一、概述

       為了加快農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的數(shù)字化和信息化的發(fā)展，提高農(nóng)田灌溉中的生產(chǎn)效率，采用單片機(jī)技術(shù)、ZigBee 以及組態(tài)等技術(shù)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種遠(yuǎn)程灌溉監(jiān)控控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由監(jiān)控計(jì)算機(jī)、主控制器、分控制器等組成。分控制器由傳感器、電源模塊、太陽(yáng)能電池板、電磁閥組成，通過(guò)傳感器把現(xiàn)場(chǎng)的池塊溫度、土壤含水率、池塊水位采集回來(lái)，將數(shù)據(jù)打包后通過(guò) GPRS 發(fā)送到監(jiān)控終端的上位機(jī) ; 上位機(jī)軟件接收并處理數(shù)據(jù)，根據(jù)相應(yīng)的預(yù)設(shè)參數(shù)和采集回來(lái)的參數(shù)，發(fā)送相應(yīng)的命令給現(xiàn)場(chǎng)。該系統(tǒng)能夠控制電磁閥的動(dòng)作，連續(xù)運(yùn)行未發(fā)生故障，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的遠(yuǎn)程灌溉監(jiān)控。

現(xiàn)在的農(nóng)業(yè)灌溉都是采用噴灌、滴灌、微灌等技術(shù)方法，需要手動(dòng)對(duì)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的情況進(jìn)行控制，而且需要另外的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與布線(xiàn)，成本較高。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，需要一種自動(dòng)、科學(xué)的灌溉系統(tǒng)來(lái)控制灌溉。為此 設(shè)計(jì)一種基于 ZigBee 和 智能自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，在監(jiān)控中心通過(guò)上位機(jī)可以看到現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)，同時(shí)會(huì)根據(jù)農(nóng)業(yè)各個(gè)生長(zhǎng)期的需水情況，自動(dòng)發(fā)送命令控制電磁閥的動(dòng)作。綜合來(lái)看，該系統(tǒng)成本低，與傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)相比更加智能。

2、需求分析

目前，國(guó)內(nèi)大部分微灌系統(tǒng)都是采用有線(xiàn)方式來(lái)采集和傳遞農(nóng)業(yè)信息。這種方式不僅構(gòu)建起來(lái)現(xiàn)場(chǎng)布線(xiàn)麻煩，而且管理維護(hù)也不方便、組網(wǎng)方式也不靈活，并且農(nóng)田的面積大的話(huà)，布線(xiàn)費(fèi)用的造價(jià)也比無(wú)線(xiàn)的方式昂貴。

另外也可以用GSM/GPRS，CDMA等無(wú)線(xiàn)通信模塊來(lái)傳遞信息，但GSM/GPRS無(wú)線(xiàn)通信模塊相對(duì)價(jià)格比較高，使用會(huì)產(chǎn)生費(fèi)用，且需要借助于公用通信網(wǎng)，考慮到農(nóng)場(chǎng)均在偏遠(yuǎn)地帶，多處接收不到信號(hào)，可行性不大，還有的提出了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的近距離無(wú)線(xiàn)通信模塊，其組網(wǎng)性能不佳，也不能大規(guī)模組網(wǎng)。

本系統(tǒng)運(yùn)用目前發(fā)展迅猛的新通信技術(shù)ZigBee，再加上原有的DTU合并成為帶GPRS的ZigBee無(wú)線(xiàn)通訊產(chǎn)品，只需匯聚點(diǎn)借助公用通信網(wǎng)的支撐，低功耗，分布面積廣，在作物種植區(qū)中組網(wǎng)便捷，且建網(wǎng)成本低，適合用在微灌測(cè)控系統(tǒng)中，用來(lái)完成墑情信息的采集和傳遞，以及控制電磁閥動(dòng)作，從而完成整個(gè)微灌控制的過(guò)程。

二、系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成，總體結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。其中，上位機(jī)安裝了組態(tài)軟件服務(wù)器，負(fù)責(zé)接;收發(fā)回來(lái)的數(shù)據(jù)和發(fā)送相應(yīng)的命令 下位機(jī)由網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)組成。其中，節(jié)點(diǎn)是由電源模塊、ZigBee 模塊、傳感器、太陽(yáng)能板、電磁閥等部分組成。在農(nóng)業(yè)處放置節(jié)點(diǎn)，根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品生長(zhǎng)時(shí)期和土壤狀況確定傳感器埋設(shè)深度，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)池塊變化。設(shè)計(jì)時(shí)，在中布置 8 個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)與節(jié)點(diǎn)中采用 ZigBee 樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)通訊，網(wǎng)關(guān)與上位機(jī)采用 GPRS 通訊，系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)都通過(guò)太陽(yáng)能板供電。

節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集傳感器的數(shù)值，經(jīng) ZigBee 傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在組態(tài)屏上，網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)融合后由GPRS 傳送到上位機(jī)。上位機(jī)軟件接收并處理數(shù)據(jù)，根據(jù)相應(yīng)的預(yù)設(shè)參數(shù)和采集回來(lái)的參數(shù)，會(huì)自動(dòng)控制電磁閥啟停功能。同時(shí)，網(wǎng)關(guān)還可以監(jiān)測(cè)電池電量的參數(shù)，并傳送至上位機(jī)。

Zigbee傳輸網(wǎng)絡(luò)

前端采用才茂CM210 ZigBee模塊，通過(guò)232/485（端子接口）和采集器相連接，ZigBee作為一種無(wú)線(xiàn)連接，可工作在2. 4 GHz的傳輸速率。該型號(hào)設(shè)備一般為終端節(jié)點(diǎn)，完成信息的發(fā)送和接收。

ZigBee中心節(jié)點(diǎn)采用才茂CM3161 ZigBee+GPRS模塊，該模塊集成了Zigbee+GPRS，中心節(jié)點(diǎn)收到的數(shù)據(jù)可以通過(guò)串口直接是輸出到服務(wù)器上（前端與服務(wù)器的距離較近）；還可有通過(guò)GPRS把其收到的數(shù)據(jù)發(fā)送的遠(yuǎn)端的服務(wù)器上，GPRS部分采用標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP通信協(xié)議，且兩種方式都是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸功能。省去了每個(gè)終端的GPRS模塊，只需要一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，節(jié)約了成本。

三、方案特點(diǎn)

       1、本地采用ZigBee無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)，設(shè)備投入成本低，網(wǎng)絡(luò)使用零資費(fèi)，為整個(gè)項(xiàng)目節(jié)省大量的費(fèi)用支出、設(shè)備配置操作簡(jiǎn)單，易懂，所有模塊能夠完成自組網(wǎng)能力，故障自愈，低功耗，穩(wěn)定；

2、采用本地大面積ZigBee組網(wǎng)匯集通過(guò)少量GPRS廣域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控管理，即保證了網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定也同時(shí)有效降低了成本；

       3、CM210系列除了RS232/485通訊接口外還有自帶的模擬采集和數(shù)字I/O，采用標(biāo)準(zhǔn)MODBUS方式通訊可方便客戶(hù)直接在設(shè)備上擴(kuò)展應(yīng)用，節(jié)省控制盒數(shù)據(jù)采集終端成本；

4、CM210系列專(zhuān)為野外無(wú)人值守、工作環(huán)境惡劣等場(chǎng)合設(shè)計(jì)，特別適合灌溉等野外監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用；

5、CM210廣域傳輸部分支持公網(wǎng)、APN、VPDN等組網(wǎng)方式，同時(shí)支持主備中心、多中心、多種激活和上下線(xiàn)等應(yīng)用方便客戶(hù)根據(jù)自己需求進(jìn)行選擇，同時(shí)支持遠(yuǎn)程配置，方便后期維護(hù)。

四、方案效益

    隨著物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)無(wú)線(xiàn)通信等相關(guān)學(xué)科發(fā)展，農(nóng)業(yè)灌排通過(guò)引用相關(guān)領(lǐng)域新產(chǎn)品、新技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、傳輸、管理、預(yù)警、應(yīng)急指揮的智能化?；?span>ZigBeee技術(shù)智能灌溉系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用，在實(shí)現(xiàn)節(jié)約灌溉、智能灌溉、高效灌溉的同時(shí)，不僅可以提高水資源利用率，緩解水資源日趨緊張的矛盾，還可以增加農(nóng)作物的產(chǎn)量，降低農(nóng)產(chǎn)品的成本?；趥鞲衅骷夹g(shù)的智能灌溉系統(tǒng)將是中國(guó)未來(lái)發(fā)展高效農(nóng)業(yè)和精細(xì)農(nóng)業(yè)的必由之路。