0 引言
目前，我國(guó)一些地方利用從國(guó)外引進(jìn)的農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)，對(duì)于灌溉水平和水資源利用率的提高起到了一定的積極作用，但由于系統(tǒng)成本過高、參數(shù)標(biāo)定不完整、缺乏相對(duì)應(yīng)的高級(jí)決策功能、系統(tǒng)維護(hù)和更新難以保證等眾多的問題限制了農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)的使用和大面積推廣。針對(duì)目前的現(xiàn)狀開發(fā)基于ZigBee無線模塊的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)，對(duì)提升節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)技術(shù)的高科技含量，建立適合我國(guó)國(guó)情的節(jié)水灌溉農(nóng)業(yè)技術(shù)體系。
本文以ZigBee無線模塊技術(shù)、GPRS技術(shù)為核心，實(shí)時(shí)采集田間土壤溫度、濕度等數(shù)據(jù)進(jìn)行ZigBee數(shù)據(jù)采集，完成智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的應(yīng)用研究，監(jiān)測(cè)土壤的墑情和農(nóng)作物的生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉管理智能化的設(shè)計(jì)思想。
1 ZigBee簡(jiǎn)介
ZigBee 技術(shù)的前身是“HomeRFlite”技術(shù)，其核心協(xié)議由2000 年12 月成立的IEEE 802.15.4 工作組制定的，高層應(yīng)用、互聯(lián)互通測(cè)試和市場(chǎng)推廣由2002 年8 月組建的ZigBee 聯(lián)盟負(fù)責(zé)。ZigBee 強(qiáng)調(diào)低成本、低耗電、雙向傳輸、感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)功能等特色。IEEE 終將ZigBee 接納為IEEE 802.15.4 的標(biāo)準(zhǔn)與ZigBee 聯(lián)盟共同致力于WPAN的標(biāo)準(zhǔn)制定。ZigBee 作為一種無線連接，可工作在2.14GH(全球流行)、868MHz(歐洲流行)和915MHz(美國(guó)流行)3 個(gè)頻段上，分別具有最高至250 kbit/、20 kbit/s、40 kbit/s 的傳輸速率，它的傳輸距離在10~75m的范圍內(nèi)，但還可以繼續(xù)增加。依據(jù)發(fā)射功率的大小和應(yīng)用模式而定，1臺(tái)ZigBee設(shè)備可以連接多達(dá)254個(gè)同類的設(shè)備。
2 智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)
智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)以ZigBee無線傳感器技術(shù)為核心，綜合利用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、GPRS技術(shù)、Internet 技術(shù)、節(jié)水灌溉技術(shù)和應(yīng)用自動(dòng)化控制技術(shù)進(jìn)行精準(zhǔn)農(nóng)田信息（田間土壤水分、溫濕度、雨量、蒸發(fā)量等）采集，通過Internet 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)灌溉管理系統(tǒng)，實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)作物的需水和生長(zhǎng)狀況，智能決策并實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉系統(tǒng)電磁閥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，使傳統(tǒng)的灌溉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了由靜態(tài)向動(dòng)態(tài)“人工智能”的轉(zhuǎn)變。智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)總體方案結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 ZigBee 智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)
3.1 灌溉實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊
系統(tǒng)灌溉實(shí)時(shí)ZigBee數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由田間土壤水分監(jiān)測(cè)傳感器系統(tǒng)、溫濕度監(jiān)測(cè)傳感器系統(tǒng)、雨量蒸發(fā)量監(jiān)測(cè)傳感器系統(tǒng)組成。這個(gè)系統(tǒng)的功能是，實(shí)時(shí)采集灌溉區(qū)域各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，通過ZigBee數(shù)傳模塊網(wǎng)絡(luò)傳遞到數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)。
系統(tǒng)由溫度、濕度ZigBee數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)發(fā)送端和數(shù)據(jù)接收端兩部分組成，發(fā)送端由測(cè)溫電纜、采集器、檢測(cè)分機(jī)組成，接收端由微型計(jì)算機(jī)、檢測(cè)主機(jī)組成。每一個(gè)采集器可接多個(gè)傳感器，一臺(tái)檢測(cè)分機(jī)最多可驅(qū)動(dòng)16 個(gè)采集器。接收端的微型計(jì)算機(jī)主要進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析、管理，檢測(cè)主機(jī)根據(jù)計(jì)算機(jī)給出的檢測(cè)命令向各檢測(cè)分機(jī)按順序發(fā)出各種命令，同時(shí)接收各分機(jī)發(fā)送的傳感器數(shù)據(jù)傳給計(jì)算機(jī)。通信采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)，既檢測(cè)主機(jī)通過掃描的方式與各個(gè)發(fā)送端進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)雙向通信。
3.2 數(shù)據(jù)通信模塊系統(tǒng)
ZigBee 無線監(jiān)測(cè)主要由分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域的各種水位計(jì)、雨量計(jì)和閘位計(jì)組成，各測(cè)量單位都配備有低成本的ZigBee無線模塊遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)用于無線網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)； 監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)也按照距離的需要分布有ZigBee無線模塊路由節(jié)點(diǎn)組成了無線ZigBee數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，所有的水文數(shù)據(jù)都可以通過這一網(wǎng)絡(luò)上傳到ZigBee 中心節(jié)點(diǎn)，其覆蓋范圍幾乎可以無限的擴(kuò)展；它無距離限制，且無需網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、幾乎不需要維護(hù)；所構(gòu)建的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)既可以是星形拓?fù)洌部梢允蔷W(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌徽撌悄姆N拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)實(shí)際的組網(wǎng)需要，設(shè)計(jì)合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。接收來自ZigBee無線傳感器的采集數(shù)據(jù)，或發(fā)送來自網(wǎng)絡(luò)傳遞的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，傳輸?shù)竭h(yuǎn)程計(jì)算機(jī)系統(tǒng)或接受遠(yuǎn)程監(jiān)控命令。把數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)采集的雨量蒸發(fā)量值、溫濕度等數(shù)據(jù)和嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)根據(jù)不同作物的土或灌溉對(duì)象設(shè)置灌溉參數(shù)值進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算，決定是否灌溉，把判斷結(jié)果輸出到數(shù)據(jù)發(fā)送系統(tǒng)。由采集數(shù)據(jù)數(shù)值計(jì)算與處理系統(tǒng)的功能是將計(jì)算機(jī)判斷與結(jié)果輸出的結(jié)果轉(zhuǎn)換成無線控制指令，發(fā)送到控制系統(tǒng)。
3.3 GPRS數(shù)據(jù)終端模塊系統(tǒng)
本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集主要由GPRS 數(shù)據(jù)傳輸終端、監(jiān)控終端、GPRS網(wǎng)絡(luò)以及地面監(jiān)控中心等部分協(xié)作完成。其中，灌溉系統(tǒng)監(jiān)控終端完成數(shù)據(jù)的采集與處理工作，采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee 無線傳感器模塊與GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端相連接，并通過GPRS數(shù)據(jù)傳輸終端內(nèi)置的嵌入式處理器進(jìn)行處理以及協(xié)議的封裝，然后發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)，GPRS網(wǎng)絡(luò)通過串行通訊方式與地面監(jiān)控中心進(jìn)行通信，監(jiān)控中心接收到數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并將有效數(shù)據(jù)保存到監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫中。GPRS模塊主要包括數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和顯示模塊四部分。數(shù)據(jù)處理模塊包含CPU芯片，CPU用于處理與通信模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊和顯示模塊間的數(shù)據(jù)傳輸，為保證數(shù)據(jù)不因?yàn)閿嚯姸鴣G失，采用Flash器件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。
4 無線測(cè)溫系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，整個(gè)軟件系統(tǒng)的流程如圖2 所示，主要有以下幾個(gè)關(guān)鍵函數(shù)：DS18B20 初始化及溫度采集函數(shù)、發(fā)送（接收）函數(shù)、數(shù)據(jù)顯示函數(shù)、串口通信函數(shù)等。
圖2 無線測(cè)溫系統(tǒng)軟件流程
5 結(jié)論
本文提出一種基于ZigBee無線模塊的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，以ZigBee 數(shù)傳模塊為核心，結(jié)合嵌入式技術(shù)和節(jié)水灌溉技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了田間土壤水分、溫濕度、雨量、蒸發(fā)量等各種數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)ZigBee數(shù)據(jù)采集，由ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，通過開發(fā)節(jié)水灌溉決策系統(tǒng)軟件計(jì)算，輸出指令，自動(dòng)控制灌溉的智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)。