通過(guò)遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制技術(shù)，客戶可以通過(guò)手機(jī)遠(yuǎn)程控制溫室設(shè)備。系統(tǒng)可制定自定義規(guī)則，實(shí)現(xiàn)溫室設(shè)備自動(dòng)化管理，例如當(dāng)土壤溫濕度過(guò)低時(shí)，溫室灌溉系統(tǒng)自動(dòng)澆水。

3.1.4 歷史數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)可通過(guò)不同條件組合分析對(duì)比及查詢歷史環(huán)境數(shù)據(jù)。系統(tǒng)支持列表和圖標(biāo)兩種形式查詢，用戶能夠更直觀觀看到歷史數(shù)據(jù)曲線圖。系統(tǒng)提供與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)更好的分析數(shù)據(jù)，得出更適合農(nóng)作物生長(zhǎng)、有效提高農(nóng)作物產(chǎn)量的輔助決策。

3.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

智能農(nóng)業(yè)灌溉控制系統(tǒng)以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)綜合Internet通信技術(shù)、GPRS無(wú)線通信建立而成的一套完整的智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)。目的在于將各設(shè)備鏈接在網(wǎng)絡(luò)之中，使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)設(shè)備具備自、動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等新特征。系統(tǒng)包含多個(gè)農(nóng)業(yè)設(shè)備之上安裝與之對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)模塊，包括了傳感器、通信模塊和執(zhí)行器。從功能層次可將系統(tǒng)分為農(nóng)業(yè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)、主節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、終端控制。

3.3 主體硬件或設(shè)備選型

目前市場(chǎng)上基于ZigBee技術(shù)的硬件平臺(tái)有Chipcon公司的CC2420、CC2430，F(xiàn)reeScale公司的MCl3192，MCl3193和Jennie和HelicoIll等公司開(kāi)發(fā)的符合ZigBee規(guī)范的芯片和模塊?；谙到y(tǒng)集成度、成本以及性能等各方面進(jìn)行綜合考慮，選擇了由Chipcon（目前已被TI公司收購(gòu)）推出的CC2430作為本系統(tǒng)硬件選擇。

CC2430芯片主要特性如下：

·具備高配置和相對(duì)其他器核更好耐耗能性的51微控制器核；

·擁有比較寬廣的電流壓強(qiáng)作用域（2.0"--3.6 v）

·具備集合成了14位模數(shù)信號(hào)優(yōu)質(zhì)轉(zhuǎn)換的ADC；

·擁有集合成AES安全協(xié)處理器；

·具備集合成并符合IEEE 802.15.4基本標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz無(wú)線電收發(fā)機(jī)；

·擁有良好的遠(yuǎn)程無(wú)線通訊靈敏度和較為強(qiáng)大的抵抗外界干擾信號(hào)的能力；

·具備數(shù)字轉(zhuǎn)化的RSSFLQl支持和較強(qiáng)的DMA功能；

·擁有外界可突暫?；騌TC的可喚醒系統(tǒng)；

·具備可兼容RollS的7x7ram QLP48封裝設(shè)備；

·擁有較為強(qiáng)大且靈敏性高的研發(fā)設(shè)備。[8]

CC2430 芯片采用0.18 μm CMOS 部件合成；在通訊狀態(tài)下，電場(chǎng)流能損失低于27 mA 或25 mA，可待機(jī)模式和快速喚醒特點(diǎn)，對(duì)電池要求較高的設(shè)備具有高匹配性。CC2430芯片在延用以往CC2420芯片架構(gòu)之上，融合了ZigBee 的內(nèi)部?jī)?chǔ)存和低微控制器和基于射頻技術(shù)（RF）的前端，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高性能配置并提供了以ZigBee為標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz ISM波段設(shè)備需求，同時(shí)兼?zhèn)涓吆哪苄院偷统杀镜葍?yōu)勢(shì)。

3.4 系統(tǒng)軟件界面簡(jiǎn)介

系統(tǒng)軟件操作界面（如下圖5）分為三部分，分別是監(jiān)控區(qū)、自控區(qū)以及遙控區(qū)。

監(jiān)控區(qū)：實(shí)時(shí)獲取濕度傳感器與土水分傳感器反饋信息，獲取灌溉區(qū)域?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)與閥門(mén)狀態(tài)情況，如土壤濕度、瞬時(shí)流量等數(shù)據(jù)，并分析出累計(jì)流量。管理人員可通過(guò)這些數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)灌溉情況，根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)管工作。

自控區(qū)：管理人員根據(jù)農(nóng)作物最適濕度環(huán)境進(jìn)行自控，設(shè)定灌溉區(qū)域濕度上下限，并通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)反饋信息，確保土壤濕度處于最適環(huán)境。

遙控區(qū)：當(dāng)灌溉區(qū)域土壤環(huán)境低于或超過(guò)自控區(qū)設(shè)定的預(yù)警值時(shí)，系統(tǒng)操作界面遙控區(qū)將根據(jù)管理人員提前設(shè)置進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，自動(dòng)化調(diào)控，確保灌溉區(qū)域農(nóng)作物處于生長(zhǎng)最適環(huán)境。

4 結(jié)語(yǔ)

本文講述了在物聯(lián)網(wǎng)浪潮中智能農(nóng)業(yè)研發(fā)中基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總體流程方案，其中重點(diǎn)闡述了該智能系統(tǒng)實(shí)例的框架構(gòu)建、技術(shù)選型以及功能實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)目前可完成基本智能化灌溉需求功能，后期將擴(kuò)展更多市場(chǎng)需求功能，逐步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化，進(jìn)而投入市場(chǎng)。

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【通聯(lián)編輯：梁書(shū)】