基于ZigBee技术的农业自动灌溉系统方案

一、概述

       为了加快农业生产的数字化和信息化的发展，提高农田灌溉中的生产效率，采用单片机技术、ZigBee 以及组态等技术设计开发了一种远程灌溉监控控制系统。该系统由监控计算机、主控制器、分控制器等组成。分控制器由传感器、电源模块、太阳能电池板、电磁阀组成，通过传感器把现场的池块温度、土壤含水率、池块水位采集回来，将数据打包后通过 GPRS 发送到监控终端的上位机 ; 上位机软件接收并处理数据，根据相应的预设参数和采集回来的参数，发送相应的命令给现场。该系统能够控制电磁阀的动作，连续运行未发生故障，可实现无人值守的远程灌溉监控。

现在的农业灌溉都是采用喷灌、滴灌、微灌等技术方法，需要手动对监控现场的情况进行控制，而且需要另外的网络构建与布线，成本较高。随着经济社会的发展，需要一种自动、科学的灌溉系统来控制灌溉。为此 设计一种基于 ZigBee 和 智能自动灌溉系统，在监控中心通过上位机可以看到现场的数据，同时会根据农业各个生长期的需水情况，自动发送命令控制电磁阀的动作。综合来看，该系统成本低，与传统的控制系统相比更加智能。

2、需求分析

目前，国内大部分微灌系统都是采用有线方式来采集和传递农业信息。这种方式不仅构建起来现场布线麻烦，而且管理维护也不方便、组网方式也不灵活，并且农田的面积大的话，布线费用的造价也比无线的方式昂贵。

另外也可以用GSM/GPRS，CDMA等无线通信模块来传递信息，但GSM/GPRS无线通信模块相对价格比较高，使用会产生费用，且需要借助于公用通信网，考虑到农场均在偏远地带，多处接收不到信号，可行性不大，还有的提出了点对点的近距离无线通信模块，其组网性能不佳，也不能大规模组网。

本系统运用目前发展迅猛的新通信技术ZigBee，再加上原有的DTU合并成为带GPRS的ZigBee无线通讯产品，只需汇聚点借助公用通信网的支撑，低功耗，分布面积广，在作物种植区中组网便捷，且建网成本低，适合用在微灌测控系统中，用来完成墒情信息的采集和传递，以及控制电磁阀动作，从而完成整个微灌控制的过程。

二、系统的结构及工作原理

系统由上位机和下位机组成，总体结构图如图 1 所示。其中，上位机安装了组态软件服务器，负责接;收发回来的数据和发送相应的命令 下位机由网关和节点组成。其中，节点是由电源模块、ZigBee 模块、传感器、太阳能板、电磁阀等部分组成。在农业处放置节点，根据农产品生长时期和土壤状况确定传感器埋设深度，实时监测池块变化。设计时，在中布置 8 个节点，网关与节点中采用 ZigBee 树状网络通讯，网关与上位机采用 GPRS 通讯，系统网关和节点都通过太阳能板供电。

节点实时采集传感器的数值，经 ZigBee 传输到网关，数据实时显示在组态屏上，网关将数据融合后由GPRS 传送到上位机。上位机软件接收并处理数据，根据相应的预设参数和采集回来的参数，会自动控制电磁阀启停功能。同时，网关还可以监测电池电量的参数，并传送至上位机。

Zigbee传输网络

前端采用才茂CM210 ZigBee模块，通过232/485（端子接口）和采集器相连接，ZigBee作为一种无线连接，可工作在2. 4 GHz的传输速率。该型号设备一般为终端节点，完成信息的发送和接收。

ZigBee中心节点采用才茂CM3161 ZigBee+GPRS模块，该模块集成了Zigbee+GPRS，中心节点收到的数据可以通过串口直接是输出到服务器上（前端与服务器的距离较近）；还可有通过GPRS把其收到的数据发送的远端的服务器上，GPRS部分采用国际标准TCP/IP通信协议，且两种方式都是实现数据透明传输功能。省去了每个终端的GPRS模块，只需要一个中心节点，节约了成本。

三、方案特点

       1、本地采用ZigBee无线组网，设备投入成本低，网络使用零资费，为整个项目节省大量的费用支出、设备配置操作简单，易懂，所有模块能够完成自组网能力，故障自愈，低功耗，稳定；

2、采用本地大面积ZigBee组网汇集通过少量GPRS广域网实现远程集中监控管理，即保证了网络稳定也同时有效降低了成本；

       3、CM210系列除了RS232/485通讯接口外还有自带的模拟采集和数字I/O，采用标准MODBUS方式通讯可方便客户直接在设备上扩展应用，节省控制盒数据采集终端成本；

4、CM210系列专为野外无人值守、工作环境恶劣等场合设计，特别适合灌溉等野外监控系统应用；

5、CM210广域传输部分支持公网、APN、VPDN等组网方式，同时支持主备中心、多中心、多种激活和上下线等应用方便客户根据自己需求进行选择，同时支持远程配置，方便后期维护。

四、方案效益

    随着物联网、工业无线通信等相关学科发展，农业灌排通过引用相关领域新产品、新技术实现了数据监测、传输、管理、预警、应急指挥的智能化。基于ZigBeee技术智能灌溉系统的研发与应用，在实现节约灌溉、智能灌溉、高效灌溉的同时，不仅可以提高水资源利用率，缓解水资源日趋紧张的矛盾，还可以增加农作物的产量，降低农产品的成本。基于传感器技术的智能灌溉系统将是中国未来发展高效农业和精细农业的必由之路。