基于无线传感网的城市绿地智能灌溉系统设计

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摘 要：针对水资源紧缺且绿地灌溉浪费等问题，提出一套基于ZigBee芯片CC2530和Z-Stack协议栈的无线传感网智能监控灌溉系统，对系统硬件和软件分别作了详细设计。系统可以实时监测绿地的温湿度信息，并作出灌溉控制决策，以此实现节水自动灌溉的目的。

关键词：智能灌溉；无线传感网；城市绿地；CC2530；Z-Stack协议栈

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）06-00-02

0 引 言

在灌溉控制方面，现在我国主要推广的是半自动化灌溉系统。此类系统利用定时器控制灌溉，比人工控制系统节水。可以根据经验针对不同气候时段设置不同灌溉程序，减少了灌溉的随意性。但灌溉程序设定仍依赖管理人员的经验或参考有关数据。若管理人员经验不足或获得的参考数据准确性差，编制的程序会导致灌水过量或不足，距离达到精确化、智能化灌溉仍有很大距离[1]。本文提出一种基于ZigBee无线传感网近距离通信和GPRS远程通信获取绿地信息，并通过网络自动控制或远程手动控制设计方案，可以自适应控制灌溉，达到智能灌溉的节水目标。

1 系统整体结构设计

智能监控及灌溉系统整体框图如图1所示，系统主要由无线传感器网络，GPRS网络和控制终端组成[2]。多个带有温湿度传感器的ZigBee节点均匀布撒在绿地上，负责实时采集土壤温湿度信息并通过ZigBee终端节点将数据传输给ZigBee路由器节点，路由器节点将数据融合然后传输给ZigBee汇聚节点。ZigBee汇聚节点通过串口连接GPRS模块，该模块将数据通过网络传输给中心控制服务器。服务器将数据存入数据库并进行分析处理，然后得出决策信息。控制命令可通过控制终端发出，由GPRS网络和ZigBee网络传输到路由器节点，该节点控制阀门打开进行自动灌溉[3]。

每个ZigBee节点负责一个小区域，节点均匀部署可以保证获取的数据有效准确，ZigBee节点短距离通信传输信息功耗小，可采用太阳能电池作为能源，不必更换电池且可延长节点使用寿命。智能监控服务器可以根据收到的监测数据做出决策，发出信令控制电磁阀实施自动灌溉，该智能灌溉系统可以改善现有的半自动及手动灌溉方式的浪费现象。

图1 智能监控灌溉系统整体结构图

2 数据采集与传输设计

无线传感器网络由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成，传感器节点实时监测、感知和采集网络分布区域内绿地温湿度的信息，并将监测到的数据转换成电信号通过无线多跳的通信方式发送给汇聚节点[4]。无线通信与组网是无线传感器网络的主要功能，其核心内容是通信协议，通信协议使传感器节点组成网络并相互之间传送数据，形成一个网络整体，从而完成各种复杂的任务，这是无线传感器网络工作的基础。IEEE 802.15.4/ZigBee协议是由IEEE 802.15.4标准的物理层（PHY），媒体访问控制层（MAC）， ZigBee的网络层（NWK）和应用层（APL）所组成的，其突出的特点是网络系统可保证极低成本、低功耗、易实施[5]。TI公司的CC2530射频芯片内置的Z-Stack协议栈实现了ZigBee协议，支持终端节点、路由器节点以及汇聚节点的组网与数据传输，可以做很好地开发支持[6]。

本系统中无线传感网采用树型拓扑结构，整个无线传感网分为二层组网。第一层组网即终端节点与路由器节点组网，终端节点分簇，路由器节点作为簇头负责簇的形成以及终端节点信息的汇集。每个簇内采用基于TDMA的MAC协议，各个终端节点在不同时隙发送信息给路由器节点。第二层组网即路由器节点与汇聚节点组网，簇头之间采用CDMA机制与汇聚节点通信。整个网络工作过程为：终端节点采集数据并用TDMA机制发送给路由器节点，路由器节点负责数据融合，然后将数据发给汇聚节点。因此，路由器节点不能休眠，较终端节点功耗大。汇聚节点通过串口连接GPRS模块，将信息发送给远程的控制服务器，客户端连接服务器可以查看信息并作出控制决策。

ZigBee终端节点由数据采集单元、信息处理单元、通信单元和能源四部分组成，设计结构如图2所示。

图2 终端节点结构

ZigBee路由器节点由控制模块、信息处理单元、通信单元和能源四部分组成，如图3所示。所以路由器节点没有环境监测功能，但是连接有电磁阀可以控制水龙头的关闭打开，完成整个系统中控制部分的功能。

图3 路由器节点结构

3 上位机软件设计

智能监控系统是整个系统的信息管理和控制核心，是数据处理的重要环节，能够为用户提供准确的信息和快捷的查询手段，大大方便了用户使用。服务器端监控管理系统采用JSP实现，后台采用MySQL数据库来存储绿地温湿度采集的信息，数据库可存储海量数据，并能进行组织管理，使得数据查询和使用更快速高效[7]。通过JDBC连接前台页面与后台数据库。

上位机软件功能结构如图4所示，主要包括前台的监测模块和控制模块，以及后台的用户管理。监测模块可以实时显示当前采集的数据，并可以对历史数据进行分析，以图形等直观方式表示。控制模块可以选择控制模式，比如手动控制或自动控制，手动方式下则支持用户管理设备。后台管理员可以添加用户并进行管理，使得客户端的登录用户查看数据或控制系统。

图4 上位机软件功能结构图

4 结 语

为了提高灌溉效率，节约水资源，结合ZigBee网络低功耗、自组织等优点，设计了一套基于ZigBee无线传感网和GPRS的绿地远程智能监控灌溉系统，介绍了系统整体框架设计，并对网络数据传输和节点硬件进行了设计，最后设计了控制中心软件。系统可以有效节约水资源，实施自动化精确灌溉，改善现有手工或半自动灌溉方式。

参考文献

[1]郑先锋，刘刚.基于作物水胁迫声发射技术与Zigbee无线传感器网络的精细灌溉系统的设计[J]. 电子器件，2014（6）：1189-1192.

[2]胡小俊，赵济景.基于ZigBee-GPRS的土壤墒情检测系统设计[J].现代电子技术，2014，37（6）：59-61.

[3]张俊涛，李媛，陈晓莉.基于无线传感网络的果树精准灌溉系统[J]. 农机化研究，2014（2）：183-187.

[4]袁志强.应用于农业喷灌系统的无线传感网络的设计[J].中国农机化学报，2014，35（1）：249-251.

[5]康立军，吴丽丽，郭继富.远程监控葡萄园土壤墒情的物联网体系结构研究[J].湖南农业科学，2014（6）：71-75.

[6]谢红彪，王斌，李文静，等.基于ZigBee的田间灌溉自动测控系统设计[J].农机化研究，2014（9）：89-93.

[7]张杰.基于Zigbee和GPRS的果园智能灌溉控制系统设计[D].杨凌：西北农林科技大学，2014.