基于ZigBee的水肥一体化智能灌溉系统设计

176机电技术应用
Application of Mechanics-electronics Technology
2020年11月下
基于ZigBee 的水肥一体化智能灌溉系统设计
钟 峰，唐东成
（怀化职业技术学院，湖南 怀化 418000）
摘　要：针对农业灌溉过程中出现的水资源浪费以及施肥污染环境问题，文章设计了一款基于ZigBee 的水肥一体化智能灌溉系统。

该系统会将实时采集的数据通过ZigBee 网络传输到服务器中，用户只需在服务器端通过组态王软件对混合池、水池与肥料池的电磁阀进行控制，就可以实现用滴灌的方式进行农田的水灌溉或水肥灌溉。

据大量试验结果表明，系统可以在1 500m 范围内将数据采集模块采集的数据传送到服务器中，实用性较强。

关键词：ZigBee；水肥一体化；智能灌溉系统中图分类号：TP24 文献标志码：A 文章编号：1672-3872（2020）22-0176-02
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作者简介： 钟峰（1982—），男，湖南怀化人，硕士，高级工程师，
研究方向：电子信息技术，智能农业。

目前我国在农业灌溉方面存在许多问题，如水资源浪费严重、人均可利用水资源较少以及水资源分配不均等。

据有关资料显示，如今被人们广泛使用的沟灌和大水漫灌等灌溉方式仅能达到4%左右的利用率。

除此之外，农业生产过程中使用到的化学肥料还会产生水体富营养化、土壤板结等环境污染问题。

ZigBee 无线通信技术的特点包含智能化程度高、信息时效性强、覆盖范围较大、可支持同时同步采集多路传感器数据等。

基于此，文章在加入灌溉控制、水分监测以及大田环境特点后，最终设计出了水肥一体化智能灌溉系统。

该系统的出现是对传统有线监测控制方式的全面革新，具备组网简单、延展性强和功耗低等特点。

在智能灌溉系统的运行过程中，用户可通过网络实时监测大田所有角落的ZigBee 协调器采集到的温度和湿度数据，还可以通过网络打开混合池、水池与肥料池的电磁阀，从而完成对农田的灌溉过程[1]。

1 Zigbee 技术概述
随着人们对无线个人区域网的实际需求日益高涨，一个具备小范围、低功耗、低速率、低成本等无线网络新标准的Zigbee 技术由此诞生了，它不仅适用于多类型的设备，而且在自动控制领域中也有不错的表现，且相比之下，其优势要比IrDA、Wi-Fi、BlueTooth 等无线传输方式要强，如表1所示。

1.2 协议栈结构
Zigbee 协议栈体系结构是在IEEE 802.15.4标准基础上建立起来的，网络层和安全层由ZigBee 制定，应用层的开发根据用户需要求定制。

Zigbee 体系结构如图2所示，基本结构共分为五层：Zigbee 栈的媒体访问控制层MAC、物理层PHY 与IEEE 标准的物理层是保持一致的；安全服务层、应用层APL 网络层NWK 是Zigbee 技术联盟基于上诉层次，又单独给Zigbee 协议补充定义的三个层次。

每一层都会为上一层提供数据传输服务和其他服务这两种服务类型，且分别是通过数据实体和管理实体来实现的服务[2-3]。

技术优势Zigbee 802.15.4IrDA WiFi 802.11b BlueTooth 802.15.1成本小小大较大电池寿命最长长短较短网络节点255/6 50002307有效距离/m 10～100定向110010传输率20/250kbps 16Mbps 11Mbps 1Mbps 传输介质
2.4GHz 射频
980nm 红外
2.4GHz 射频
2.4GHz 射频
表1 Zigbee 技术参数优势对比分析表
1.1 网络拓扑结构
网状网络、树状网络和星形网络是Zigbee 技术中最为常见的三种网络拓扑结构，如图1所示，它们都有属于自己的独特优势，可按照自身的实际需求来自主决定。

（a）网状拓扑结构
（b）树状网络拓扑结构
（c）星形网络拓扑结构
图
1 网络拓扑结构
图
2 Zigbee 协议栈体系结构
2 基于ZigBee 的水肥一体化智能灌溉系统的总体结构设计
该系统的设计选用了C/S 架构，总体结构有无线传感器的组网与检测控制中心两个部分。

其中，无线传感器的组网又分为ZigBee 终端节点、路由节点与协调器节点。

结合图1可知，该系统的组网方式为树型拓扑结构。

ZigBee 组网内部的节点主要集中在大田内部，目的是实时采集与传输大田的温度和湿度数据。

监测控制平台以组态王软件为核心，负责接收和发送存储协调器通过RS232串行总线发送到服务器内部的温度和湿度数据，还可以把服务反馈的控制信息传输至电磁阀控制部分[4]。

3 系统上位机的开发过程
系统上位机开发是通过C 语言和图形语言完成对监控
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法，通过组态王6.5软件的图形语言设计出功能界面，C 语言可使其具备数据的存储、接收以及界面控制等多样化功能。

上位机的完整运行流程：监控中心接收并解析数据采集模块采集到的数据，让用户接收到大田环境的温度和湿度信息，随后将其对应数值储存下来。

4 系统下位机的各部分设计
系统的硬件部分总共由四个部分组成，分别是上位机、数据采集、电磁阀控制和ZigBee 节点硬件。

每一个部分都有对应的工作任务，比如数据采集模块负责实时采集大田的温湿度数据；ZigBee 节点硬件负责无线传输；上位机负责对ZigBee 节点硬件传输的数据进行整理、储存和储存；分析完成后，混合池、水池与肥料池的电磁阀会自动开启，或是人工控制。

4.1 数据采集模块的设计
该系统的数据采集模块包含两个组成部分，分别是调整电路与传感器。

数据采集模块是ZigBee 的终端节点，负责实时采集和传输大田土壤与周围空气的温度与湿度数据。

传感器选用瑞士Sensirion 公司生产的传感器SHT11。

可120℃的温度数值，精度为±0.5℃；相0～100%，精度为±0.3%，符合系统量，选择电磁阀作为控制装置是最合适不过的。

由于水池、肥料池和混合池内的物质状态不同，因此系统内通常会设有粉态电磁阀和液态电磁阀。

水池和肥料池选用的是ZCSDN25型液用电磁阀，该电磁阀耐腐蚀性较强，且带有常闭操作功能以及25mm 的通径。

当电磁阀处在常开状态时，肥料在重力作用下会自动倒入混合池中，因此废料池必须设计在混合池的正上方。

同时，为了有效避免肥料堵塞现象的发生，应选择ZQDFDN40型防腐蚀电磁阀，其性质、参数都与ZCSDN25型液用电磁阀保持一致。

电磁阀控制电路的结构示意图如图4
所示。

图3 数据采集模块的内部接口与结构组成
图4 电磁阀控制电路的结构示意图
4.2 ZigBee 节点软硬件的设计过程
ZigBee 节点的作用是接收或发送系统数据，组成部分有终端节点、路由节点和协调器节点，其主要特点是功耗较低、自愈能力强、带自组网等。

系统ZigBee 节点的硬件部分选用TT 公司生产的CC2430芯片。

这种芯片内置8051内核，满足2.4GHz 的ZigBee 通信协议的相关标准，是系统进行无线接收和发送数据的核心元件。

ZigBee 组网选用树型拓扑结构，路由节点在接收到数据采集模块发送的数据后，就会以自组网的形式将其传输到协调器节点中。

协调器节点选用全功能设备，可实时接收节点传输的参数，随后再通过RS232
串口把参数数据传输到监控中心内。

4.3 电磁阀控制部分的设计
水肥一体化中使用滴灌技术的目的是控制水肥的使用
5 结束语
文章主要分析了一个基于ZigBee 的农田水肥一体化的灌溉系统，结合大田环境的实际特点，设计了一种ZigBee 的水肥一体化的智能灌溉系统。

该系统具有能耗较低、良好的延展性、使用方便等特点，改变了传统的监控系统。

实际工作时，观测者对网络中的位置实现对温度的手机和控制，利用了ZigBee 技术成本较低、复杂性较高、安全性较强等特点，实现了对大规模的数据收集和分析工作，使用了农田监控系统实现对土壤养分含量以及供给的数据采集工作，制定了合理具有针对性的灌溉方案体系制度。

参考文献：
[1]张宾宾,李家春,蔡秀,等.基于云计算的水肥一体化控制
体系研究[J].农机化研究,2020,42(4):192-197.[2]孙锋申,魏燕,马伟顺,等.基于小波神经网络的水肥一体
化控制技术[J].南方农机,2019,50(8):12-13.[3]任玉洁,郭洪恩.智能灌溉系统的研究进展[J].浙江农业科
学,2020,61(9):1932-1935.[4]马冠华.水肥一体化智能设备关键技术探究[J].广东蚕业,
2019,53(4):49-50.
（收稿日期：2020-9-15）。